From isolation to overcrowding: effects of population density on immunity and insect-pathogen interactions in lepidoptera

Abstract

Density-dependent phase polyphenism is a phenomenon in which insects develop distinct phenotypes in response to population density, resulting in different morphological and physiological characteristics within the same species. Meanwhile, host population density is one of several factors that can influence the dynamics of host-pathogen interactions in insect populations. In this thesis, we investigated how population density and the phenotypes expressed by Anticarsia gemmatalis influence the infection dynamics of the AgMNPV baculovirus, and whether two economically important species, Spodoptera frugiperda and Spodoptera eridania, show any degree of density-dependent phase polyphenism, through changes in larval coloration or immune responses. In A. gemmatalis, we demonstrated the occurrence of the three color phenotypes (green, intermediate, and black) at both tested densities (1 and 4 larvae per container, representing solitary and gregarious conditions, respectively), with the higher density inducing a greater frequency of dark-colored phenotypes. Black phenotypes were more susceptible to AgMNPV and showed greater viral replication, in spite of the greater cuticular melanization. Green phenotypes survived longer and produced more viral occlusion bodies. Furthermore, the viral material originating from gregarious larvae was more virulent in subsequent infections. On the other hand, density did not influence the levels of circulating hemocytes in this species. In S. frugiperda and S. eridania, we observed species-specific responses to larval density. Spodoptera eridania showed clear changes in coloration, while S. frugiperda showed limited phenotypic variation. In S. eridania, the encapsulation response was intensified at higher densities, and both species showed increased hemocyte counts at the highest density, partially in line with the Density-Dependent Prophylaxis (DDP) hypothesis. In S. frugiperda, darker phenotypes produced a greater number of viral occlusion bodies after infection with SfMNPV. Altogether, our results demonstrate that density-induced phenotypic changes can modulate host susceptibility and viral replication, and that such phenotypic adjustments may be more common than previously thought, even in species without evident gregarious behavior. Thus, we expand the understanding of the applicability of DDP in insects and highlight the importance of considering species-specific characteristics in the interactions between population density, immunity, and pathogen susceptibility. Keywords: density-dependent phase polyphenism; epizootics; Anticarsia gemmatalis; Spodoptera spp.; insect-pathogen interaction; immune responseO polifenismo de fase dependente da densidade é um fenômeno no qual insetos desenvolvem fenótipos distintos em resposta à densidade populacional, resultando em diferentes características morfológicas e fisiológicas dentro de uma mesma espécie. A dinâmica das interações hospedeiro-patógeno em populações de insetos pode ser influenciada por diversos fatores, entre eles a densidade populacional, que pode atuar como importante modulador do curso de epizootias. Nesta tese, investigamos como a densidade populacional e os fenótipos expressos por Anticarsia gemmatalis influenciam a dinâmica de infecção pelo baculovírus AgMNPV, e se duas espécies de importância econômica, Spodoptera frugiperda e Spodoptera eridania, apresentam algum grau de polifenismo de fase dependente da densidade, por meio de alterações na coloração larval ou em respostas imunes. Em A. gemmatalis, demonstramos a ocorrência dos três fenótipos de coloração (verde, intermediário e preto) em ambas as densidades testadas (1 e 4 larvas por pote, representando condições solitária e gregária, respectivamente), sendo que a maior densidade induziu maior frequência de fenótipos escuros. Fenótipos pretos foram mais suscetíveis ao AgMNPV e apresentaram maior replicação viral, apesar da presumida maior melanização cuticular. Já os fenótipos verdes sobreviveram por mais tempo e produziram mais corpos de oclusão do vírus. Além disso, o material viral originado de larvas gregárias foi mais virulento em infecções subsequentes. Por outro lado, a densidade não influenciou os níveis de hemócitos circulantes nessa espécie. Em S. frugiperda e S. eridania, observamos respostas específicas à densidade larval. S. eridania apresentou mudanças evidentes na coloração, enquanto S. frugiperda mostrou variação fenotípica limitada. Em S. eridania, a resposta de encapsulamento foi intensificada em densidades mais altas, e ambas as espécies exibiram aumento na contagem de hemócitos na densidade mais elevada, apoiando parcialmente a hipótese da Profilaxia Dependente da Densidade (DDP). Em S. frugiperda, fenótipos mais escuros produziram maior quantidade de corpos de oclusão viral após infecção com SfMNPV. Em conjunto, nossos resultados demonstram que alterações fenotípicas induzidas pela densidade podem modular a suscetibilidade do hospedeiro e a replicação viral, e que tais ajustes fenotípicos podem ser mais comuns do que se imaginava, mesmo em espécies sem comportamento gregário evidente. Assim, expandimos o entendimento sobre a aplicabilidade da DDP em insetos e ressaltamos a importância de considerar características específicas de cada espécie nas interações entre densidade populacional, imunidade e suscetibilidade a patógenos. Palavras-chave: polifenismo de fase dependente da densidade; epizootias; Anticarsia gemmatalis; Spodoptera spp; interação inseto-patógeno; resposta imune.