DISS. ETH. NO. 21764 ENDOSYMBIONT - ETH E

DISS. ETH. NO. 21764
ENDOSYMBIONT-MEDIATED INTERACTIONS BETWEEN APHIDS AND PARASITOID
WASPS
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
LUIS EDUARDO CAYETANO SIMMARI
Master of Philosophy in Biological Science, University of New South Wales, Sydney
Born on 24.04.1982
Citizen of Australia
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Christoph Vorburger
Prof. Dr. Jukka Jokela
Dr. Alexandre Aebi
2014
Summary
Most arthropods are associated with microbial endosymbionts, and it is increasingly
recognized that these symbionts influence the host's interaction with natural enemies. Aphids
often harbour secondary endosymbiotic bacteria that confer protection against parasitoid
wasps. These symbionts can mediate the outcomes of the aphid-parasitoid interactions.
Specifically, strong genotype-by-genotype (G x G) interactions can accrue between different
variants of symbionts and parasitoids, such that the success of any given parasitoid
genotype will depend on what symbiont genotype the aphid possesses. These interactions
have implications for the maintenance of genetic polymorphisms and coevolution in such
systems. One important system to study such microbially mediated coevolution between
insects consists of the black bean aphid, Aphis fabae, its secondary symbiont Hamiltonella
defensa, and the Braconid wasp Lysiphlebus fabarum. Aphids harbouring different strains of
H. defensa are known to be differentially susceptible to variants of this parasitoid. Here,
various aspects of how the components of this system interact and may play into the ecology
and coevolution of aphids and parasitoids are investigated, namely: the modifiability of G x G
interactions to abiotic variation (are there G x G x E interactions?); whether the protective
benefits conferred by different strains of the symbiont are balanced by costs to their hosts;
and whether the protection conferred by the symbiont extends to other parasitoid species
that target A. fabae.
Firstly, it was found that G x G interactions were fairly stable across variation of a key abiotic
factor, temperature. Not only were these interactions resilient to average temperature
variation (chapter 1), they were also robust to heat shock, at least up to biologically
reasonable temperatures (chapter 2). The stability that was observed suggests that the
reciprocal selection between parasitoids and symbiont-protected hosts remains
uncomplicated by spatial or temporal variation in temperature.
Chapter 3 considered the costs associated with protection against L. fabarum across a
range of symbiont-infected aphid sublines, each harbouring a different strain of the
bacterium, in order to gauge whether heightened protection comes at the cost of depressed
life history outcomes. While this study recovered the known depressive effect of H. defensa
on aphid lifespan and lifetime reproduction, a surprising result was yielded: these constitutive
costs of harbouring H. defensa were not positively associated with heightened resistance
among aphids possessing different strains of this symbiont. In fact, a trend in the opposite
direction was found. Strains providing the strongest protection were least costly to the host.
Such a cost-benefit relationship would not contribute to the maintenance of genetic variation
of these symbionts. However, there were hints that the benefit of increased resistance could
be balanced by higher induced costs: aphids harbouring strongly protective strains of H.
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defensa suffered higher mortality after resisting the parasitoids. This could well contribute to
the maintenance of symbiont diversity, but it remains to be shown that the higher mortality is
not merely a consequence of stronger competition among aphids when fewer individuals get
killed by parasitoids Nevertheless, natural selection should certainly favour defences that
impose costs on the host only when used. This study also included an investigation of the
possible effects that symbiont abundances within individual aphids might have both with
respect to protection against parasitoids and to life history outcomes. While there was an
apparent negative effect of density on longevity and fecundity, there was no association
between density and protection.
Finally, the evidence that H. defensa provides a defense for A. fabae against parasitoids of
different species was equivocal (chapter 4). The symbiont protected extremely well against
one species other than L. fabarum, namely the commonly used biocontrol agent Aphidius
colemani. This species was virtually unable to parasitize aphids with H. defensa, but the
other two species, Binodoxys angelicae and Aphelinus chaonia, faired just as well against
symbiont-harbouring aphids as they did against symbiont-free aphids. These results suggest
that the bacterium does not provide a general defense against parasitoid wasps. The net
benefit of infection with H. defensa to the host is therefore contingent on the local community
of parasitoids, which is likely to vary in space and time.
