Wolbachia infestation in butterflies in the Carpathian Basin  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
109223
Type K
Principal investigator Bereczki, Judit
Title in Hungarian Wolbachia fertőzés Kárpát-medencei lepkékben
Title in English Wolbachia infestation in butterflies in the Carpathian Basin
Keywords in Hungarian mikrobiális szimbiózis, DNS vizsgálat, kimutatás, citoplazmatikus inkompatibilitás, horizontális átadódás, fajkeletkezés, filogenetika, konzervációbiológia
Keywords in English microbial symbiosis, DNA study, screening, cytoplasmatic incompatibility, horizontal transfer, speciation, phylogenetics, conservation biology
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Ortelius classification: Evolutionary biology
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Animal behaviour, behavioural ecology (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Ortelius classification: Entomology
Panel Ecology and evolution 1
Department or equivalent Department of Evolutionary Zoology and Human Biology (University of Debrecen)
Participants Juhász, Edit
Tóth, János Pál
Varga, Zoltán Sándor
Starting date 2014-01-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 18.051
FTE (full time equivalent) 4.69
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A szimbiózist eredetileg különböző szervezetek együttéléseként definiálták, ami az interakciók széles skáláját foglalja magában, a kölcsönösen előnyös mutualizmustól kezdve a neutrális kommenzalizmuson át az egyik fél számára káros parazitizmusig. A szimbiózis egyik legextrémebb formája az, amikor az egyik fél a másik sejtjeiben él. Ahhoz, hogy jobban megértsük a mikrobiális szimbiontáknak az eukarióta gazdaszervezetekkel való együttélésének a jellegét, a különböző típusú gazda-szimbionta kapcsolatokban részt vevő Wolbachia-kat tanulmányozzuk. Ezek az intracelluláris baktériumok az elmúlt évtizedben rendkívüli módon felkeltették a figyelmet elsősorban széleskörű előfordulásuk illetve a gazdaszervezetekre gyakorolt hatásaik miatt, ami a reproduktív parazitizmustól a mutualizmusig terjed, valamint a kártevők és betegségek elleni védekezésben való lehetséges alkalmazásuknak köszönhetően. Kutatásunk fő célja annak a megértése, hogy a Wolbachia-k milyen módon befolyásolják a védett Maculinea és Melitaea lepkefajok fajképződési folyamatait a Kárpát-medencében. Ehhez tanulmányozni fogjuk a célfajokban a fertőzés földrajzi és időbeli mintázatát, valamint a Wolbachia-k lehetséges hatásait és fő átadódási lehetőségeit. Vizsgálati eredményeink kiindulópontként szolgálhatnak e védett lepkefajok megőrzését célzó természetvédelmi kezelések kidolgozása során.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A mikrobiális szimbionták jelentős evolúciós és ökológiai hatást gyakorolhatnak eukarióta gazdáikra. Mivel az effajta kölcsönhatások teljesen feltáratlanok a védett, Kárpát-medencei Maculinea és Melitaea lepkefajokban, ezért tanulmányozzuk az intracelluláris Wolbachia-k előfordulását, lehetséges hatásait és fő horizontális átadódási lehetőségeit a célfajokban. Ezáltal bepillantást nyerhetünk a Maculinea és Melitaea gazdafajok fajképződési és filogenetikai folyamatainak alakulásába, és hasznos információkat gyűjthetünk a védelmük kidolgozásához.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás jelentősége kettős. Egyrészt nagyon fontos evolúcióbiológiai szempontból, mivel a mikrobiális szimbiontáknak az eukarióta gazdaszervezetekre gyakorolt hatásai részleteiben nem ismertek. A Wolbachia-kra mint modell szervezetekre alapozott vizsgálataink révén képet kaphatunk arról, hogy azok hogyan alakítják a Maculinea és Melitaea lepkefajok speciációs folyamatait, így az eredmények segítenek tisztázni a Wolbachia-k szerepét a célfajok filogenetikai és filogeográfiai mintázatának alakításában. Ezen túlmenően alapvető információkat nyerhetünk az említett lepkefajokban való elterjedtségükről és átadódási lehetőségeikről, amelyek teljesen ismeretlenek a Kárpát-medencében. Másfelől ezeknek a vizsgálatoknak nagy konzervációbiológiai jelentősége is van, mivel a Maculinea és Melitaea fajok védelmére nagy energiát fordítanak a teljes elterjedési területükön. A fajok védelme szempontjából a Wolbachia-knak óriási jelentősége van, mivel rossz irányokban kivitelezett visszatelepítési programokkal a különböző baktérium törzsekkel fertőzött egyedek között fellépő citoplazmatikus inkompatibilitás miatt könnyűszerrel kiirthatunk olyan populációkat, amelyeket eredetileg meg akartunk védeni. Vagyis kutatásunk eredményei a Wolbachia-k figyelembevételével kidolgozott természetvédelmi intézkedések kiindulópontjául is szolgálhatnak.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A rovarok sejtjeiben élő Wolbachia baktériumok nagy jelentőséggel bírnak gazdaszervezeteik evolúciója és védelme szempontjából. Ezek a baktériumok a Kárpát-medencében élő boglárka- és tarkalepke-fajokban is előfordulnak, és különböző módokon manipulálják a szaporodásukat. Ráadásul a lepkékkel ökológiai kapcsolatban levő rovarokba is át tudnak jutni. Annak a megértéséhez, hogy a Wolbachia-k pontosan milyen hatást gyakorolnak a gazdafajaikra, DNS vizsgálatokat végzünk. Ezáltal meghatározhatjuk ezeknek a sejten belüli baktériumoknak a szerepét a vizsgált lepkefajok evolúciójában, és megalapozhatjuk azok védelmét.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Symbiosis has been originally defined as the living together of dissimilar organisms, which encompasses a broad range of interactions, from mutualism (beneficial) through commensalism (neutral) to parasitism (harmful). One of the most extreme forms of symbiosis is when one of the partners lives inside the cells of the other. To better understand the nature of these microbial symbioses with eukaryotic hosts, we intend to study Wolbachia participating in diverse symbiont-host interactions. This intracellular bacteria genus has attracted considerable interest in the past decade primarily because of their vast abundance, fascinating effects on hosts, which range from reproductive manipulation to mutualism, and potential applications in pest and disease vector control. Additionally, recent studies indicate their significance in the evolution and conservation of their hosts. The main aim of our research is to understand how Wolbachia influence speciation patterns of the endangered Maculinea and Melitaea butterflies in the Carpathian Basin. To achieve this goal we intend to reveal the geographical and temporal pattern of infestation, as well as the plausible effects and the main horizontal transfer routes of Wolbachia. The outcome of the research may also serve as a starting point for the conservation of these endangered host species.