Γενετική ποικιλότητα, φυλογενετικές σχέσεις και εξέλιξη του βακτηρίου wolbachia

Abstract

Wolbachia is an intracellular α-proteobacterium and constitutes perhaps the widespreadest symbiotic organism in the planet, as it has been located until now in abundance of arthropods but also filarial nematodes. In its arthropods hosts, the bacterium is held responsible for a series of reproductive abnormalities, such as cytoplasmic incompatibility, parthenogenesis, male-killing and feminization. On the contrary, with its nematode hosts, the bacterium has established a relation of reciprocal symbiosis. These unique biological characteristics of Wolbachia attract the increasing interest of researchers, so much for the role of the bacterium in evolutionary processes (mainly speciation), but also for its utilization in various applications for the control of organisms that are harmful for agricultural crops and public health, aiming directly for the reduction of chemical means of control. In the present thesis, a series of phylogenetic analyses have been conducted, aiming at: (a) the evaluation of genetic markers, (b) the identification of possible genetic recombination events, (c) the confirmation or not of the classification of various bacterial strains in the known supergroups, (d) the classification of strains that have not yet been assigned to a supergroup to one of the characterised supergroups or to a new supergroup, and (e) the determination of the ancient supergroup. Furthermore, the first MLST system for Wolbachia was created. The grouping of unclassified strains isolated from arthropod species were found to cluster with supergroups that so far were known to exclusively include strains from filarial nematodes was observed, as well as the opposite, filarial nematode strains to group with arthropod supergroups. This finding will result in the revision of supergroup assignment criteria. Last but not least, the ancient Wolbachia supergroup is beyond any doubt, at least based to current data, supergroup B. The importance of this discovery is exceptionally important, as it enlightens the evolutionary history of the bacterium and based on this finding, the phylogenetic relationships among Wolbachia strains can henceforth be examined with clarity and reliability. However, the most important aspect of this finding is that it might be the start point for the clarification of the evolutionary dilemma imposed by many; whether the symbiotic relations of the bacterium with its hosts began with "parasitism" or "reciprocal symbiosis".

Το βακτήριο Wolbachia είναι ένα υποχρεωτικά ενδοκυττάριο βακτήριο που αποτελεί ίσως τον πιο διαδεδομένο συμβιωτικό οργανισμό στον πλανήτη, καθώς απαντά σε πληθώρα αρθροπόδων καθώς και σε νηματώδεις της φιλαρίασης. Στα αρθρόποδα ξενιστές, το βακτήριο είναι υπεύθυνο για μια σειρά αναπαραγωγικών ανωμαλιών, όπως κυτταροπλασματική ασυμβατότητα, παρθενογένεση, θανάτωση των αρσενικών εμβρύων και θηλυκοποίηση. Αντίθετα, το βακτήριο έχει εγκαθιδρύσει μια σχέση αμοιβαίας συμβίωσης με τους νηματώδεις ξενιστές του. Το ερευνητικό ενδιαφέρον εστιάζεται στο ρόλο του βακτηρίου σε εξελικτικές διαδικασίες (κυρίως ειδογένεση), αλλά και για τη χρησιμοποίησή του σε εφαρμογές βιολογικής καταπολέμησης οργανισμών που είναι επιβλαβείς στους τομείς του φυσικού περιβάλλοντος, της γεωργίας και της υγείας. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε μια σειρά φυλογενετικών αναλύσεων με σκοπό: (α) την αξιολόγηση γενετικών μαρτύρων, (β) τον έλεγχο ύπαρξης φαινομένων γενετικού ανασυνδυασμού, (γ) την επιβεβαίωση ή μη της κατάταξης βακτηριακών στελεχών στις ήδη χαρακτηρισμένες υπερομάδες, (δ) την κατάταξη σε κάποια από αυτές τις υπερομάδες νέων άγνωστης υπερομάδας στελεχών ή το χαρακτηρισμό νέων υπερομάδων, και (ε) τον προσδιορισμό της αρχέγονης υπερομάδας, δηλαδή την υπερομάδα που συμπεριλαμβάνει το βακτηριακό στέλεχος που διαχωρίστηκε πρώτο από τον κοινό πρόγονο. Επιπλέον, δημιουργήθηκε το πρώτο σύστημα MLST για Wolbachia. Παρατηρήθηκε ομαδοποίηση βακτηριακού στελέχους που απαντά σε αρθρόποδο πολύ κοντά, ή ακόμα και στον ίδιο ευρύτερο κλάδο, με υπερομάδες που συμπεριελάμβαναν αποκλειστικά και μόνο στελέχη από νηματώδεις της φιλαρίασης. Παρατηρήθηκε όμως και το αντίθετο, δηλαδή βακτηριακό στέλεχος που απαντά σε νηματώδη της φιλαρίασης να ομαδοποιείται στον ίδιο ευρύτερο κλάδο με υπερομάδα που συμπεριλάμβανε μόνο στελέχη από αρθρόποδα. Το αποτέλεσμα αυτό ουσιαστικά επιφέρει σημαντικές αλλαγές στα κριτήρια χαρακτηρισμού των υπερομάδων. Τέλος, η αρχέγονη υπερομάδα είναι πέρα κάθε αμφισβήτησης, τουλάχιστον με τα μέχρι στιγμής δεδομένα, η υπερομάδα Β. Το εύρημα αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι: το βακτήριο Wolbachia pipientis αρχικά μόλυνε ένα είδος αρθρόποδου και κατόπιν με ένα μέχρι στιγμής άγνωστο τρόπο μεταφέρθηκε στους νηματώδεις της φιλαρίασης, δηλαδή έγινε η σταδιακή εξελικτική μετάβαση από τον αναπαραγωγικό παρασιτισμό στην αμοιβαία συμβίωση.