Overall, these studies point to a great deal of complexity in aphid/symbiont/parasitoid
systems. Defensive symbionts like H. defensa clearly play a pervasive role for the ecology
and evolution of aphid-parasitoid interactions. On the other hand, my results also show that
the effects of symbionts, even though highly specific with respect to the parasitoid
encountered by the host, are relatively robust to environmental perturbation. This is
reassuring for the use of experimental results as obtained here in predicting the influence of
symbiont-conferred resistance in the field.
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Zusammenfassung
Die meisten Arthropoden sind mit mikrobiellen Endosymbionten assoziiert, und es wird
zunehmend festgestellt, dass diese die Interaktion mit natürlichen Feinden beeinflussen.
Blattläuse besitzen häufig endosymbiotische Bakterien, welche ihre Resistenz gegen
parasitische Wespen (Parasitoide) erhöhen. Diese fakultativen Endosymbionten können
dadurch die Wirt-Parasit Interaktion zwischen Blattläusen und Parasitoiden entscheidend
beeinflussen. Insbesondere gibt es starke Genotyp × Genotyp (G × G) Interaktionen zwischen
Blattlaus-Endosymbionten und Parasitoiden, so dass der Erfolg eines bestimmten ParasitoidGenotyps vom Stamm des Bakteriums abhängt, mit dem dessen Wirt infiziert ist. Solche
Interaktionen haben Auswirkungen auf die Erhaltung genetischer Variabilität und die
Koevolution zwischen Wirt und Parasit.
Ein wichtiges System zur Untersuchung dieser mikrobiell beeinflussten Koevolution zwischen
Insekten besteht aus der schwarzen Bohnenblattlaus, Aphis fabae, ihrem bakteriellen
Endosymbionten Hamiltonella defensa, und der parasitischen Wespe Lysiphlebus fabarum. Es
ist bereits bekannt, dass Blattläuse mit verschiedenen Stämmen des Endosymbionten
unterschiedliche resistent sind gegen verschiedene Linien dieser Wespen. In der hier
vorliegenden Arbeit wurde genauer untersucht, wie diese Komponenten interagieren und
dadurch die Ökologie und die Koevolution der Blattläuse und ihrer Parasitoide beeinflussen.
Ich testete, ob die erwähnten G × G Interaktionen abhängig sind von abiotischen
Umweltbedingungen (Gibt es G × G × E Interaktionen?), ob der Schutz gegen Parasitoide und
somit der Nutzen der Symbiose für den Wirt durch Kosten der Infektion mit H. defensa
kompensiert wird, und ob der Schutz durch den Symbionten sich auf auch andere Parasitoide
erstreckt, welche die schwarze Bohnenblattlaus befallen.
Als erstes konnte gezeigt werden, dass die erwähnten G × G Interaktionen zwischen BlattlausEndosymbionten und Parasitoiden erstaunlich robust waren gegenüber Variation in einem
entscheidenden Umweltfaktor, der Temperatur. Die Interaktionen waren nicht nur
unbeeinflusst von grossen Unterschieden in der Durchschnittstemperatur (Kapitel 1), sie
blieben ebenfalls unbeeinflusst von Hitzeschocks, solange sich diese im biologisch
realistischen Rahmen bewegten (Kapitel 2). Diese Befunde deuten darauf hin, dass die
gegenseitige Selektion zwischen Parasitoiden und den von Symbionten geschützen
Blattläusen über räumliche oder zeitliche Temperaturunterschiede hinweg vorhersagbar bleibt.
