Редкие генотипы Wolbachia в лабораторных линиях Drosophila melanogaster

Симбиотические бактерии рода Wolbachia широко распространены в популяциях Drosophila melanogaster. На основе полиморфизма перестроек генома разнообразие Wolbachia у D. melanogaster подразделяется на две клады: MEL (генотипы wMel, wMel2, wMel3 и wMel4) и CS (wMelCS и wMelCS2). Генотип wMel доминирует в природных популяциях D. melanogaster и распространен по всему миру. Генотипы CS-клады представляют особый интерес, поскольку неизвестно, как они поддерживаются в популяциях D. melanogaster. При низкой частоте встречаемости они должны элиминироваться вследствие генетического дрейфа или вытесняться генотипом wMel, чего в действительности не происходит. Следовательно, эти генотипы поддерживаются отбором. Например, штамм wMelPlus (генотип wMelCS) способен увеличивать продолжительность жизни мух при повышенных температурах. Генотип wMelCS также увеличивает интенсивность дофаминового метаболизма у дрозофил по сравнению с генотипами MEL-клады. В настоящей работе проведен поиск редких генотипов Wolbachia wMelCS и wMelCS2, а также новых генотипов в линиях D. melanogaster дикого типа и в отдельных мутантных линиях лабораторного фонда. Симбионт был выявлен во всех популяционных выборках у 200 из 385 линий дикого типа и у 83 из 170 мутантных. Разнообразие Wolbachia в линиях D. melanogaster дикого типа представлено генотипами wMel, wMelCS и wMelCS2. Более 90 % инфицированных линий несут Wolbachia wMel генотипа, 9 % – wMelCS2, и только в двух линиях обнаружен wMelCS. Новых генотипов Wolbachia не зафиксировано. Для генотипа wMelCS2 отмечена наиболее северная точка распространения – Ижевск (Удмуртия). Впервые показано присутствие генотипа wMelCS2 в линии D. melanogaster из популяции о. Сахалин, а в линии из популяции г. Нальчик – генотипа wMelCS. Сравнение генетического разнообразия Wolbachia между лабораторными линиями дикого типа и ранее полученными данными для мутантных лабораторных линий показало различие в частотах редких генотипов CS-группы, у мутантных линий их больше, что может быть связано с историей поддержания линий Drosophila.

1. Arnold P.A., Levin S.C., Stevanovic A.L., Johnson K.N. Drosophila melanogaster infected with Wolbachia strain wMelCS prefer cooler temperatures. Ecol. Entomol. 2019;44(2):287-290. DOI 10.1111/een.12696.

2. Burdina E.V., Bykov R.A., Menshanov P.N., Ilinsky Y.Y., Gruntenko N.Е. Unique Wolbachia strain wMelPlus increases heat stress resistance in Drosophila melanogaster. Arch. Insect Biochem. Physiol. 2021;106(4):e21776. DOI 10.1002/arch.21776.

3. Bykov R.A., Ilinskii Yu.Yu., Voloshina M.A., Zakharov I.K. Prevalence and genotypic diversity of the symbiotic bacterium Wolbachia in the Drosophila melanogaster population of Nalchik. Russ. J. Genet. Appl. Res. 2014;4:539-542. https://doi.org/10.1134/S2079059714060057.

4. Bykov R.А., Yudina M.A., Gruntenko N.E., Zakharov I.K., Voloshina M.A., Melashchenko E.S., Danilova M.V., Mazunin I.O., Ilinsky Y.Y. Prevalence and genetic diversity of Wolbachia endosymbiont and mtDNA in Palearctic populations of Drosophila melanogaster. BMC Evol. Biol. 2019;19(1):45-53. DOI 10.1186/s12862-019-1372-9.

5. Chrostek E., Marialva M.S., Esteves S.S., Weinert L.A., Martinez J., Jiggins F.M., Teixeira L. Wolbachia variants induce differential protection to viruses in Drosophila melanogaster: a phenotypic and phylogenomic analysis. PLoS Genet. 2013;9(12):e1003896. DOI 10.1371/journal.pgen.1003896.

6. Clark M.E., Anderson C.L., Cande J., Karr T.L. Widespread prevalence of Wolbachia in laboratory stocks and the implications for Drosophila research. Genetics. 2005;170(4):1667-1675. DOI 10.1534/genetics.104.038901.

7. Early A.M., Clark A.G. Monophyly of Wolbachia pipientis genomes within Drosophila melanogaster: geographic structuring, titre variation and host effects across five populations. Mol. Ecol. 2013; 22(23):5765-5778. DOI 10.1111/mec.12530.

8. Flores H.A., Taneja de Bruyne J., O’Donnell T.B., Tuyet Nhu V., Thi Giang N., Thi Xuan Trang H., … Thi Hue Kien D., Thuy Vi T., Willis B., O’Neill S.L., Simmons C.P., Carrington L.B. Multiple Wolbachia strains provide comparative levels of protection against dengue virus infection in Aedes aegypti. PLoS Pathog. 2020;16(4): e1008433. DOI 10.1371/journal.ppat.1008433.

9. Gruntenko N.Е., Ilinsky Y.Y., Adonyeva N.V., Burdina E.V., Bykov R.A., Menshanov P.N., Rauschenbach I.Y. Various Wolbachia genotypes differently influence host Drosophila dopamine metabolism and survival under heat stress conditions. BMC Evol. Biol. 2017;17(2):15-22. DOI 10.1186/s12862-017-1104-y.

10. Hedges L.M., Brownlie J.C., O’Neill S.L., Johnson K.N. Wolbachia and virus protection in insects. Science. 2008;322(5902):702. DOI 10.1126/science.1162418.

