Genetic Architecture of Host Use in Yponomeuta K.H. Hora
NEDERLANDSE SAMENVATTING Meer dan de helft van alle beschreven soorten op de wereld zijn insecten. Planteneters (herbivoren) maken daar weer een groot deel van uit. De meeste plantenetende insecten zijn specialisten: zij kunnen enkel overleven op een beperkt dieet van maar één of enkele plantensoorten. Het gebruik van deze zogenaamde waardplanten is soort specifiek: elke insectensoort is te vinden op zijn eigen plantensoort(en). Ook nauw verwante insectensoorten kunnen elk van een andere plant gebruik maken. Het lijkt er dus op dat soorten in de loop van de evolutie een andere keuze voor een waardplant hebben gemaakt. Het hoge aantal plantenetende insectensoorten, en het hoge aantal plantensoorten waar ze zich op hebben gespecialiseerd, wijst erop dat in de loop van de evolutie waardplantoverstappen met regelmaat zijn voorgekomen. Planten zijn geen gemakkelijk voedsel. Naast voedingsstoffen als eiwitten, suikers, en vetten, bevatten ze soms moeilijk verteerbare en giftige stoffen. Plantensoorten verschillen onderling vooral in de samenstelling van deze zogenoemde secundaire plantenstoffen. Dit per plantensoort unieke chemische profiel kan een bescherming bieden tegen vraat door insecten en andere organismen. Insecten die gespecialiseerd zijn op een waardplant, hebben doorgaans een manier gevonden om deze stoffen te ontwijken, en zelfs ook weer te hergebruiken in hun eigen afweer tegen vijanden. Vaak gebruiken ze unieke geur- of smaakstoffen in de planten als een manier om de waardplant te herkennen. Voordat een insect met succes kan overleven op een nieuwe waardplantsoort, moet de fysiologie van het insect aan de nieuwe plantenchemie aangepast raken. Dit gebeurt door aanpassing van de zintuigen, zodat de juiste plantenstoffen kunnen worden waargenomen, of door aanpassingen van het spijsverteringssysteem waardoor giftige stoffen kunnen worden geneutraliseerd. Anderzijds moet ook het gedrag van het insect veranderen: de juiste stoffen moeten door de hersenen als acceptabel dan wel onacceptabel geïnterpreteerd worden, waardoor volwassen insecten hun eieren op de juiste waardplanten afzetten (ovipositie), en larven de best verteerbare delen van de plant uitzoeken om van te eten. Zowel aanpassingen die zorgen dat een insect kiest voor een bepaalde plant om van te eten of een ei op te leggen (acceptatie), als de aanpassingen die het mogelijk maken om op een plantendieet te overleven (performantie), moeten van de ene generatie op de andere worden doorgegeven: zij moeten dus een genetische basis hebben. Selectie voor gen varianten die het mogelijk maken om te overleven op een nieuwe waardplant kan ten koste gaan van genvarianten die ervoor zorgden dat het insect gebruik kon maken van de oude waardplant: in dat geval zullen er twee populaties ontstaan, die elk steeds meer gespecialiseerd raken op hun eigen waardplant. Voordat een populatie uitsluitend gebruik maakt van de nieuwe waardplant, is ook een mechanisme nodig dat er voor zorgt dat individuen alleen nog maar paren binnen de eigen populatie: door genen alleen nog binnen de specialiserende populatie uit te wisselen, blijven de juiste combinaties van gen varianten voor optimale overleving op hun waardplant bewaard. Dit leid tot soortvorming: De reproductief geïsoleerde populatie noemen we een nieuwe soort. Wanneer de populaties niet strikt ruimtelijk gescheiden zijn (sympatrie), kan de reproductieve barrière een gedragsmatige
aanpassing in paringsvoorkeur binnen de eigen populatie zijn (assortatieve partnerkeuze). Twee van de vele vragen die gesteld kunnen worden zijn: 1) Hoe waarschijnlijk is een overstap naar een nieuwe waardplant. 2) Hoe kan een soortvormingsproces tijdens zo een overstap zich voltrekken zonder enige ruimtelijke scheiding van de twee populaties (allopatrie). De waarschijnlijkheid van een overstap naar een nieuwe waardplant is een functie van de genetische complexiteit die ten grondslag ligt aan de fysiologische en gedragsmatige aanpassingen die nodig zijn om op de nieuwe waardplant te kunnen overleven en voort te planten. Als een overstap naar een nieuwe waardplant genetisch complex is, lijkt het minder waarschijnlijk dat alle veranderingen op het juiste moment in een individu samenkomen. Bij herbivoren waarvan de volwassenen niet afhankelijk zijn van de waardplant voor hun voedsel, bestaat het gebruik van een plant uit minstens drie componenten: 1) Herkenning van de waardplanten door het ei-leggende volwassenen dier (adulte acceptatie). 