Das nächste Experiment verglich Kosten und Nutzen der Symbiose mit H. defensa für die
Blattläuse, und zwar mit Hilfe einer ganzen Sammlung von Blattlaus-Sublinien mit gleichem
genetischen Hintergrund, welche mit verschiedenen Stämmen des Bakteriums infiziert waren
(Kapitel 3). Ich wollte wissen, ob stärkerer Schutz gegen den Parasitoiden L. fabarum auch mit
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höheren Kosten der Infektion in der Abwesenheit von Parasitoiden verbunden ist. Der Versuch
konnte zwar die bekannten negativen Auswirkungen von H. defensa auf Blattläuse bestätigen,
nämlich eine verkürzte Lebensspanne und dadurch geringere Fortpflanzungsleistung,
ansonsten war das Ergebnis aber sehr überraschend. Diese konstitutiven Kosten der Infektion
mit H. defensa gingen nicht mit einem erhöhten Schutz einher; ganz im Gegenteil. Jene
Stämme des Bakteriums, welche die Resistenz gegen L. fabarum am stärksten erhöhten,
hatten die geringsten negativen Auswirkungen auf den Wirt. Eine solche Kosten-Nutzen
Beziehung würde sicher nicht zur Erhaltung genetischer Vielfalt bei den Symbionten beitragen,
sondern rasch jene Symbionten in der Blattlaus-Population fixieren, welche starken Schutz zu
einem günstigen 'Preis' bieten. Allerdings gabe es zumindest Hinweise darauf, dass stärkere
Resistenz mit höheren induzierten Kosten durch H. defensa verbunden ist. Blattläuse mit
stärker schützenden Stämmen des Bakteriums zeigten nämlich eine höhere Mortalität,
nachdem sie einen Parasitoidenbefall erlitten und erfolgreich abgewehrt hatten. Dieser
Umstand könnte sehr wohl zur Erhaltung von Diversität bei H. defensa beitragen. Allerdings
sollte zuerst ausgeschlossen werden, dass die erhöhte Mortalität nicht nur durch stärkere
Konkurrenz zwischen Blattläusen zu Stande kam, da in resistenteren Kolonien auch weniger
Individuen durch Parasitoide getötet werden. Auf jeden Fall ist durchaus zu erwarten, dass die
natürliche Selektion Abwehrmechanismen fördert, die nur bei Bedarf mit Kosten verbunden
sind.
Im gleichen Versuch wurde auch getestet, ob die Populationsdichte der Endosymbionten in
der Blattlaus einen Einfluss auf Kosten und Nutzen der Symbiose für den Wirt haben.
Tatsächlich gab es einen Hinweis darauf, dass die negativen Auswirkungen auf den Wirt mit
hoher Symbiontendichte zusammenhingen, für den Schutz gegen Parasitoide liess sich eine
solche Beziehung aber nicht nachweisen.
Im letzten Versuch konnte ich schliesslich zeigen, dass der Symbiont H. defensa seinem Wirt
keinen allgemeinen Schutz gegen jegliche Parasitoide bietet. Zwar schützte das Bakterium
auch hervorragend gegen eine weitere Art, Aphidius colemani, welche häufig in der
biologischen Schädlingsbekämpfung eingesetzt wird, zwei weitere Arten, Binodoxys angelicae
und Aphelinus chaonia, waren hingegen ähnlich erfolgreich auf Blattläusen mit und ohne H.
defensa. Dieses Bakterium wirkt also nicht gegen alle im natürlichen Umfeld vorhandenen
Parasitoide gleich, deshalb ist der Netto-Nutzen der Symbiose für den Wirt letztlich auch von
der lokal vorhandenen Lebensgemeinschaft natürlicher Feinde abhängig, welche natürlich
grosse räumliche und zeitliche Unterschiede aufweisen kann.
Insgesamt zeigen diese Untersuchungen deutlich, wie komplex die Interaktionen in einem
Wirt-Symbiont-Parasit System sein können. Das hier untersuchte System mit drei Akteuren ist
nur ein relativ gut verstandenes Beispiel. Schützende Symbionten sind jedoch häufig in der
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Natur und scheinen darum eine tiefgreifende Rolle zu spielen für die Ökologie und Evolution
von Wirt-Parasit Beziehungen. Andererseits zeigten meine Versuche auch, dass die Effekte
des hier untersuchten Symbionten, H. defensa, relativ robust sind gegenüber Variation in den
Umweltbedingungen, unter denen sich die Wirt-Parasitoid Interaktion abspielt. Das ist
zumindest ermutigend in Bezug auf die Verwendung experimenteller Ergebnisse aus dem
Labor, wie ich sie hier präsentiere, für die Vorhersage der Auswirkungen Symbiontenvermittelter Resistenz in der natürlichen Umgebung.
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