1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Генетика
  4. T. 58, № 2, 2022

Генетика, 2022, T. 58, № 2, стр. 157-162

Изменчивость генома эндосимбиотических бактерий Wolbachia в инвазивных популяциях азиатского тигрового комара Aedes albopictus юга России

Е. А. Коноров 1, 2, *, А. Н. Лукашев 3, Н. Ю. Оюн 3, 4, 5

1 Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
119991 Москва, Россия

2 Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова Российской академии наук
109316 Москва, Россия

3 Институт медицинской паразитологии, тропических и трансмиссивных заболеваний им. Е.И. Марциновского Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова
119435 Москва, Россия

4 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Россия

5 Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почетного акад. Н.Ф. Гамалеи
123098 Москва, Россия

* E-mail: casqy@yandex.ru

Поступила в редакцию 10.05.2021
После доработки 22.06.2021
Принята к публикации 29.06.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Для изучения роли Wolbachia в продвижении азиатского тигрового комара Aedes albopictus в местообитания с более холодным климатом исследована изменчивость генома бактерий в популяциях комаров Краснодарского края. Было обнаружено, что относительное количество Wolbachia у комаров из г. Краснодара выше, чем у комаров из г. Сочи. По результатам филогенетического анализа все представители Wolbachia принадлежат к линии wAlbB, для которой ранее отмечалось увеличение приспособленности хозяина в условиях низких температур. Геномы Wolbachia из выборок Сочи отличались от геномов из выборок Краснодара по частотам аллелей SNP, расположенных в транспозазах семейства IS982 и обратных транскриптазах интронов группы II.

Ключевые слова: эндосимбионты, Wolbachia, Aedes albopictus, симбиотическая адаптация.

Азиатский тигровый комар Aedes albopictus является основным переносчиком лихорадки Денге, а также потенциальным переносчиком желтой лихорадки и Чикугуньи. На территории Российской Федерации он был впервые обнаружен в 2011 г. [1] в г. Сочи, с тех пор распространился по побережью [2] и вглубь Краснодарского края [3]. В Краснодарском крае отмечены завозные случаи лихорадки Денге, а в ходе мониторинга в отдельных случаях выявлена РНК возбудителя в комарах [4], однако сообщений о существовании очагов с местной передачей вируса на сегодняшний день нет.

Wolbachia – внутриклеточные бактерии, найденные в клетках членистоногих и нематод, чьи взаимоотношения с хозяином варьируют от паразитических до мутуалистических. Их обнаруживают в более чем 65% видов насекомых [5]. Wolbachia развили различные способы так называемого репродуктивного паразитизма, такие как цитоплазматическая несовместимость, индукция партеногенеза и феминизация самцов [6] для того, чтобы улучшить передачу бактерии зараженными самками. Заражение некоторыми линиями паразитических Wolbachia было предложено и проверено в полевых условиях в качестве средства борьбы с комарами рода Aedes, понижающего продолжительность жизни и жизнеспособность яиц [7, 8]. Заражение Wolbachia не критически уменьшает приспособленность комаров, но уменьшает продолжительность их жизни, таким образом сокращая возможности передачи лихорадок Денге, Чикугунья, а также малярии [9, 10].

Как уже было отмечено, Wolbachia могут вступать в мутуалистические отношения с насекомым. Для A. albopictus было отмечено, что помимо цитоплазматической несовместимости Wolbachia может повышать приспособленность самок, повышая их плодовитость [11]. Некоторые линии Wolbachia повышают устойчивость своего хозяина к низким температурам [12]. В том числе это показано на комарах из рода Aedes, для которых особи, зараженные линией Wolbachia wAlbB, демонстрировали бóльшую приспособленность в условиях низких температур по сравнению с незараженными [13].

В комарах Ae. albopictus, собранных с побережья Краснодарского края, были найдены ранее две линии Wolbachia: wAlbA и wAlbB [14]. На основе данных полногеномного секвенирования комаров из Краснодара и Сочи [15] проведен анализ изменчивости геномов Wolbachia с целью обнаружить различия между линиями из локаций с разными климатическими условиями и предположить роль Wolbachia в продвижении Ae. albopictus в местообитания с более холодным климатом.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Данные секвенирования шести пулированных образцов комаров Ae. albopictus были получены из базы данных NCBI Sequence Read Archive, идентификаторы образцов SRR13570421–SRR13570426 [15]. Образцы представляли собой выделенную геномную ДНК из группы самок имаго (17–42 особей), собранных в трех локациях (удаленных друг от друга более, чем на 10 км) на территории Сочи и в трех локациях на территории Краснодара. Координаты мест сбора выборок: Sochi_1 – 43.43 N 39.96 E; Sochi_2 – 43.59 N 39.75 E; Sochi_3 – 43.68 N 39.77 E; Krasnodar_4 – 45.02 N 39.03 E; Krasnodar_5 – 45.00 N 38.93 E; Krasnodar_6 – 45.08 N 38.93 E.