2) Herkenning van de waardplant als geschikt voedsel door de larven (larvale acceptatie). 3) Fysiologische vermogen van de larven om zich tot adult te ontwikkelen op deze waardplant (larvale performantie). Het onderscheid tussen vraat van de rupsen, en eileg van de adulte vrouwtjes, is belangrijk voor vlinders en motten (Lepidoptera). Bij deze groep insecten kiezen de adulten het voedsel van hun toekomstige kroost op basis van chemische signalen (geur- en smaakstoffen) aan het oppervlak van de plant. Dit chemische signaal is mogelijk heel anders van samenstelling dan het signaal dat de larven tegenkomen als zij de plant beschadigen door van het plantenweefsel te eten. De keuze voor de waardplant door de adult, is dan niet direct gekoppeld aan de aan- of afwezigheid van mogelijk toxische stoffen voor de larven. Dit geeft een extra dimensie aan de mogelijkheid van een waardplant overstap en specialisatie bij deze groep insecten. In Nederland komt een negental soorten kleine nachtvlinders voor die horen tot het geslacht Yponomeuta, de stippelmotten. Elke soort is sterk gespecialiseerd op één of slechts enkele soorten waardplanten. Bijzonder is dat de afzonderlijke plantensoorten tot verschillende plantenfamilies behoren. De stippelmotten zijn het onderwerp van een lang lopend - vakgebied overstijgend - onderzoek dat in de jaren zeventig van de vorige eeuw aan de Universiteit van Leiden begonnen is. Van een groot deel van de soorten binnen het geslacht Yponomeuta, dat een wereldwijde verspreiding heeft, zijn de onderlinge verwantschappen bekend. Hun stamboom is gereconstrueerd op basis van morfologische en genetische verschillen en overeenkomsten. Van elke soort in de stamboom is de waardplant bekend. Zo kan er teruggekeken worden naar de ontwikkeling van waardplantspecialisatie in de loop van de evolutie. Het blijkt dat de voorouders van het geslacht in Azië, vooral gespecialiseerd waren op plantensoorten uit de familie van de Celastraceae, de kardinaalsmutsachtigen. De Europese stippelmotsoorten komen nu vooral voor op waardplanten uit een andere plantenfamilie: de Rosaceae of roosachtigen.
Drie Europese soorten worden gevonden op de kardinaalsmuts (Euonymus europaeus), de enige endemisch voorkomende vertegenwoordiger van de Celastraceae in Europa. Yponomeuta cagnagellus (een specialist op E. europaeus) vormt, samen met een aantal - morfologisch zeer gelijkende - soorten in de stamboom, het padellus-complex: deze soorten zijn vooral te herkennen aan de verschillende waardplanten waarop elk van hen als rups gevonden kan worden. Dit complex is vernoemd naar Yponomeuta padellus, die als enige meer dan één plantensoort eet en voorkomt op enkele plantensoorten uit de familie Rosaceae, met name op Sleedoorn (Prunus spinosa) en Meidoorn (Crataegus monogyna). Waarschijnlijk is Y. cagnagellus, vanuit een voorouder die gespecialiseerd was op Rosaceae, weer opnieuw gespecialiseerd op de Celastraceae. Deze twee stippelmotsoorten komen samen voor in dezelfde ecologische gemeenschappen. In de natuur zijn de soorten uit het padellus-complex effectief reproductief gescheiden doordat de vrouwtjes van elke soort een uniek sexferomoon (een mengsel van geurstoffen) gebruiken om de soorteigen mannetjes te lokken. Bovendien zijn de vrouwtjes ook nog in staat om de mannetjes van hun eigen soort te herkennen aan een mannelijk feromoon. Doordat ze onder laboratoriumomstandigheden toch nakomelingen kunnen krijgen, zijn ze geschikt als model om de overerving van genetische aanpassingen aan de waardplant te bestuderen. In dit proefschrift wordt de genetische architectuur van de waardplantspecialisatie in Yponomeuta beschreven. Dit is het geheel van genen die een rol spelen in de overerfbare eigenschappen die per soort belangrijk zijn bij het gebruik van de waardplant (het genotype), de manier waarop deze genen elkaar kunnen beïnvloeden, en de invloed van de omgeving op het waarneembare resultaat van de expressie van de genen (het fenotype). Hiertoe