Analysis of reproductive anomalies in hybridogenetic beetles (Chrysomelidae, Altica lythri)

Abstract

The flea beetle Altica lythri harbours three main mitochondrial (mtDNA) haplotypes (HT1, HT2, HT3), one of which shows a strong sex ratio distortion with exclusively female progeny (HT1). The females of this HT still need to mate to produce offspring, as unfertilised eggs to not develop into larvae. All three HTs may be infected with a Wolbachia strain that each belongs to the two supergroups found in this beetle species. These strains depict a strong correlation with the mtDNA HTs. One Wolbachia strain, wLytB, has started introgressing into other HTs (HT2), intermixing and forming double infections, whereas the infection of the all- female HT1 with wLytA1 remains separated. In this thesis, the phenotype of HT1 has been addressed. The extreme sex ratio distortion in this HT led to the assumption that there are reproduction anomalies present that need to be uncovered. For this, I performed quaddRAD analyses, which is a method that makes it possible to screen the entire genome and call SNPs simultaneously. No reference genome is required, which makes quaddRAD the optimal method to use in non-model organisms like A. lythri. With the help of this method, I could show for the first time that the offspring of this all- female HT inherit the majority of their SNPs from the mother. This is not what would be expected for sexual reproduction but for individuals reproducing gynogenetically. Gynogenesis is a form of parthenogenesis, in which the females can be seen as sperm parasites as they require the trigger of insemination for the development of their unreduced eggs without using the paternal genome for next generation. The maternal inheritance of SNPs is on a par with the strong female bias in this HT. However, a small percentage of paternal genes leaked into the next generation, highlighting the faulty exclusion mechanism that takes place in gynogenetic eggs. It is expected for gynogenetic individuals to produce unreduced oocytes to ensure that the majority of the maternal genes are transmitted to the next generation. With the help of fluorescence microscopy of unfertilised eggs, I could show that A. lythri produces diploid oocytes instead of the regular haploid oocytes. The latter can be found in HT2, which would be needed for sexual reproduction. Various possible discussion points will be given to address the cause of gynogenesis in this dissertation, one of which is the infection with reproduction-manipulating organisms like Wolbachia. The correlation between mtDNA HT and Wolbachia strain, especially for HT1, is striking and likely to be connected to the change in meiosis that led to the production of female gametes with an unreduced chromosome set. The part that mitochondria and selfish elements might have in this phenotype is still unknown, as is the fate of the male pronucleus after the fusion with the gynogenetic egg. I will give discussion points and possible ways of why the male set of chromosomes might be detected and excluded, but more research and analyses need to be done to fully answer these questions. What has ultimately caused the transition from sexual to parthenogenetic reproduction in HT1 is not known yet, so this HT needs to undergo further research to help us understand why gynogenesis is the mode of reproduction in HT1.

Der Flohkäfer Altica lythri besitzt drei mitochondriale (mtDNA) Haplotypen (HT1, HT2, HT3), von denen einer mit fast ausschließlich weiblichen Nachkommen eine starke Verschiebung des Geschlechterverhältnisses aufweist (HT1). Die Weibchen dieses HT müssen sich jedoch paaren, um Nachkommen zu produzieren, da unbefruchtete Eier sich nicht zu Larven entwickeln. Alle drei HTs sind mit je einem Wolbachia-Stamm infiziert, der jeweils zu einer der beiden Supergroups gehört, die bei dieser Käferart zu finden sind. Diese Stämme stehen in Korrelation mit den mtDNA HTs. Während der letzten Jahre ist einer der drei Wolbachia- Stämme, wLytB, zu HT2 übergegangen und hat zu Doppelinfektionen geführt. Der Stamm wLytA1 in HT1 ist hier nicht von betroffen und bildet keine Doppelinfektionen mit einem anderen Stamm. In dieser Arbeit steht der Phänotyp von HT1 im Fokus. Die extreme Verschiebung des Geschlechtsverhältnisses in diesem HT führt zu der Hypothese, dass hier Anomalien in der Reproduktion/Meiose vorhanden sind, die diesen Phänotyp erklären könnten. Um diese zu untersuchen, habe ich quaddRAD-Analysen durchgeführt. Dies ist eine Methode, mit der SNPs, verteilt über das gesamte Genom, in allen zu untersuchenden Proben gleichzeitig detektiert werden können. Es wird kein Referenzgenom benötigt, welches quaddRAD zur optimalen Methode für Nicht-Modellorganismen, wie A. lythri, macht. Mit Hilfe dieser Methode konnte ich erstmals zeigen, dass die Nachkommen dieses rein weiblichen HT die Mehrzahl ihrer SNPs von der Mutter erben. Dieses Ergebnis entspricht nicht sexueller Reproduktion, sondern spricht für eine gynogenetische Fortpflanzung. Die Gynogenese ist eine Form der Parthenogenese, bei der die Weibchen als Spermienparasiten betrachtet werden können, da sie den Auslöser der Befruchtung lediglich für die Entwicklung ihrer nicht reduzierten Eizellen benötigen. Hierbei gelangen die paternalen Chromosomen nicht in die nächste Generation. Die maternale Vererbung der SNPs stimmt mit dem starken Weibchenüberschuss in HT1 überein. Ein kleiner Prozentsatz der väterlichen Gene konnte dennoch in den Genomen der nächsten Generation gefunden werden, was auf einen fehlerhaften Ausschlussmechanismus in den gynogenetischen Eiern hindeutet. Fluoreszenzmikroskopische Präparate von unbefruchteten Eiern konnten zeigen, dass HT1 von A. lythri diploide Eizellen produziert, im Gegensatz zu den normalen haploiden Eizellen, die in HT2 für die sexuelle Fortpflanzung benötigt werden. Die Produktion nicht reduzierter Eizellen untermauert des Weiteren die mehrheitlich mütterliche Vererbung der SNPs an die nächste Generation. In dieser Dissertation werden verschiedene mögliche Ursachen genannt, um dem Ursprung der Gynogenese auf den Grund zu gehen. Die Infektion mit fortpflanzungsmanipulierenden Organismen wie Wolbachia ist hier als einen möglichen Grund zu nennen. Die Korrelation zwischen mtDNA HT und Wolbachia-Stamm, insbesondere für HT1, ist auffällig und wahrscheinlich mit der Veränderung der Meiose verbunden, die in HT1 zur Bildung weiblicher Gameten mit einem nicht reduzierten Chromosomensatz führt. Welche Rolle Mitochondrien und selfish elements in diesem Phänotypen spielen können ist noch nicht bekannt, ebenso wie das Schicksal des männlichen Pronukleus nach der Verschmelzung mit dem gynogenetischen Ei. Abschließend werden mögliche Wege diskutiert, warum der männliche Chromosomensatz erkannt und ausgeschlossen werden könnte. Dennoch sind weitere Untersuchungen und Analysen erforderlich, um diese Fragen vollständig zu beantworten. Was letztendlich den Übergang von der sexuellen zur parthenogenetischen Reproduktion bei HT1 verursacht hat, ist noch nicht bekannt. Es muss weiter in die Erforschung dieses HT investiert werden, um zu verstehen, warum HT1 sich gynogenetisch fortpflanzt.