Host adaptation protects a defensive symbiont during vertical transmission in beewolf wasps (Hymenoptera: Crabronidae)

Abstract

Microbial symbioses are ubiquitous in insects, and present key drivers of evolutionary innovation. To stabilize a symbiosis over long evolutionary timescales, the symbiont must be reliably transmitted to the next host generation. Vertically transmitted extracellular symbionts commonly face prolonged periods outside of the stable host environment during transmission, entailing exposure to diverse biotic and abiotic threats. These threats should be exacerbated in insect symbionts of evolutionary ancient associations, which generally possess eroded genomes with reduced genetic inventories. While external transmission is widespread among the Hemiptera, Hymenoptera, Coleoptera and Diptera, the mechanism protecting the symbionts from environmental threats during transmission remain poorly studied. In this dissertation, I employ the defensive symbiosis of the European beewolf Philanthus triangulum (Hymneoptera: Crabronidae) and the Actinobacterium ‘Candidatus Streptomyces philanthi’ (henceforth S. philanthi) to investigate how a symbiont with an eroded genome copes with a host-derived exogenous challenge during vertical transmission in an evolutionary ancient symbiosis. Female beewolves provide their brood cells with a symbiont-containing secretion, from which S. philanthi is later transferred to the cocoon to protect the offspring from microbial opportunists by producing antibiotics. In the brood cell, this secretion is exposed to extremely high concentrations of toxic nitric oxide (NO) emitted by the beewolf egg, which effectively kills antagonistic microbes. How S. philanthi withstands the lethal burst of NO remained unknown. I show that the symbiont’s global stress response to NO is not sufficient to survive NO concentrations mimicking brood cell-level concentrations in vitro. Instead, I demonstrate that the symbiont- containing secretion consisting of long-chain hydrocarbons (HCs) forms an effective NO diffusion barrier around S. philanthi, and additionally contains host-derived protective enzymes. While different functions of an insect’s HC profile can exert conflicting selection pressures on its composition, in vitro assays with beewolf-derived and synthetic HCs reveal that the NO diffusion barrier function of HCs in P. triangulum does not constrain the insect’s multifunctional HC profile. My comparisons of HC profiles across different beewolf hosts suggest their suitability for NO protection, and in vitro assays with their respective symbionts indicate a widespread NO sensitivity. Given the shared ecology among beewolves, as well as additional reports on NO defense in P. gibbosus and P. basilaris, NO fumigation and the concomitant HC-mediated protection of the symbiont from NO is likely crucial across beewolves. My findings add a novel dimension to the plethora of functions of insect HCs, and constitute one of the few examples of a host adaptation protecting a symbiont from a lethal threat during external vertical transmission. I therefore illustrate a mechanism by which a symbiotic association can be stabilized over long evolutionary timescales, an aspect essential to our general understanding of microbial symbiosis.

Mikrobielle Symbiosen sind allgegenwärtig in Insekten und stellen eine treibende Kraft für evolutionäre Innovationen dar. Um eine Symbiose über lange evolutionäre Zeiträume zu stabilisieren ist es erforderlich, dass der Symbiont zuverlässig auf die nächste Wirtsgeneration übertragen wird. Vertikal übertragene extrazelluläre Symbionten verbringen während der Transmission oftmals längere Zeiträume außerhalb des stabilen Wirtsmilieus, wobei sie mit diversen biotischen und abiotischen Bedrohungen konfrontiert sind. Insektensymbionten in evolutionär alten Assoziationen sind aufgrund ihrer erodierten Genome besonders anfällig gegenüber diesen Bedrohungen. Die externe Symbiontentransmission ist zwar innerhalb der Ordnungen Hemiptera, Hymenoptera, Coleoptera und Diptera weit verbreitet, dennoch sind die Mechanismen, die die Symbionten während dieser Transmission vor Bedrohungen schützen, weitgehend unerforscht. In dieser Dissertation untersuche ich anhand der evolutionär alten Verteidigungssymbiose des Europäischen Bienenwolfes Philanthus triangulum (Hymenoptera: Crabronidae) mit dem Actinobakterium ‘Candidatus Streptomyces philanthi’ (nachfolgend S. philanthi), wie ein Symbiont mit einem erodierten Genom mit einer vom Wirt ausgehenden externen Bedrohung während der vertikalen Transmission umgeht. Weibchen versehen ihre Brutzellen mit einem Sekret, das die Symbionten beinhaltet. Die Symbionten werden zu einem späteren Zeitpunkt in den Kokon integriert, wo sie Antibiotika zum Schutz der Brut vor opportunistischen Mikroben produzieren. Das Sekret ist in der Brutzelle sehr hohen Konzentrationen toxischen Stickstoffmonoxids (NO) ausgesetzt, welches vom Bienenwolf-Ei freigesetzt wird und antagonistische Mikroorganismen effektiv abtötet. Bisher war unbekannt, wie die Symbionten den lethalen NO-Konzentrationen in der Brutzelle standhalten. Ich zeige, dass die eigene Stressreaktion des Symbionten auf NO nicht ausreicht, um die in vitro simulierten NO-Konzentrationen der Brutzelle zu überleben. Jedoch bildet das aus langkettigen Kohlenwasserstoffen (KWs) bestehende Sekret, das die Symbionten umgibt, eine effektive NO- Diffusionsbarriere um S. philanthi. Weiterhin enthält das Sekret vom Wirt produzierte Schutzenzyme. Verschiedene Funktionen eines KW-Profils können gegensätzliche Selektionsdrücke auf seine Komposition ausüben; allerdings zeigten in vitro-Experimente mit Bienenwolf- und synthetischen KWs, dass die Fähigkeit, eine NO-Diffusionbarriere zu bilden, die Komposition des multifunktionalen KW-Profils des Bienenwolfes nicht einschränkt. Vergleiche von KW-Profilen verschiedener Bienenwolf-Wirte legen deren Eignung für eine NO-Barrierefunktion nahe, und in vitro-Experimente mit den zugehörigen Symbionten weisen auf eine weit verbreitete NO-Sensitivität hin. Angesichts der vergleichbaren Ökologie aller Bienenwölfe, sowie zusätzlicher Berichte über die Freisetzung von NO in P. gibbosus und P. basilaris, ist der Einsatz von NO zu Verteidigungszwecken und der damit einhergehende KW-vermittelte Symbiontenschutz wahrscheinlich von großer Bedeutung für alle Bienenwölfe. Meine Ergebnisse erweitern die Fülle an Funktionen von KWs in Insekten um eine neue Dimension, und beschreiben eine der wenigen bekannten Wirtsadaptationen zum Schutz eines Symbionten vor einer lethalen Bedrohung während der externen vertikalen Transmission. Sie illustrieren damit einen Mechanismus, mithilfe dessen eine symbiotische Beziehung über lange evolutionäre Zeiträume stabilisiert werden kann. Dieser Aspekt ist wesentlich für unser Verständnis von mikrobiellen Symbiosen.