Abstract
Arthropod-bacterial symbioses are prevalent and play significant roles in ecosystems and the economy, and in some cases, habitat invasion. Wolbachia bacteria form symbiotic associations with a wide range of arthropod hosts and can affect both host reproduction and resistance to viral infections. The extent to which Wolbachia infects different arthropod species is fundamental not only to host biology, but also to the health of humans, ecosystems, and agriculture. Much of what we know about the effects of Wolbachia comes from a few key taxa, such as the model organism Drosophila melanogaster and the mosquito vector of human disease, Aedes aegypti. The majority of arthropods, even at higher taxonomic levels, have not been tested for infection, with a lack of surveys conducted in western North America. We screened and characterized Wolbachia diversity in arthropods in 2 types of collections in western North America: broad surveys and targeted collections of species known to be infected with Wolbachia. Our goals were to (1) find new Wolbachia strains and hosts, (2) characterize Wolbachia in commonly studied taxa to see whether there are different infection frequencies or strain types in this location, and (3) compare new Wolbachia strains in western North America to previously characterized strains. PCR screening of broadly sampled arthropods with Wolbachia-specific 16S rDNA (W16S) identified 5 novel host species. Three of these are invasive: a ground beetle, Nebria brevicollis (Coleoptera: Carabidae); a cereal crop agricultural pest, Oulema melanopus (Coleoptera: Chrysomelidae); and a residential nuisance pest, Raglius alboacuminatus (Hemiptera: Rhyparochromidae). The crab spider Philodromus dispar (Araneae: Philodromidae) is nonnative, though not considered invasive, and the hyaline grass bug Liorhyssus hyalinus (Hemiptera: Rhopalidae) is of undetermined origin. To characterize 9 novel Wolbachia strains in our collections, we analyzed the 5-gene MultiLocus Sequence Type (MLST) and the Wolbachia surface protein gene (wsp). We identified 10 novel alleles among 5 MLST genes and 10 novel alleles of the highly variable regions (HVR) of wsp. This is the first report of Wolbachia hosts and strain identification from the Pacific Northwest and Rocky Mountain regions. These studies contribute to our understanding of the natural history of arthropod hosts, the biogeography of Wolbachia, and host-symbiont evolution. Moreover, strain identification is the first step in implementing Wolbachia-based biocontrol for conservation and pest mitigation, including control of the invasive N. brevicollis, O. melanopus, and R. alboacuminatus reported herein.
Las simbiosis artrópodo-bacteria prevalecen y juegan un papel importante en los ecosistemas y en la economía, y en algunos casos, en la invasión del hábitat. Las bacterias Wolbachia forman asociaciones simbióticas con una amplia gama de hospederos artrópodos, y pueden afectar la reproducción del hospedero, así como su resistencia a las infecciones virales. El grado en que Wolbachia infecta diferentes especies de artrópodos es fundamental no solo para la biología del hospedero, sino también para la salud de los humanos, los ecosistemas y la agricultura. Gran parte de lo que sabemos sobre los efectos de Wolbachia proviene de pocos taxones claves, tales como el organismo modelo Drosophila melanogaster y el mosquito vector de la enfermedad humana, Aedes aegypti. La mayoría de los artrópodos, incluso en niveles taxonómicos más altos, no han sido sometidos a pruebas de infección, con mayor carencia de muestreos en el oeste de América del Norte. En este estudio, examinamos y caracterizamos la diversidad de Wolbachia en artrópodos, en dos tipos de colecciones del oeste de América del Norte. Estos estudios fueron llevados a cabo en especies objetivo que se sabe son infectadas con Wolbachia. Nuestros objetivos fueron: (1) encontrar nuevas cepas y huéspedes de Wolbachia, (2) caracterizar a Wolbachia en taxones comúnmente estudiados, para ver si hay diferentes frecuencias de infección o tipos de cepas en esta ubicación, y (3) comparar nuevas cepas de Wolbachia al oeste de América del Norte con cepas previamente caracterizadas. Mediante, la detección por Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés) en artrópodos ampliamente muestreados con Wolbachia el ADNr específico 16S (W16S) identificó cinco nuevas especies de hospederos, tres de las cuales son invasivas, (1) el escarabajo de tierra Nebria brevicollis (Coleoptera: Carabidae), (2) una plaga de cultivo de cereales Oulema melanopus (Coleoptera: Chrysomelidae), y (3) una plaga doméstica dañina Raglius alboacuminatus (Hemiptera: Rhyparochromidae). La araña cangrejo Philodromus dispar (Araneae: Philodromidae) no es nativa y no se considera invasiva, y la chinche Liorhyssus hyalinus (Hemiptera: Rhopalidae) es de origen la indeterminado. Para caracterizar nueve cepas nuevas de Wolbachia en nuestras colecciones, analizamos cinco genes por medio de tipificación multilocus de secuencias (MLST, por sus siglas en inglés) y el gen de la proteína de superficie de Wolbachia (wsp, por sus siglas en inglés). Identificamos 10 alelos nuevos en cinco genes MLST y 10 alelos nuevos en regiones altamente variables (HVR, por sus siglas en inglés) de wsp. Este es el primer registro de hospederos y cepas de Wolbachia en el Pacífico Noroeste y en las Montañas Rocallosas (Rocky Mountains). Estos resultados contribuyen a nuestra comprensión de la historia natural de los artrópodos hospederos, la biogeografía de Wolbachia y la evolución parásito-hospedero. Además, la identificación de las cepas, es el primer paso para implementar un control biológico basado en Wolbachia, para la conservación y mitigación de plagas, incluyendo a los invasores N. brevicollis, O. melanopus, y R. alboacuminatus reportados en este trabajo.
Recommended Citation
Odden, Joanne P.; Eng, Wyatt; Lee, Kelsey; Donelick, Helen; Hiefield, Mallory; Steach, Jamie; and Chan, Lauren
(2019)
"Novel host-bacterial symbioses revealed: characterization of Wolbachia in arthropods of western North America,"
Western North American Naturalist: Vol. 79:
No.
4, Article 7.
Available at:
https://scholarsarchive.byu.edu/wnan/vol79/iss4/7
Accession numbers and allele numbers for all sequences employed for Wolbachia MLST phylogeny. MLST database: https://pubmlst.org/ wolbachia
79.4.7 Supplementary Material 2.pdf (20 kB)
Nucleotide substitution models. Phylogenetic analyses were partitioned by codon position, applying the best-fit nucleotide substitution models from MrModeltest v2 (Nylander et al. 2004). We parameterized with 2 partitions for each gene—one including positions 1 + 2 and the other including only third positions.