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Microbial symbionts have great evolutionary and ecological influences on their eukaryotic hosts. Since the nature of these interactions is completely unexplored in the endangered Maculinea and Melitaea butterflies in the Carpathian Basin, we intend to study the prevalence, the plausible effects and the main horizontal transfer routes of the intracellular Wolbachia in these target species. Hereby, we may gain insight into the speciation pattern and phylogeny of Maculinea and Melitaea hosts, and also gather useful information for their successful protection.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The importance of our project is dual. One hand, it has great evolutionary biological significance because the evolutionary effects of the microbial symbionts on their eukaryotic hosts are unknown in details. Our research will contribute to understand them through Wolbachia as model organisms. Therefore, we can gain insight into that how Wolbachia shape the speciation of the target species. The results will help to clarify the role of Wolbachia in the forming of their phylogenetic and phylogeographic patterns. Besides, we can gather basic information about the prevalence and transfer of Wolbachia in the target species, which is completely unexplored in the Carpathian Basin. On the other hand, our project will have great conservation biological significance since the majority of our target species is endangered whose protection a lot of efforts have been put into in their whole distribution area. The importance of Wolbachia is enormous in terms of the species protection since we will destroy populations if we achieve reintroduction activities to wrong directions because of the forming reproductive incompatibility between individuals infected with different Wolbachia strains. Thus, the outcome of our research will serve as a starting point to work out conservation action plans taking into consideration Wolbachia.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Wolbachia bacteria living in the cells of insects have great importance in terms of evolution and protection of their host species. They also occur in endangered lycaenid and nymphalid butterfly species in the Carpathian Basin, and manipulate their reproduction in different ways. In addition, they can move into other insects that are associated with the butterfly hosts ecologically. To understand how these bacteria influence on the target butterfly species, we will perform DNA studies. Hereby, we can assess the role of these intracellular bacteria in the evolution of these endangered butterflies and establish their conservation.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A mikrobiális szimbionták jelentős evolúciós és ökológiai hatást gyakorolhatnak eukarióta gazdáikra, ezek a folyamatok azonban kevéssé ismertek. Kutatásunk fő célja az intracelluláris Wolbachiak hatásainak vizsgálata volt a Maculinea illetve Melitaea lepkék fajképződési folyamataira. A M. alcon és M. arion különböző ökotípusai között nem találtuk a Wolbachiak által indukált szaporodási inkompatibilitás bizonyítékát, mivel valamennyi vizsgált egyed fertőzött volt (fajonként egy-egy törzzsel). Ehelyett mindkét faj esetében a lokális adaptáció jelei mutatkoztak. A fertőzöttség szintje a M. nausithous és a M. teleius esetében jóval alacsonyabbnak bizonyult. Több különböző törzset mutattunk ki belőlük, amelyeknek az előfordulása semmilyen földrajzi mintázatot nem mutatott. A fertőzött egyedek mitokondriális DNS alapján nem különültek el e fajokon belül, vagyis esetükben nem tudtuk bizonyítani a Wolbachiak által indukált rejtett fajképződést, amit korábbi vizsgálatok alapján feltételeztek. Számos Melitaea faj közül eddig csupán a Me. ornataból és Me. phoebeből sikerült Wolbachiakat kimutatni. A fertőzés szintje a Me. phoebeben nagyon magas volt, míg a Me. ornata alig volt fertőzött. Ezzel együtt a Me. phoebeben azonosítottunk egy „szelekciós seprűt” okozó törzset, és megállapítottuk, hogy nem ez a törzs áll a hátterében a két, közel rokon faj között fennálló ún. „egy bárkód-két faj” jelenségnek, hanem ez a két faj közötti ősi hibridizációra vezethető vissza.
Results in English
Microbial symbionts have great evolutionary and ecological influences on their eukaryotic hosts although these effects are less known. The main aim of our research was to understand how the intracellular Wolbachia influence speciation patterns in Maculinea and Melitaea butterflies. We could not find evidence for Wolbachia-induced reproductive incompatibility between the different ecotypes of M. alcon and M. arion since all specimens were infected with a single strain by species. Instead of this, local adaptation pattern was detected in both species. The infection level was much lower in M. nausithous and M. teleius. Several strains occurred in them without any geographical pattern. Moreover, mitochondrial haplotypes of infected specimens formed separate clades neither in M. nausithous nor in M. teleius. Thus, we could not prove Wolbachia-induced cryptic speciation as hypothesized previously. Several Melitaea species were screened but we detected Wolbachia only in Me. ornata and Me. phoebe. The infestation level was high in Me. phoebe while Me. ornata was hardly infected. In parallel, we identified a Wolbachia strain causing ‘selective sweep’ in Me. phoebe. However, not this strain was responsible for the ‘one barcode-two species phenomenon’ but it was resulted by an ancient hybridisation event between the two species.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109223
Decision
Yes