11. Hoffmann A.A., Clancy D.J., Merton E. Cytoplasmic incompatibility in Australian populations of Drosophila melanogaster. Genetics. 1994; 136(3):993-999. DOI 10.1093/genetics/136.3.993.

12. Hoffmann A.A., Hercus M., Dagher H. Population dynamics of the Wolbachia infection causing cytoplasmic incompatibility in Drosophila melanogaster. Genetics. 1998;148(1):221-231. DOI 10.1093/genetics/148.1.221.

13. Ilinsky Y. Coevolution of Drosophila melanogaster mtDNA and Wolbachia genotypes. PLoS One. 2013;8(1):e54373. DOI 10.1371/journal.pone.0054373.

14. Ilinsky Y.Y., Bykov R.A., Zakharov I.K. Cytotypes of mutant Drosophila melanogaster stocks from the collection of the genetics of population laboratory of the Institute of Cytology and Genetics SB RAS: genotypes of the Wolbachia endosymbiont and host mitotypes. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2014;17(3):404-423. (in Russian)

15. Ilinsky Yu.Yu., Zakharov I.K. The endosymbiont Wolbachia in Eurasian populations of Drosophila melanogaster. Russ. J. Genet. 2007a;43(7):748-756. DOI 10.1134/S102279540707006X.

16. Ilinsky Yu.Yu., Zakharov I.K. Infection of the Uman’ population of Drosophila melanogaster with the cytoplasmic endosymbiont Wolbachia. Dokl. Biol. Sci. 2007b;413(1):166-168. DOI 10.1134/S0012496607020238.

17. Ilinsky Yu.Yu., Zakharov I.K. Cytoplasmic incompatibility in Drosophila melanogaster is caused by different Wolbachia genotypes. Russ. J. Genet. Appl. Res. 2011;1(5):458-462. DOI 10.1134/S2079059711020031.

18. Kriesner P., Conner W.R., Weeks A.R., Turelli M., Hoffmann A.A. Persistence of a Wolbachia infection frequency cline in Drosophila melanogaster and the possible role of reproductive dormancy. Evolution. 2016;70(5):979-997. DOI 10.1111/evo.12923.

19. Mazzucco R., Nolte V., Vijayan T., Schlötterer C. Long-term dynamics among Wolbachia strains during thermal adaptation of their Drosophila melanogaster hosts. Front. Genet. 2020;11:482. DOI 10.3389/fgene.2020.00482.

20. Min K.T., Benzer S. Wolbachia, normally a symbiont of Drosophila, can be virulent, causing degeneration and early death. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997;94(20):10792-10796. DOI 10.1073/pnas.94.20.10792

21. Richardson M.F., Weinert L.A., Welch J.J., Linheiro R.S., Magwire M.M., Jiggins F.M., Bergman C.M. Population genomics of the Wolbachia endosymbiont in Drosophila melanogaster. PLoS Genet. 2012;8(12):e1003129. DOI 10.1371/journal.pgen.1003129.

22. Riegler M., Sidhu M., Miller W.J., O’Neill S.L. Evidence for a global Wolbachia replacement in Drosophila melanogaster. Curr. Biol. 2005;15(15):1428-1433. DOI 10.1016/j.cub.2005.06.069.

23. Schultz M.J., Isern S., Michael S.F., Corley R.B., Connor J.H., Frydman H.M. Variable inhibition of Zika virus replication by different Wolbachia strains in mosquito cell cultures. J. Virol. 2017;91(14): e00339-17. DOI 10.1128/JVI.00339-17.

24. Serga S., Maistrenko O., Rozhok A., Mousseau T., Kozeretska I. Fecundity as one of possible factors contributing to the dominance of the wMel genotype of Wolbachia in natural populations of Drosophila melanogaster. Symbiosis. 2014;63(1):11-17. DOI 10.1007/s13199-014-0283-1.

25. Teixeira L., Ferreira Á., Ashburner M. The bacterial symbiont Wolbachia induces resistance to RNA viral infections in Drosophila melanogaster. PLoS Biol. 2008;6(12):e1000002. DOI 10.1371/journal.pbio.1000002.

26. Truitt A.M., Kapun M., Kaur R., Miller W.J. Wolbachia modifies thermal preference in Drosophila melanogaster. Environ. Microbiol. 2019;21(9):3259-3268. DOI 10.1111/1462-2920.14347.

27. Versace E., Nolte V., Pandey R.V., Tobler R., Schlötterer C. Experimental evolution reveals habitat-specific fitness dynamics among Wolbachia clades in Drosophila melanogaster. Mol. Ecol. 2014;23(4): 802-814. DOI 10.1111/mec.12643.

28. Verspoor R.L., Haddrill P.R. Genetic diversity, population structure and Wolbachia infection status in a worldwide sample of Drosophila melanogaster and D. simulans populations. PLoS One. 2011;6(10): e26318. DOI 10.1371/journal.pone.0026318.

29. Woolfit M., Iturbe-Ormaetxe I., Brownlie J.C., Walker T., Riegler M., Seleznev A., Popovici J., Rances E., Wee B.A., Pavlides J., Sullivan M.J., Beatson S.A., Lane A., Sidhu M., McMeniman C.J., McGraw E.A., O’Neill S.L. Genomic evolution of the pathogenic Wolbachia strain, wMelPop. Genome Biol. Evol. 2013;5(11):2189-2204. DOI 10.1093/gbe/evt169.

30. Xue L., Fang X., Hyman J.M. Comparing the effectiveness of different strains of Wolbachia for controlling chikungunya, dengue fever, and Zika. PLoS Negl. Trop. Dis. 2018;12(7):e0006666. DOI 10.1371/journal.pntd.0006666.