Composition and abundance of the microbiome of males and females of selected Auchenorrhyncha species

Symbioza pomiędzy owadami, a mikroorganizmami jest zjawiskiem powszechnie występującym w przyrodzie i stanowi obiekt zainteresowań wielu badaczy. W przypadku owadów odżywiających się sokami roślinnymi, partnerem w układzie symbiotycznym mogą być zarówno bakterie jak i grzyby, a ich główną funkcją jest dostarczanie gospodarzowi brakujących w diecie składników odżywczych, m.in. aminokwasów egzogennych i witamin z grupy B. Symbiontami ancestralnymi piewików są bakterie z rodzaju Sulcia oraz Betaproteobacteria. Oprócz symbiontów ancestralnych piewikom towarzyszą dodatkowe symbionty obligatoryjne i fakultatywne, które mogą pełnić szeroki zakres obowiązków względem swoich żywicieli. Wyniki dotychczasowych badań poświęconych piewikom pokazują, że podczas ich ewolucji wielokrotnie dochodziło do utraty symbiontów i kolonizacji owadów przez nowe mikroorganizmy, co znajduje odzwierciedlenie w olbrzymiej różnorodności symbioz obserwowanych u współczesnych Auchenorrhyncha. Zastępowanie symbiontów o zredukowanych genomach przez nowe bardziej wydajne biosyntetycznie mikroorganizmy niewątpliwie przyczyniło się do sukcesu ewolucyjnego piewików i umożliwiło im opanowanie nowych nisz ekologicznych. Wciąż jednak wiedza na temat skali zjawiska zastępowania symbiontów oraz zmienności mikrobiomu owadów jest bardzo ograniczona. W związku z tym celem niniejszej pracy była molekularna identyfikacja symbiontów czterech gatunków pluskwiaków klasyfikowanych do różnych linii ewolucyjnych piewików: Cicadella viridis (Cicadomorpha: Cicadellidae), Stictocephala bisonia (Cicadomorpha: Membracidae), Philaenus spumarius (Cicadomorpha: Aphrophoridae) i Stenocranus minutus (Fulgoromorpha: Delphacidae) oraz analiza zmienności ich mikrobiomu w obrębie populacji u samic i samców. Przeprowadzone analizy wykazały, że wszystkie gatunki są gospodarzami dla ancestralnego symbionta Sulcia. Ancestralne “betasymbionty” zostały zachowane jedynie u S.minutus i S. bisonia, podczas gdy u C. viridis i P. spumarius zostały one utracone i zastąpione przez bakterie z rodzaju Sodalis. Ponadto niektóre gatunki były gospodarzami bakterii takich jak: Spiroplasma, Pectobacterium, Sphingomonas, Pseudomonas lub Phytoplasma. Nie zaobserwowano znaczących różnic w składzie i abundancji poszczególnych symbiontów obligatoryjnych pomiędzy płciami, ale zauważono różnice w składzie symbiontów fakultatywnych, reprezentowanych m.in. przez bakterie Wolbachia. Dodatkowo przeprowadzone analizy pozwoliły na stwierdzenie obecności pasożytniczych muchówek z rodziny Pipunculidae u 2 z 4 badanych gatunków piewików.

The symbiosis between insects and microorganisms is a common phenomenon in nature and interests many researchers. In the case of insects that feed on plant saps, both bacteria and fungi can be partners in the symbiotic system, and their main function is to provide the host with nutrients missing from the diet, e.g., essential amino acids and B vitamins. The ancestral symbionts of Auchenorrhyncha are bacteria of the genus Sulcia and Betaproteobacteria. In addition to ancestral symbionts, Auchenorrhyncha are accompanied by additional obligate and facultative symbionts, which can play a wide range of functions to their hosts. The results of previous studies on Auchenorrhyncha show that symbionts were repeatedly lost and new microorganisms colonized insects during their evolution, which is reflected in the enormous diversity of symbioses observed in modern Auchenorrhyncha. The replacement of symbionts with reduced genomes by new, more biosynthetically efficient microorganisms undoubtedly contributed to the evolutionary success of Auchenorrhyncha and enabled them to colonize new ecological niches. However, the knowledge of the symbiont replacement phenomenon and the variability of the insect microbiomes is very limited. Therefore, the aim of the present study was the molecular identification of symbionts associated with four Auchenorrhyncha species classified into different evolutionary lineages: Cicadella viridis (Cicadomorpha: Cicadellidae), Stictocephala bisonia (Cicadomorpha: Membracidae), Philaenus spumarius (Cicadomorpha: Aphrophoridae), and Stenocranus minutus (Fulgoromorpha: Delphacidae), and analysis of the variation of their microbiome within populations in females and males. The analyses showed that all analyzed species are hosts to the ancestral symbiont Sulcia. Ancestral “betasymbionts” are still present only in the microbiome of S.minutus and S. bisonia, whereas in C. viridis and P. spumarius they were lost and replaced by Sodalis bacteria. In addition, some species hosted bacteria such as Spiroplasma, Pectobacterium, Sphingomonas, Pseudomonas, or Phytoplasma. No significant differences in the composition and abundance of obligate symbionts were observed between the sexes. However, significant differences were noted in the diversity of facultative symbionts, including the bacteria Wolbachia. In addition, the analyses identified the presence of parasitic flies from the family Pipunculidae in 2 out of 4 Auchenorrhyncha species.