 

List of publications

  
Bereczki J, Tóth JP, Sramkó G, Varga Z: Multilevel studies on the two phenological forms of Large Blue (Maculinea arion) (Lepidoptera: Lycaenidae), Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research 52(1): 32-43., 2014
Tóth JP, Bereczki J, Varga Z: A nagypettyes hangyaboglárka (Maculinea arion) és a magyar tarkalepke (Melitaea ornata kovacsi) (Lepidoptera) az Aggteleki Nemzeti Park területén, pp. 119-132 in: Tóth V. Kutatások az Aggteleki Nemzeti Parkban. II. Aggteleki Nemzeti Park Igazgatóság, Jósvafő. p. /ANP Füzetek XI./, 2014
Bereczki J, Rácz R, Varga Z, Tóth JP: Controversial patterns of Wolbachia infestation in the social parasitic Maculinea butterflies (Lepidoptera: Lycaenidae), Organisms, Diversity and Evolution (submitted manuscript: ODAE-D-15-00006), 2015
Tóth JP, Bereczki J, Végvári Zs, Juhász E, Varga Z: Different host plant utilization ability of two closely related Melitaea species (Lepidoptera: Nymphalidae), European Journal of Entomology, 2015
Tóth JP, Bereczki J, Varga Z: A nagypettyes hangyaboglárka (Maculinea arion) és a magyar tarkalepke (Melitaea ornata kovacsi) (Lepidoptera) az Aggteleki Nemzeti Park területén, pp. 119-132 in:Tóth V. Kutatások az Aggteleki Nemzeti Parkban. II. Aggteleki Nemzeti Park Igazgatóság, Jósvafő. p. /ANP Füzetek XI./, 2014
Bereczki J: Wolbachia-baktériumok és gazdáik. A manipuláció mesterei., Élet és Tudomány LXX(1): 16-18., 2015
Bereczki J, Rácz R, Varga Z, Tóth JP: Controversial patterns of Wolbachia infestation in the social parasitic Maculinea butterflies (Lepidoptera: Lycaenidae), Organisms, Diversity and Evolution 15(3): 591-607., 2015
Pecsenye K, Bereczki J, Juhász E, Tartally A & Varga Z: Contrasting genetic structure in cuckoo and predatory Maculinea butterflies, Conservation Genetics 16(4): 939-954., 2015
Tóth JP, Varga Z & Bereczki J: Long-term survival and diversification of an endemic Melitaea species in mountains of Iran and adjacent areas, Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research (doi:10.1111/jzs.12122), 2015
Bereczki J, Rácz R, Varga Z, Tóth JP: Controversial patterns of Wolbachia infestation in the social parasitic Maculinea butterflies (Lepidoptera: Lycaenidae), Organisms, Diversity and Evolution 15(3): 591-607., 2015
Tóth JP, Bereczki J, Végvári Zs, Juhász E, Varga Z: Different host plant utilization ability of two closely related Melitaea species (Lepidoptera: Nymphalidae), European Journal of Entomology 112(1): 120-125., 2015
Pecsenye K, Bereczki J, Juhász E, Tartally A & Varga Z: Contrasting genetic structure in cuckoo and predatory Maculinea butterflies, Conservation Genetics 16(4): 939-954., 2015
Tóth JP, Varga Z & Bereczki J: Long-term survival and diversification of an endemic Melitaea species in mountains of Iran and adjacent areas, Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research 54(2): 106-115., 2016
Tóth JP, Varga Z, Verovnik R, Wahlberg N, Váradi A, Bereczki J: Mito-nuclear discordance helps to reveal the phylogeographic patterns of Melitaea ornata (Lepidoptera, Nymphalidae), Biological Journal of the Linnean Society (accepted), 2016