is onderzocht wat de genetische basis is van adulte waardplantacceptatie, de larvale acceptatie en de larvale performantie, en hoe deze drie elementen in relatie tot elkaar staan. Leidende vragen hierbij waren: Hoe herkennen adulte stippelmotten hun waardplant? Is er bewijs voor het bestaan van erfelijke variatie in adulte waardplantacceptatie? Heeft waardplantacceptatie van adulten en rupsen dezelfde genetische basis? Is er bewijs voor het bestaan van erfelijke variatie in larvale waardplantacceptatie? Is waardplantacceptatie bij rupsen gekoppeld aan hun performantie, gemeten als het vermogen om zich op de plant te ontwikkelen tot adult? Wat zijn de nadelen van hybridisatie tussen de stippelmot soorten: Zijn deze hybriden minder fit, doordat van de genomen die ze van elk van de ouders krijgen niet (meer) kunnen samenwerken? Om deze vragen te beantwoorden zijn twee soorten stippelmotten (Y. cagnagellus en Y. padellus) in het laboratorium gekruist. De genetische component van de drie elementen die betrokken zijn bij specialisatie aan een waardplant, is bestudeerd door naar de verdeling van de kenmerken in families van hybride nakomelingen in de eerste en tweede generatie te kijken. Uit de verzamelde gegevens concluderen we dat al de drie factoren adulte acceptatie, larvale acceptatie en larvale performantie een erfelijke component hebben, en dat de drie factoren onafhankelijk van elkaar overerven. Rupsen gebruiken onder andere suikeralcoholen als signaal om van een waardplant te gaan eten. We hebben echter gevonden dat ei leggende vrouwtjes niet op deze stoffen reageren. De eileg wordt wel gestimuleerd door andere stoffen die van het oppervlakte van twijgen geïsoleerd kunnen
worden. Daarnaast hebben we gevonden dat ten minste drie genen betrokken zijn bij de overleving van de rupsen op de waardplant, en dat overleving onafhankelijk overerft van de voedselacceptatie door de rupsen: hybride rupsen in de tweede generatie kunnen dus voorkeur hebben voor een voedselplant waar zij niet op kunnen overleven. Het lijkt dat de genetische architectuur van waardplantspecialisatie in Yponomeuta niet eenvoudig is: specialisatie is gebaseerd op meerdere genen die in de loop van tijd gefixeerd moeten raken in een populatie die op de waardplant gespecialiseerd raakt, zodat het hele complex van de juiste gen varianten gezamenlijk doorgegeven kan worden aan de volgende generatie: een dergelijke gen combinatie wordt een gecoadapteerd genencomplex genoemd. Hiervoor is het nodig dat individuen voor de voortplanting bij voorkeur een partner zoeken binnen de eigen waardplantspecialisatie en niet één die uit de populatie komt die gespecialiseerd is op de andere waardplant (assortatieve partnerkeuze). Dit vergt een genetisch vastgelegde aanpassing in de partnerkeuze, die gekoppeld moet raken aan de waardplantspecialisatie: individuen die goed aangepast zijn aan de waardplant moeten elkaar kunnen herkennen en dan ook nog bij voorkeur met elkaar willen paren. Selectie op deze gedragsaanpassing kan tot stand komen als een individu, die niet voor de juiste partner kiest, hiervan een nadeel ondervindt doordat het minder potentiële nakomelingen krijgt die tot wasdom komen. In dit proefschrift is onderzocht of de hybriden tussen twee stippelmotsoorten minder goed in staat zijn om te overleven of nakomelingen te produceren. De eerste generatie hybriden (F1) combineren een compleet set genen voor gebruik van beide ouderlijke waardplanten. Zij zijn in theorie in staat om net zo goed van elk van beide planten gebruik te maken als elk van de ouders. We hebben gevonden dat de F1 net zo goed overleeft, en even hoge popgewichten bereikt als beide ouders, op elk van de waardplanten. Het popgewicht is een maat voor performantie: hoe goed een rups zich heeft kunnen ontwikkelen op het dieet dat het heeft gekregen. We hebben geen bewijs gevonden dat deze hybriden minder fertiel zijn of minder nakomelingen kunnen krijgen. Voor de eerste generatie hybriden lijkt er geen nadeel gekoppeld te zijn aan niet-assortatieve partnerkeuze. Echter, de kosten voor paren met een partner die op een andere waardplant gespecialiseerd is, worden duidelijk in de tweede generatie. Als de F1 teruggekruist wordt met één van de oudersoorten, overleven