The Wolbachia pandemic among arthropods: interspecies transmission and mutualistic effects

Abstract

Wolbachien sind weitverbreitete bakterielle Symbionten von Arthropoden. Sie werden überwiegend durch maternale Vererbung übertragen, können aber auch horizontal von Art zu Art übertragen werden. Wolbachien sind berüchtigt dafür, die Wirtsreproduktion zu manipulieren, können aber auch Mutualismen mit ihren Wirten evolvieren. In dieser Arbeit untersuche ich, welche Rolle horizontale Transmission und mutualistische Effekte bei der Wolbachien-Pandemie unter Arthropoden spielen. Zunächst schätze ich, dass Millionen Arthropodenarten mit Wolbachien infiziert sind. Um diese erstaunliche Verbreitung zu verstehen, entwickele ich ein Modell zur horizontalen zwischenartlichen Transmission von Wolbachien, das auf epidemiologischer und Netzwerk-Theorie aufbaut. Die Ergebnisse weisen auf die Bedeutung von horizontaler Transmission über große phylogenetische Distanzen hin. Da eine erfolgreiche Transmission wahrscheinlich durch symbionteninduzierte Wirtsvorteile begünstigt wird, betrachte ich dann umfassend und kritisch Wolbachien-Arthropoden-Mutualismen und finde diese in vielfältigen Kontexten, aber nur begrenzt Hinweise auf Wolbachien-induzierten Wirtsschutz. Mithilfe eines populationsgenetischen Modells untersuche ich dann den Einfluss von Wirtsvorteilen auf die Infektionsdynamik von Wolbachien. Erstmalig leite ich Invasionsbedingungen und Gleichgewichtsfrequenzen für Wolbachien-Doppelinfektionen her. Die Ergebnisse bestätigen, dass Wirtsvorteile die Invasion von Wolbachien in neue Wirte erheblich erleichtern. Schließlich untersuche ich die Wechselwirkungen zwischen einer Wolbachien-Infektion und dem Immunsystem des Wirtes, wobei ein Schwerpunkt auf reaktiven Sauerstoffspezies liegt. Ich schlage eine Hypothese vor, die unterschiedliche Immunantworten in neuen und ko-evolvierten Assoziationen erklärt. Insgesamt sprechen die Ergebnisse dieser Arbeit für einen wesentlichen Anteil von horizontaler Transmission und mutualistischen Effekten an der Wolbachien-Pandemie in Arthropoden.

Wolbachia are widespread bacterial symbionts of arthropods. They are transmitted predominantly via maternal inheritance, but are also able to move between different species (horizontal transmission). Wolbachia are notorious for selfishly interfering with host reproduction, but they can also evolve mutualistic associations with their hosts. In this thesis, we analyze the role of horizontal transmission and mutualistic effects in the Wolbachia pandemic among arthropods. First, we derive an estimate of the number of Wolbachia-infected arthropod species and find that millions of species are infected. In order to explain this striking distribution, we develop a model of Wolbachia horizontal transmission between species, building on epidemiological theory and network theory. Our findings point to the importance of transmission over large phylogenetic distances. Given that successful horizontal transmission is likely to be facilitated by symbiont-induced host benefits, we then perform a comprehensive review of Wolbachia-arthropod mutualisms and find that these occur in diverse contexts, although the evidence of Wolbachia-induced host protection in nature is limited so far. By means of a population genetic model, we then analyze the influence of host benefits on the infection dynamics of Wolbachia. For the first time, we derive invasion conditions and equilibrium frequencies for Wolbachia double infections. Our results corroborate that host benefits substantially facilitate invasion of Wolbachia into novel hosts. Finally, we examine the interactions between Wolbachia infection and the host immune system, with a focus on reactive oxygen species. We propose a hypothesis that explains differential immune responses in novel and coevolved associations. Taken together, the findings presented in this thesis argue for a significant involvement of horizontal transmission and mutualistic effects in the Wolbachia pandemic among arthropods.