Tartally A, Tóth JP, Váradi A, Bereczki J: First Data on the Host Ant Usage of Large Blue from the Carpathian Basin, Sociobiology (accepted), 2016
Bereczki J, Tóth JP, Sramkó G, Varga Z: Multilevel studies on the two phenological forms of Large Blue (Maculinea arion) (Lepidoptera: Lycaenidae), J ZOOL SYST EVOL RES 52: (1) 32-43, 2014
Bereczki J, Rácz R, Varga Z, Tóth JP: Controversial patterns of Wolbachia infestation in the social parasitic Maculinea butterflies (Lepidoptera: Lycaenidae), Organisms, Diversity and Evolution 15(3): 591-607., 2015
Pecsenye K, Bereczki J, Juhász E, Tartally A & Varga Z: Contrasting genetic structure in cuckoo and predatory Maculinea butterflies, Conservation Genetics 16(4): 939-954., 2015
Tóth JP, Bereczki J, Végvári Zs, Juhász E, Varga Z: Different host plant utilization ability of two closely related Melitaea species (Lepidoptera: Nymphalidae), European Journal of Entomology 112(1): 120-125., 2015
Váradi A, Tóth JP, Bereczki J: Preliminary results on Wolbachia infestation in two closely related Melitaea species, XIX. European Congress of Lepidopterology, Dresden (Germany). Abstract (poster): pp. 88., 2015
Bereczki J, Varga Z, Váradi A, Sramkó G, Takács A, Tóth JP: Adaptáció és fajképződés két Maculinea faj példáján, II. Országos Lepkész Találkozó, Szögliget. Absztrakt (előadás): 12. o., 2016
Tóth JP, Varga Z & Bereczki J: Long-term survival and diversification of an endemic Melitaea species in mountains of Iran and adjacent areas, Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research 54(2): 106-115., 2016
Bereczki J, Varga Z, Tóth JP: Maculinea or Phengaris? New insights from genitalia morphometry, Zoologischer Anzeiger – A Journal of Comparative Zoology 270: 57-59., 2017
Tartally A, Tóth JP, Váradi A, Bereczki J: First data on the host ant usage of Large Blue from the Carpathian Basin, Sociobiology 64(1): 122-124., 2017
Tóth JP, Varga Z, Verovnik R, Wahlberg N, Váradi A, Bereczki J: Mito-nuclear discordance helps to reveal the phylogeographic patterns of Melitaea ornata (Lepidoptera, Nymphalidae), Biological Journal of the Linnean Society 121(2): 267-281., 2017
Bereczki J, Pecsenye K, Varga Z, Tartally A, Tóth JP: Maculinea rebeli (Hirschke) – a phantom or reality? Novel contribution to a long-standing debate over the taxonomic status of an enigmatic Lycaenidae butterfly, Systematic Entomology 43(1): 166-182., 2018
Horváth G, Bereczki J, Urszán TJ, Balázs G, Garamszegi LZs, Herczeg G: Roll with the fear: environment- and state-dependence of pill bug (Armadillidium vulgare) personalities, Behavioural Processes (manuscript under review), 2018
Pecsenye K, Tóth A, Tóth JP, Bereczki J, Katona G, Varga Z: Surprising diversity in the Pannonian populations of Marsh Fritillary (Euphydryas aurinia, Lepidoptera: Nymphalidae): morphometric and molecular aspects, Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research (revised manuscript under review), 2018




 

Events of the project

  
2016-03-21 13:46:07
Résztvevők változása



Back »