Адаптеры и нуклеотиды с качеством прочтения меньшим 20, были отфильтрованы с помощью Trimmomatic v.0.38 с параметрами командной строки: LEADING:3 TRAILING:3 SLIDINGWINDOW:4:20 MINLEN:80 [16]. Отфильтрованные чтения были картированы с помощью BBMap [17] на сборку генома (RefSeq ID: GCF_004795415.1) Wolbachia эндосимбионта Ae. albopictus [18] отдельно для образцов из Сочи и Краснодара.

Для филогенетического анализа были отобраны картированные чтения на ген поверхностного белка wsp Wolbachia, далее с помощью программы RegressHaplo [19] были выявлены гаплотипы данного гена и их частоты у Wolbachia из популяций Сочи и Краснодара. Обнаруженные гаплотипы и последовательности wsp, выделенных из других двукрылых, были выровнены с помощью MAFFT [20] c параметрами max iterate 1000, localpair. Отдельно для разных позиций в кодоне была подобрана модель замен с помощью PartitionFinder [21], и на основании подобранной модели была реконструирована филогения байесовским методом с помощью Mr.Bayes [22], ngen = 2 000 000.

Для выявления полиморфных сайтов в геноме Wolbachia мы использовали пакет poolfstat [23]. Для анализа главных компонент мы использовали ковариационную матрицу, вычисленную с помощью байесовского иерархического моделирования в программе BAYPASS [24].

РЕЗУЛЬТАТЫ

По результатам картирования среднее покрытие геномов Wolbachia каждого из образцов составило 51–676× (табл. 1). Для всех выборок доля позиций в геноме, на которые было картировано хотя бы одно чтение, превышала 95%. В образцах, собранных в Краснодаре, доля чтений Wolbachia относительно общего числа чтений (табл. 1) была выше, чем в образцах из Сочи (Uэмп = 0, p < 0.01, критерий Манна–Уитни).

Таблица 1.

Результаты картирования чтений на сборку генома Wolbachia

  Среднее покрытие Сайты генома с покрытием, % Чтения Wolbachia по отношению к общему числу чтений на одну особь Ae. albopictus, %
Sochi_1 154× 97.9 0.012
Sochi_2 131× 95.3 0.018
Sochi_3 51× 96.8 0.005
Krasnodar_4 314× 98.7 0.019
Krasnodar_5 676× 99.8 0.038
Krasnodar_6 638× 99.7 0.039

Было обнаружено 95 SNP, большинство из них располагалось в транспозазах и в обратных транскриптазах интронов типа II (табл. 2), которые находились на границах скаффолдов сборки GCF_004795415. Бóльшая часть изменчивости наблюдалась внутри выборок Krasnodar_5 и Krasnodar_6, в то время как выборки из Сочи были мономорфны внутри генов транспозаз и обратных транскриптаз.

Таблица 2.

Обнаруженные SNP в генах транспозаз и обратных транскриптаз

Ген Скаффолд Описание Число SNP в данном гене В каких выборках наблюдается полиморфизм
EJE47_06510 RWIK01000012 Group II intron reverse transcriptase/maturase 2 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_RS03060 RWIK01000004 IS982 family transposase 2 Все, кроме Sochi_2
EJE47_RS05180 RWIK01000007 IS982 family transposase 10 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_RS05190 RWIK01000008 Transposase 7 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_RS06905 RWIK01000015 IS982 family transposase 3 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_04765 RWIK01000006 IS982 family transposase 9 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_RS00005 RWIK01000001 Transposase 2 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_RS03760 RWIK01000005 IS982 family transposase 9 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_RS03765 RWIK01000005 Group II intron reverse transcriptase/maturase 19 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_05615 RWIK01000009 IS982 family transposase 4 Все выборки из Краснодара
EJE47_RS05830 RWIK01000010 IS982 family transposase 7 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_RS06075 RWIK01000010 Group II intron reverse transcriptase/maturase 3 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_RS06315 RWIK01000011 Group II intron reverse transcriptase/maturase 1 Krasnodar_5 и Krasnodar_6
EJE47_RS07085 RWIK01000017 Helix-turn-helix domain-containing protein 4 Krasnodar_5 и Krasnodar_6

Изменчивости в генах cidB и cidA не было обнаружено.

