Analysis of the Association Between Pristionchus and Beetles with emphasis on the Special Case of P. uniformis

Abstract

Pristionchus nematodes serve as a model in evolutionary biology. In particular, P. pacificus became a well-established model in evolutionary developmental biology and for comparison with Caenorhabditis elegans. In nature, Pristionchus associates with insect hosts, predominately from the Scarabaeidae group. Under unfavourable environmental conditions, Pristionchus nematodes follow an indirect life cycle, during which development is arrested by forming a non-feeding, resistant stage, the dauer larva. Dauer larvae serve as a dispersal stage to locate and attach to the beetle host. Pristionchus dauer larvae wait until the host dies to continue development, mature and reproduce, feeding on the microbes on the decaying carcass. In this thesis, I present new insights into nematode and beetle associations in the Pristionchus genus. I show the results that I obtained investigating P. pacificus host finding behaviour illustrating that P. pacificus attaches to hosts through a dauer-specific standing behaviour (nictation). P. pacificus mutant strains lacking this peculiar nictation behaviour were unsuccessful in reaching the beetle host. In addition, the analyses of P. pacificus strains that show significantly higher nictation behaviour, when compared to the wild-type strain, provide evidence for a positive correlation between nictation behaviour and host attachment ability. In the context of Pristionchus nematode ecology, I also initiated the analysis of the unique P. uniformis beetle association. Unlike most Pristionchus species, P. uniformis has been found in association with two biologically and ecologically unrelated hosts, scarabs and the chrysomelid Leptinotarsa decemlineata (Colorado potato beetle). Using olfactory tests, I show that P. uniformis has a species-specific preference for its beetle hosts' odor profiles and is able to discriminate the chemoattractive profiles of these two hosts. By genetic analysis of the mitochondrial marker nd2 in 81 strains isolated in Europe and North America, I provide evidence for a European origin of P. uniformis. The P. uniformis phylogeny reconstructed based on the nd2 marker shows the absence of clear separation between strains associated with scarab or chrysomelid beetles, supporting the hypothesis that P. uniformis expanded its host range in Europe and North America by host-switching events.

Nematoden der Gattung Pristionchus dienen als Modell in der Evolutionsbiologie. Insbesondere P. pacificus wurde als Modell in der evolutionären Entwicklungsbiologie und zum Vergleich mit Caenorhabditis elegans etabliert. In der Natur ist Pristionchus mit Insektenwirten assoziiert, vorwiegend aus der Gruppe der Blatthornkäfer (Scarabaeidae). Unter ungünstigen Umweltbedingungen folgen Nematoden der Gattung Pristionchus einem indirekten Lebenszyklus, bei dem die Entwicklung angehalten wird und ein sich nicht ernährendes, widerstandsfähiges Stadium, die Dauerlarve, entsteht. Dauerlarven dienen als Verbreitungsstadium um den Käferwirt zu finden und sich an ihn anzuheften. Pristionchus Dauerlarven warten, bis der Wirt stirbt, setzen dann ihre Entwicklung fort und ernähren sich von den Mikroorganismen auf der verwesenden Leiche. In dieser Arbeit präsentiere ich neue Erkenntnisse der Nematoden- und Käfer-Assoziationen der Gattung Pristionchus. Ich untersuchte das Verhalten von P. pacificus bei der Wirtssuche und meine Ergebnisse zeigen, dass P. pacificus sich an Wirte durch ein dauer-spezifisches Winkenverhalten (Niktation) anlagert. P. pacificus Mutanten, Niktationsdefekt sind, konnten ihren Käferwirt nicht erreichen. Außerdem liefern Untersuchungen von P. pacificus Stämmen, die ein signifikant höheres Niktationsverhalten im Vergleich zum Wildtyp-Stamm zeigen, den Beweis für eine positive Korrelation zwischen Niktationsverhalten und der Fähigkeit, sich an einen Wirt anzulagern. Im Rahmen der Ökologie der Nematoden der Gattung Pristionchus untersuchte ich die einzigartige Assoziation von P. uniformis mit Käfern. Im Gegensatz zu den meisten Pristionchus Arten wurde P. uniformis in Assoziation mit zwei biologisch und ökologisch verschiedenen Wirten, Blatthornkäfern sowie dem Kartoffelkäfer Leptinotarsa decemlineata (Chrysomelidae), gefunden. Mittels olfaktorischer Tests zeige ich, dass P. uniformis eine artspezifische Vorliebe für die Geruchsprofile seiner Käferwirte hat und zwischen den chemoattraktiven Profilen dieser zwei Wirte unterscheiden kann. Durch die genetische Analyse des mitochondrialen Markers nd2 in 81 Stämmen aus Europa und Nord Amerika liefere ich den Beweis für eine europäische Herkunft von P. uniformis. Die Phylogenie von P. uniformis, die unter Anwendung des nd2 Markers rekonstruiert wurde, zeigt die Abwesenheit einer klaren Trennung von Stämmen, die mit Blatthornkäfern oder Kartoffelkäfer assoziiert sind. Dies unterstützt die Hypothese, dass P. uniformis seine Wirtswahl in Europa und Nord Amerika durch Wirtswechsel-Ereignisse ausgedehnt hat.