Within-host competition during fungal coinfection in an insect host

Abstract

Coinfections are common in natural populations and can strongly alter parasite fitness due to within-host competition and host exploitation. Yet, general mechanisms remain difficult to infer because many coinfection studies involve parasites that differ widely in life history and within-host resource use. Here, we used a tractable insect–fungus system in which two ecologically comparable entomopathogenic fungi (Metarhizium spp. and Beauveria bassiana; Hypocreales) coinfect the host Tenebrio molitor (Coleoptera: Tenebrionidae), allowing competition to be assessed under a shared infection niche. In Chapter 2, we quantified isolate-level variation in virulence, host colonization, and spore production using ten Metarhizium isolates in coinfection with a reference B. bassiana isolate. Metarhizium virulence varied widely among isolates and was strongly conserved between single and coinfections. More virulent isolates were more likely to colonize hosts during coinfection, explaining a substantial proportion of variation in competitive success. In contrast, virulence showed weak or no association with spore production once colonization was achieved. A multivariate ordination of coinfection outcomes further revealed that saprophytic sporulation on rice (taken as a proxy for post-mortem growth) structured the multivariate pattern of competitive outcomes. In Chapter 3, we provide preliminary data on a comparative histopathological assessment of single and coinfections. Fungal structures were most consistently associated with the fat body. However, a high- virulence Metarhizium isolate showed more extensive tissue occupation, including fungal structures in muscle tissue. Together, the empirical chapters show that coinfection outcomes are governed by stage-specific components of fungal fitness, with some initial indications of relevant mechanistic aspects. Keywords: host-parasite interactions; entomopathogenic fungi; within-host competition; parasite fitness; Metarhizium; BeauveriaCoinfecções são comuns em populações naturais e podem alterar o fitness dos parasitas devido à exploração e competição dentro do hospedeiro. No entanto, mecanismos gerais ainda são difíceis de inferir, pois muitos estudos de coinfecções envolvem parasitas com diferentes histórias de vida e modo de exploração do hospedeiro. Aqui, utilizamos um sistema inseto-fungo no qual dois fungos entomopatogênicos ecologicamente comparáveis (Metarhizium spp. e Beauveria bassiana; Hypocreales) coinfectam o hospedeiro Tenebrio molitor (Coleoptera: Tenebrionidae), permitindo que a competição seja avaliada sob um nicho de infecção comum. No Capítulo 2, quantificamos a variação da virulência ao nível de isolado, a colonização do hospedeiro e a produção de esporos utilizando dez isolados de Metarhizium em coinfecção com um isolado de referência de B. bassiana. A virulência de Metarhizium variou amplamente entre os isolados e foi conservada entre infecções simples e coinfecções. Isolados mais virulentos apresentaram maior probabilidade de colonizar os hospedeiros durante a coinfecção, explicando uma proporção substancial da variação no sucesso competitivo. Em contraste, a virulência mostrou associação fraca ou inexistente com a produção de esporos após a colonização ser estabelecida. Uma ordenação multivariada dos desfechos de coinfecção revelou ainda que a esporulação saprofítica em arroz (utilizada como proxy para o crescimento pós-morte) estruturou o padrão multivariado dos resultados competitivos. No Capítulo 3, apresentamos dados preliminares de uma avaliação comparativa da histopatologia das infecções simples e coinfecções. Estruturas fúngicas estiveram mais consistentemente associadas ao corpo gorduroso. No entanto, um isolado de Metarhizium de alta virulência apresentou ocupação tecidual mais extensa, incluindo o tecido muscular do hospedeiro. Em conjunto, os capítulos empíricos mostram que os desfechos de coinfecção são governados por componentes específicos durante os estágios da doença, com algumas indicações iniciais sobre mecanismos relevantes. Palavras-chave: interação parasita-hospedeiro; competição dentro do hospedeiro; fitness; fungos entomopatogênicos; Metarhizium; Beauveria