Был обнаружен один общий гаплотип S/K1 гена wsp, распространенный в 87.7% геномах Wolbachia, эндосимбионтов Ae. albopictus из Сочи и в 86.7% Краснодара. Остальные гаплотипы отличались от него делецией одного из кодонов. Частота гаплотипа S2 в выборках Сочи составила 6.66%, гаплотипа S3 – 5.58%. В выборках из Краснодара встречались гаплотипы K2 (8.28%) и K3 (4.96%). Все перечисленные гаплотипы относились к супергруппе B, то есть к штамму wAlbB (рис. 1).

Рис. 1.

Байесовское филогенетическое дерево Wolbachia двукрылых, построенное по выравниванию последовательностей гена wsp. Образцы из данного исследования выделены жирным.

Анализ главных компонент на основе байесовского иерархического моделирования выявил различия между геномами Wolbachia из популяций Сочи и Краснодара (см. рис. 2). Основная часть различий между популяциями, как было отмечено выше, обусловлена различиями в частотах SNP в мобильных элементах.

Рис. 2.

Результаты анализа главных компонент на основании ковариационной матрицы, вычисленной с помощью байесовского иерархического моделирования.

ОБСУЖДЕНИЕ

В предыдущих исследованиях частоты зараженности Wolbachia комаров Ae. albopictus с побережья Черного моря России у 56% насекомых был найден хотя бы один из штаммов [25]. В то время как ранее встречались две линии Wolbachia (wAlbA и wAlbB), в том числе в 20% случаев обнаруживалось суперзаражение обеими линиями [14], в исследованных нами пулах комаров были обнаружены лишь бактерии wAlbB. Из-за особенностей подхода пулированного секвенирования невозможно оценить точное количество зараженных особей в каждой из выборок, но можно отметить, что относительное количество Wolbachia у комаров из Краснодара выше, чем у комаров из Сочи. Подобная ситуация наблюдалась на большем количестве точек сбора и климатических зон в Китае, где при продвижении от тропической зоны до умеренной увеличивалась зараженность комаров Wolbachia [26]. С одной стороны, данный факт вызывает беспокойство, поскольку представители этого рода, переносчики арбовирусов Ae. aegypti, зараженные Wolbachia линии wAlbB, обладают большей плодовитостью в условиях более низких температур [13]. Таким образом, увеличение зараженности бактериями может указывать на их возможный вклад в климатическую адаптацию и продвижение Ae. albopictus глубже в умеренные широты. С другой стороны, Wolbachia ограничивает передачу вируса лихорадки Денге, уменьшая его концентрацию в слюнных железах [27], что показано в том числе и в природных популяциях Ae. aegypti [28].

Мы изучили последовательности генов cidB и cidA Wolbachia из Ae. albopictus, поскольку было показано, что изменчивость в них коррелирует с фенотипическим разнообразием по цитоплазматической несовместимости у комаров Culex pipiens [29]. Ни одного полиморфного сайта в генах cidB и cidA не обнаружено, поэтому можно предположить, что нет изменчивости по цитоплазматической несовместимости у зараженных Wolbachia комаров Ae. albopictus из изученных выборок.

Самый распространенный гаплотип гена wsp в наших образцах был идентичен гаплотипу из сборки генома Wolbachia с GenBank ID CP031221.1, которая была выделена из клеточной линии Aa23 [30]. Остальные гаплотипы не обладали 100% идентичностью ни с одной из последовательностей из GenBank, но также относились к супергруппе B. Wolbachia из выборок Сочи существенно отличались от выборок Краснодара по первой главной компоненте (рис. 2). Бóльшая часть этих различий представляет собой разницу в частотах аллелей по SNP, расположенных в транспозазах семейства IS982 и обратных транскриптазах интронов группы II. Известные геномы wAlbB содержат большее количество IS-элементов семейства IS982, чем все остальные геномы Wolbachia [18, 30]. Предполагается, что экспансия IS-элементов у Wolbachia может быть недавним, возможно продолжающимся до сих пор событием, при этом сопровождающимся горизонтальным переносом от разных линий и псевдогенизацией [31]. Можно предположить, что IS-элементы накапливали замены в ходе перемещения по геному с последующей псевдогенизацией, вызывая изменения в окружающих точку инсерции генах.