zij niet op de waardplant van de andere oorspronkelijke oudersoort. Tijdens de meiose (de celdeling die voorafgaan aan het produceren van zaad- en eicellen) recombineren de genen voor waardplant-gebruik. Daardoor is de kans groot dat niet alle genen die nodig zijn om op een waardplant te kunnen overleven in één geslachtscel (zaad- of eicel) samenkomen. De terugkruising overleeft dus dankzij de volledige set van genen in de gameten van de oudersoort waarmee zij zijn teruggekruist. We zijn er dan ook niet in geslaagd om F2 kruisingen (F1xF1) goed op te kweken: overleven is moeilijk op elke waardplant, omdat zij maar heel zelden de juiste combinatie van genen doorgegeven krijgen in de geslachtscellen van elk van de F1 ouders. De enkele individuen uit de tweede generatie kruisingen die wél overleven, geven een indicatie van het minimale aantal genen dat hiervoor nodig is: we schatten dit aantal op drie. We hebben aangetoond dat er tussen de verschillende stippelmotsoorten structurele verschillen bestaan in de chromosomen: uit microscopische beelden van de chromosomen
tijdens de meiose in de hybriden blijkt dat homologe stukken (stukken met vergelijkbare DNA-lettervolgorde, en waarschijnlijk dezelfde genen) van de chromosomen bij de ene soort op een andere plek kunnen zitten (translocaties) dan bij de andere soort, of omgekeerd in het chromosoom terecht gekomen zijn (inversies). Verassend genoeg vinden we hiervan geen nadelige effecten op fertiliteit en productie van nakomelingen bij deze hybriden. Nadelen worden zichtbaar in de tweede generatie, door het uiteenvallen van de hierboven beschreven ouderlijke gecoadapteerde set genen voor waardplantgebruik. De ernst van deze nadelen is afhankelijk van de keuze van de waardplant door de vrouwelijke partner in de terugkruising. Er is geen nadeel als zij kiest voor de waardplant waar de nakomelingen het complete set genen voor krijgen; maar kiest zij voor de andere waardplant, dan heeft dat negatieve consequenties. Omdat de nadelen waardplantafhankelijk zijn, zou het theoretisch gunstig zijn als de beslissing van vrouwtje om wel of niet te paren, bepalend is in de selectie voor de juiste partner: zij bepaalt immers ook de waardplant van de larven. Zij kan, door actief niet aan haar eigen waardplant aangepaste mannetjes te weigeren, bijdragen aan een hogere overlevingskans van de nakomelingen. Als de assortatieve partnerkeuze leid tot een reproductieve barrière, zal dit verdergaande specialisatie en soortvorming in de hand werken, waarmee de set gecoadapteerde genen kan fixeren in de populatie. Op grond van de verzamelde gegevens, kan een hypothese worden opgesteld over de invloed van de genetische architectuur bij de evolutie van de waardplant relaties van de jongste Yponomeuta soorten. Bij de recente overstap naar Celastraceae is Y. cagnagellus geëvolueerd uit een Europese voorouder gespecialiseerd op Rosaceae. We hebben het vermoeden dat de genetische variatie voor het (oorspronkelijk) gebruik van Celastraceae niet helemaal uit de Europese geslachten die gespecialiseerd waren op Rosaceae was verdwenen. In alle hybride nakomelingen hebben we een voorkeur voor E. europeaus waargenomen, zowel bij adulten als bij rupsen. Bovendien hebben we waargenomen dat de oligofage Y. padellus, minder strikt is in adulte waardplantherkenning, en ook wel eens E. europaeus accepteert voor het leggen van eieren. Nog aanwezige variatie voor overleving op deze waardplant, kan een overstap mogelijk gemaakt hebben. Door de voorkeur voor E. europaeus is het ook waarschijnlijker dat toevallige hybriden bij een terugkruising voor deze waardplant kiezen. Dat werkt mogelijk het ontstaan van assortatieve partnerkeuze, in een differentiërende populatie, in de hand. De nakomelingen van een terugkruising met een Rosaceae-specialist zouden niet op E. europaeus overleven, terwijl ze er met een grotere waarschijnlijkheid wel voor zouden kiezen om op deze waardplant eieren af te zetten of er van te eten. De oorspronkelijke overstap van Celastraceae naar Rosaceaea lijkt door de genetisch-bepaalde voorkeur voor Celastraceae veel minder makkelijk verklaarbaar: misschien was toen afwezigheid, of lage frequentie, van Celastraceae in de Europese flora een belangrijke selectiefactor.