Kerstes thesis - ETH E
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Diss. ETH No 20334 THE ROLE OF GENETIC VARIATION IN EXPERIMENTAL COEVOLUTION OF THE HOST, TRIBOLIUM CASTANEUM, AND ITS PARASITE, NOSEMA WHITEI A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences Presented by NIELS ANTONIUS GREGORIUS KERSTES MSc, Wageningen University born 05.08.1984 citizen of the Netherlands accepted on the recommendation of Prof. Dr. Paul Schmid-Hempel, examiner Dr. K. Mathias Wegner, co-examiner Prof. Dr. Jukka Jokela, co-examiner 2012 7 Zusammenfassung Genetische Variation spielt eine entscheidende Rolle für den Verlauf und das Resultat von Wirt-Parasit-Koevolution. Parasiten profitieren zum Beispiel von höherer genetischer Diversität, da dies die Infektion einer Vielzahl von Wirtsgenotypen ermöglicht. Ebenso spielt die genetische Diversität einer Infektion innerhalb eines Wirtes ein bedeutende Rolle, da sich die Ausprägung von Virulenz häufig zwischen Einzel- und Mehrfachinfektionen unterscheidet, und dies im weiteren auch Auswirkungen auf die Effizienz der Immunantwort des Wirtes hat. Auf der Wirtseite können genetisch diverse Populationen eine rasche Adaptation von Parasiten behindern, da die Wahrscheinlichkeit deutlich erhöht ist, dass zumindest einige wenige Individuen resistent gegen eine Infektion sind. Sollten sich Parasiten kontinuierlich an die häufigsten Wirtsgenotypen anpassen, ist ein andauernder Nachschub an neuen genetischen Varianten von Vorteil, da diese neuen Genotypen dann per Definition selten sind. Diese Art von parasitenbedingter, negativ frequenzabhängiger Selektion wird daher als eine Erklärung für die weite Verbreitung von sexueller Fortpflanzung angesehen und ist formal in der Red-Queen-Hypothese zusammengefasst. Diese Doktorarbeit untersucht die experimentelle Koevolution des roten Mehlkäfers, Tribolium castaneum, mit einem natürlich vorkommendem Parasiten, dem Mikrosporidium Nosema whitei. Nach 11 Generationen Koevolution konnte gezeigt werden, dass die Rekombinationsraten des Wirtes vermutlich als Ergebnis eines RedQueen-Prozesses erhöht waren. Zuvor wurde gezeigt, dass koevolvierte T. castaneumPopulationen höhere selektiv neutrale genetische Diversität bewahrten als die entsprechenden gepaarten, nicht koevolvierten Kontrollpopulationen. Hier konnte jetzt gezeigt werden, dass neben der selektiv neutralen genetischen Diversität auch funktionale genetische Variation für Infektionsresistenz aufrechterhalten wird. Die Erzeugung von Inzucht- und Auszuchtlinien in verschiedenen T. castaneumPopulationen legte hierbei die Vermutung nahe, dass balancierende Selektion aufgrund eines Heterozygotenvorteils nicht als Mechanismus für die Aufrechterhaltung genetischer Variation herangeführt werden kann. Dies unterstützt somit ebenfalls die Hypothese, dass negativ-frequenzabhängige Selektion der verantwortliche Mechanismus für eine erhöhte genetische Variabilität ist. 8 Koevolution änderte nicht nur die Resistenz und die genetische Variabilität des Wirtes, sondern auch das Paarungsverhalten, was sich durch eine verminderte Paarungsbereitschaft ausdrückte. Dieser Effekt hing zusätzlich von der Populationsgrösse ab und zeigte unterschiedliche Muster in Männchen als in Weibchen. Auf Parasitenseite zeigte ein Serial Passage Experiment, dass auch die Evolution der Virulenz des Parasiten von der genetischen Variabilität des Wirtes abhing. Während des Experiments nahm die Virulenz besonders in genotypisch diversen Populationen rapide ab. In genotypisch weniger diversen erfolgte hingegen eine Spezialisierung auf bestimmte Wirtsgenotypen, was die Infektivität in anderen genetischen Hintergründen deutlich reduzierte. Zusammenfassend bestätigen die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse die Wichtigkeit von genetischer Variabilität für Wirt-Parasit Koevolution. Wirte profitieren mit hoher Wahrscheinlichkeit wegen der vom Parasiten ausgehenden negativ-frequenzabhängigen Selektion von einer konstant andauernden Erneuerung von genetischer Varianz für Resistenz. Hier scheint insbesondere für männliche Käfer die Erhöhung der Rekombinationsrate ein weniger kostenintensiver Weg zu sein, genetisch variableren Nachwuchs zu erzeugen. Da Koevolution insgesamt zu resistenteren Wirten führte, muss zusätzlich eine direktionale Komponente der Selektion vorgelegen haben. Daraus folgt, dass das wahrscheinlichste Szenario, das die Koevolution von T. castaneum-Resistenz und N. whitei-Virulenz beschreibt, eine Kombination von direktionaler und fluktuierender, negativ-frequenzabhängiger Selektion beinhaltet. Aus dem Serial Passage-Experiment folgte, dass der Verlust von genetischer Variabilität ernste Folgen für den Parasiten haben kann, da der Verlust von genetischer Variabilität innerhalb der Population die Menge an infizierbaren Wirtsgenotypen verringert und der Verlust von genetischer Variabilität innerhalb des Wirtes zu einer verringerten Virulenz führen kann. Somit ist funktional relevante genetische Varianz nicht nur innerhalb von Wirten und Parasiten wichtig, sondern sorgt auch für fitnessrelevante Wechselwirkungen zwischen beiden Antagonisten. 9 Summary Genetic variation is expected to play an essential role in the outcome of host-parasite coevolution. For instance, parasites could benefit from higher levels of genetic variation because it allows them to infect a larger range of host genotypes. In addition, the amount of within-host parasite genetic variation could influence the outcome of infection, as it determines parasite virulence, and it affects the ability of the host's immune system to fight infection. On the other hand, host populations might benefit from high levels of genetic variation because it hinders the ability of parasite populations to adapt. Furthermore, high host genetic diversity increases the chance that at least some individuals will be able to escape infection. In case parasites constantly adapt to the most common genotypes in their host population, hosts are predicted to benefit from constantly creating new variation, and thus rare genotypes. This type of negative frequency-dependent selection by parasites is therefore hypothesized to maintain sexual reproduction and recombination in hosts, in a theory named the Red Queen Hypothesis. In this thesis, I studied experimental coevolution of the red flour beetle, Tribolium castaneum, with its natural, microsporidian parasite Nosema whitei. I found that, after 11 generations of coevolution, host recombination frequencies were increased, and that this was most likely the result of a Red Queen-like process. Previously, it was found that coevolved T. castaneum populations maintained higher levels of neutral genetic diversity than non-coevolved beetle populations. Here, I show that variation for resistance against infection by N. whitei was maintained during coevolution as well. Inbreeding and outcrossing populations of T. castaneum led to the conclusion that balancing selection caused by heterozygote advantage cannot explain the observed maintenance of variation, which matches the idea that variation was maintained because of negative frequency-dependent selection. By performing behavioural assays, I found that coevolution with a parasite changed mating eagerness of the beetles. The effect of coevolution on mating behaviour depended on the size of the experimental beetle populations, and males and females did not show the same response. Finally, the results of a serial passage experiment indicated that genetic variation indeed plays a major role in the evolution of N. whitei virulence. During this experiment, parasite populations showed a rapid, strong decrease in virulence, 10 especially when they were passaged through relatively diverse host populations. Data indicates that parasite populations specialised on certain genotypes within the host populations at the cost of losing infectivity on other genotypes. All in all, the results described in this thesis do confirm the importance of genetic variation on the outcome of host-parasite coevolution. Hosts most probably benefited from constantly creating genetic variation for resistance because of negative frequency-dependent selection by the parasites. Especially for male beetles, increasing recombination frequencies seemed to be a less costly way to increase offspring variation than increasing mating rates. Because coevolved beetles were more resistant, selection also must have had a directional component. Therefore, the most likely explanation for the results of the coevolution experiment is a scenario of combined directional and fluctuating selection for T. castaneum resistance by coevolving N. whitei. Furthermore, results from the serial passage experiment show that losing genetic variation can have severe consequences for the parasites, because it reduces the range of host genotypes that can be infected, and because decreased levels of intra-host diversity might result in lower virulence. In conclusion, genetic variability does not only determine fitness of host and parasites themselves, but also mediates fitness relevant interactions between both antagonists.