В данной работе мы показали, что комары Ae. albopictus из Сочи и Краснодара отличаются по степени зараженности Wolbachia, а также что геномы Wolbachia из этих образцов отличаются по частотам аллелей SNP, по большей части расположенных в IS-элементах. Предполагаем, что дополнительные исследования особей из промежуточных точек сбора между Краснодаром и Сочи позволят подтвердить зависимость частоты заражения Wolbachia от среднегодовой температуры.

Работа выполнена при поддержке РНФ № 19-75-00091 от 09.08.2019.

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Список литературы

  1. Ганушкина Л.А., Таныгина Е.Ю., Безжонова О.В., Сергиев В.П. Об обнаружении комаров Aedes (Stegomyia) albopictus Skus. на территории Российской Федерации // Мед. паразит. и паразитарные болезни. 2012. № 1. С. 3–4.

  2. Ganushkina L.A., Patraman I.V., Rezza G. et al. Detection of Aedes aegypti, Aedes albopictus, and Aedes koreicus in the Area of Sochi, Russia // Vector-Borne and Zoonotic Diseases. 2016. V. 16. № 1. P. 58–60. https://doi.org/10.1089/vbz.2014.1761

  3. Федорова М.В., Швец О.Г., Юничева Ю.В. и др. Современные границы распространения инвазивных комаров Aedes (Stegomyia) aegypti (L., 1762) и Aedes (Stegomyia) albopictus (Skuse, 1895) на юге Краснодарского края России // Проблемы особо опасных инфекций. 2018. № 2. С. 101–105. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2018-2-101-105

  4. Гальцева Г.В., Малай В.И., Швец О.Г. и др. Завоз геморрагической лихорадки Денге на территорию Краснодарского края // Инфекция и иммунитет. 2017. № S. С. 415.

  5. Hilgenboecker K., Hammerstein P., Schlattmann P. et al. How many species are infected with Wolbachia? – a statistical analysis of current data // FEMS Microbiology Letters. 2008. V. 281. № 2. P. 215–220. https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2008.01110.x

  6. Горячева И.И. Бактерии рода Wolbachia – репродуктивные паразиты членистоногих // Усп. совр. биологии. 2004. Т. 124. № 3. С. 246–259.

  7. McMeniman C.J., Lane R.V., Cass B.N. et al. Stable introduction of a life-shortening Wolbachia infection into the mosquito Aedes aegypti // Science. 2009. V. 323. № 5910. P. 141–144. https://doi.org/10.1126/science.1165326

  8. Ritchie S.A., Townsend M., Paton C.J. et al. Application of wMel Pop Wolbachia strain to crash local populations of Aedes aegypti // PLoS Negl. Trop. Dis. 2015. V. 9. № 7. P. e0003930. https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0003930

  9. Moreira L.A., Iturbe-Ormaetxe I., Jeffery J.A. et al. A Wolbachia symbiont in Aedes aegypti limits infection with dengue, Chikungunya, and Plasmodium // Cell. 2009. V. 139. № 7. P. 1268–1278. https://doi.org/10.1038/nature10355

  10. Hoffmann A.A., Montgomery B.L., Popovici J. et al. Successful establishment of Wolbachia in Aedes populations to suppress dengue transmission // Nature. 2011. V. 476. № 7361. P. 454–457. https://doi.org/10.1038/nature10356

  11. Dobson S.L., Rattanadechakul W., Marsland E.J. Fitness advantage and cytoplasmic incompatibility in Wolbachia single-and superinfected Aedes albopictus // Heredity. 2004. V. 93. № 2. P. 135–142. https://doi.org/10.1038/sj.hdy.6800458

  12. Mazzucco R., Nolte V., Vijayan T., Schlötterer C. Long-term dynamics among Wolbachia strains during thermal adaptation of their Drosophila melanogaster hosts // Frontiers in Genetics. 2020. V. 11. P. 482. https://doi.org/10.3389/fgene.2020.00482

  13. Lau M.J., Ross P.A., Endersby-Harshman N.M., Hoffmann A.A. Impacts of low temperatures on Wolbachia (Rickettsiales: Rickettsiaceae)-infected Aedes aegypti (Diptera: Culicidae) // J. Med. Entomol. 2020. V. 57. № 5. P. 1567–1574. https://doi.org/10.1093/jme/tjaa074

  14. Shaikevich E.V., Patraman I.V., Bogacheva A.S. et al. Invasive mosquito species Aedes albopictus and Aedes aegypti on the Black Sea coast of the Caucasus: genetics (COI, ITS2), Wolbachia and Dirofilaria infections // Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018. V. 22. № 5. P. 574–585. https://doi.org/10.18699/VJ18.397

