Symbiont infection affects whitefly dynamics in the field

Inherited intracellular insect endosymbionts may manipulate host reproduction or provide fitness benefits to their hosts in ways that result in their rapid spread throughout a host population. Fitness benefits in particular can result in the increased pest potential of agriculturally important insects. While benefits due to endosymbiont infection have been well studied in laboratory assays, very little is known about how these benefits translate to insect performance in the field. Laboratory experiments have shown that the maternally inherited bacterial endosymbiont, Rickettsia, increases the fitness of its whitefly host, Bemisia tabaci, through improved fecundity, faster development times and female-biased sex ratios. We conducted field population cage studies to determine whether the benefits conferred by Rickettsia to whiteflies in the laboratory were evident on one of its major hosts, cotton, under field conditions in Arizona, USA. In cages with either Rickettsia-infected or uninfected whiteflies, we observed up to ten-fold higher whitefly egg and nymph densities when whiteflies were Rickettsia-infected compared with uninfected whiteflies throughout the season. We also observed a steep initial increase in Rickettsia frequency in population cages started with either 25% or 50% Rickettsia-infected whiteflies, with the 50% cages approaching fixation within three generations. Using growth rates obtained in the density cages, we calculated and compared an expected trajectory of the frequencies of Rickettsia infection with the observed frequencies. Results showed similar observed and expected frequencies of Rickettsia in the first two generations, followed by a significantly lower than expected frequency in three of four treatment/sample combinations at the end of the season. Taken together, these results confirm the patterns of fecundity and population growth observed in laboratory assays, under field conditions, as well as provides preliminary empirical support for a Rickettsia equilibrium frequency of less than 100%.

ZusammenfassungVererbte intrazelluläre Endosymbionten von Insekten können die Fortpflanzung des Wirtes manipulieren oder ihren Wirten in einer Weise Fitnessvorteile bieten, die in ihrer schnellen Ausbreitung in der Wirtspopulation resultiert. Insbesondere Fitnessvorteile können zur Folge haben, dass das Schadenspotential von landwirtschaftlich wichtigen Insekten zunimmt. Während solche durch Endosymbionten vermittelten Vorteile unter Laborbedingungen gut untersucht sind, ist wenig darüber bekannt, wie sich diese Vorteile auf die Performanz von Insekten im Freiland auswirken. Laborversuche haben gezeigt, dass der maternal vererbte bakterielle Endosymbiont, Rickettsia, die Fitness seines Wirts, der Mottenschildlaus Bemisia tabaci, erhöht. Dies geschieht durch gesteigerte Fekundität, höhere Entwicklungsgeschwindigkeit und ein zu den Weibchen hin verschobenes Geschlechterverhältnis. Wir führten Käfigversuche durch, um zu ermitteln, ob die von Rickettsia im Labor vermittelten Vorteile auch im Freiland (Arizona, USA) auf Baumwolle, einem der wichtigsten Wirte von B. tabaci, zutage traten. In Käfigen mit entweder mit Rickettsia infizierten oder nicht infizierten Mottenschildläusen beobachteten wir über die Saison bis zu zehnmal höhere Eier- und Nymphendichten bei infizierten B. tabaci als bei nicht infizierten. Wir beobachteten auch einen steilen anfänglichen Anstieg der Rickettsia-Infektionen bei Käfigpopulationen, die mit 25%- oder 50% igem Befall gestartet waren, wobei die 50%-Populationen sich innerhalb von drei Generationen der Fixation annäherten. Mit den Wachstumsraten aus den Käfigversuchen berechneten wir eine Kurve der zu erwartenden Infektionsraten und verglichen diese mit den beobachteten Infektionsraten. Die Ergebnisse zeigten ähnliche Beobachtungs- und Erwartungswerte für die beiden ersten Generationen, gefolgt von signifikant geringeren Beobachtungswerten in drei von vier Behandlung/Probetermin-Kombinationen am Ende der Saison. Zusammengenommen bestätigen diese Ergebnisse aus dem Freiland die Muster von Fekundität und Populationswachstum, die im Labor beobachtet wurden, und sie stellen eine vorläufige empirische Unterstützung für eine Gleichgewichtsfrequenz von unter 100% bei Rickettsia-Infektionen dar.