  15. Konorov E.A., Patraman I.V., Yurchenko V. et al. Role of genetic drift and genomic selection on differentiation and local adaptation of Aedes albopictus introduced populations in southern Russia // PeerJ. 2021. V. 9. P. e11776 https://doi.org/10.7717/peerj.11776

  16. Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data // Bioinformatics. 2014. V. 30. № 15. P. 2114–2120. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu170

  17. Bushnell B. BBMap: A Fast, Accurate, Splice-Aware Aligner. Lawrence Berkeley National Lab. (LBNL), Berkeley, CA (United States), 2014. № LBNL-7065E.

  18. Lefoulon E., Vaisman N., Frydman H.M. et al. Large enriched fragment targeted sequencing (LEFT-SEQ) applied to capture of Wolbachia genomes // Scientific Reports. 2019. V. 9. № 1. P. 1–10. https://doi.org/10.1038/s41598-019-42454-w

  19. Leviyang S., Griva I., Ita S., Johnson W.E. A penalized regression approach to haplotype reconstruction of viral populations arising in early HIV/SIV infection // Bioinformatics. 2017. V. 33. № 16. P. 2455–2463. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btx187

  20. Katoh K., Standley D.M. MAFFT multiple sequence alignment software version 7: improvements in performance and usability // Mol. Biol. Evol. 2013. V. 30. № 4. P. 772–780. https://doi.org/10.1093/nar/gki198

  21. Lanfear R., Frandsen P.B., Wright A.M. et al. PartitionFinder 2: new methods for selecting partitioned models of evolution for molecular and morphological phylogenetic analyses // Mol. Biol. Evol. 2017. V. 34. № 3. P. 772–773. https://doi.org/10.1093/molbev/msw260

  22. Huelsenbeck J.P., Ronquist F. MRBAYES: Bayesian inference of phylogenetic trees // Bioinformatics. 2001. V. 17. № 8. P. 754–755. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/17.8.754

  23. Hivert V., Leblois R., Petit E.J. et al. Measuring genetic differentiation from Pool-seq data // Genetics. 2018. V. 210. № 1. P. 315–330. https://doi.org/10.1534/genetics.118.300900

  24. Gautier M. Genome-wide scan for adaptive divergence and association with population-specific covariates // Genetics. 2015. V. 201. № 4. P. 1555–1579. https://doi.org/10.1534/genetics.115.181453

  25. Shaikevich E., Bogacheva A., Ganushkina L. Dirofilaria and Wolbachia in mosquitoes (Diptera: Culicidae) in central European Russia and on the Black Sea coast // Parasite. 2019. V. 26. P. 2. https://doi.org/10.1051/parasite/2019002

  26. Hu Y., Liu X., Wang J. et al. Identification and molecular characterization of Wolbachia strains in natural populations of Aedes albopictus in China // Parasites & Vectors. 2020. V. 13. № 1. P. 1–14. https://doi.org/10.1186/s13071-020-3899-4

  27. Mousson L., Zouache K., Arias-Goeta C. et al. The native Wolbachia symbionts limit transmission of dengue virus in Aedes albopictus // PLoS Negl. Trop. Dis. 2012. V. 6. № 12. P. e1989. https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0001989

  28. Ahmad N.A., Mancini M.V., Ant T.H. et al. Wolbachia strain wAlbB maintains high density and dengue inhibition following introduction into a field population of Aedes aegypti // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2021. V. 376. № 1818. P. 20190809. https://doi.org/10.1098/rstb.2019.0809

  29. Bonneau M., Caputo B., Ligier A. et al. Variation in Wolbachia cidB gene, but not cidA, is associated with cytoplasmic incompatibility mod phenotype diversity in Culex pipiens // Mol. Ecol. 2019. V. 28. № 21. P. 4725–4736. https://doi.org/10.1111/mec.15252

  30. Sinha A. Li Z., Sun L., Carlow C.K. Complete genome sequence of the Wolbachia wAlbB endosymbiont of Aedes albopictus // Genome Biology and Evolution. 2019. V. 11. № 3. P. 706–720. https://doi.org/10.1093/gbe/evz025

  31. Cerveau N., Leclercq S., Leroy E. et al. Short-and long-term evolutionary dynamics of bacterial insertion sequences: insights from Wolbachia endosymbionts // Genome Biology and Evolution. 2011. V. 3. P. 1175–1186. https://doi.org/10.1093/gbe/evr096

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Генетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал