An insect-parasitic fungus system do study coinfections

Abstract

Coinfections occur when two or more parasites concurrently infect the same host, and they are a widespread phenomenon in nature. With significant consequences for host-parasite interactions, coinfections can dramatically alter the severity and epidemiology of a disease, the fitness of the organisms involved, and the evolution of the parasites’ virulence. In this thesis, we propose a study system to investigate coinfections, their outcomes and their environmental modulators. This system is composed of two parasitic fungi – Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae – and the coleopteran host Tenebrio molitor. These fungi have similar infection mechanisms and host exploitation strategies, allowing us to investigate coinfections while diminishing the influences of parasite identity and host- exploitation strategy as variables. In the first chapter, we establish the study system and investigate the effects of characteristics of infection on coinfection outcomes. We find that coinfections did not change virulence towards the host, and when both fungi successfully sporulated on the host's body, the number of spores produced was drastically reduced. We also showed that the location of infection changed the percentage of hosts colonized for both fungi and that the first parasite to arrive dominated the infection process. In the second chapter, we explore the effect of host nutrition on single and coinfections. Host diet has limited impacts on coinfection and parasite fitness, but influences host mortality. A high protein diet is a better substrate to fight fungal infections compared to a high-carbohydrate diet, contradicting prior evidence found in hemimetabolous insects. In the third chapter, we investigate the role of temperature. Higher temperatures diminish the dominance of the most competitive fungus, Beauveria. On the host side, higher mortality occurred within the optimum temperature range for the parasite (~26°C). Our results support the adoption of this model system to study coinfections. This system have allowed us to test the effect of environmental factors and variables related to the process of infection on coinfection. This knowledge can be used to understand the dynamics of coinfection, and to identify variables that could be considered in other biological systems. Additionally, elucidating the interaction patterns between Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae will contribute to increasing the efficiency of entomopathogenic fungi in agroecosytems. Keywords: Coinfections; Host-Parasite Interactions; Nutrition; Temperature; Biological control.As coinfecções ocorrem quando dois ou mais parasitas infectam o mesmo hospedeiro de forma concomitante e são um fenômeno frequente na natureza. Com significantes consequências para a interação parasita-hospedeiro, elas podem alterar dramaticamente a severidade e epidemiologia das doenças, o fitness dos organismos envolvidos, e a evolução da virulência dos parasitas. Nesta tese, estamos propondo um sistema de estudo para investigar as coinfecções, suas consequências para as espécies envolvidas e seus moduladores ambientais. Esse sistema é composto por dois parasitas fúngicos – Beauveria bassiana e Metarhizium anisopliae – e o hospedeiro Tenebrio molitor. Esses fungos possuem mecanismos de infecção e exploração do hospedeiro similares, nos permitindo estudar as coinfecções e diminuir a influência das identidades dos parasitas e da forma de exploração dos hospedeiros como variáveis biológicas que influenciam os seus resultados. No primeiro capítulo, nós estabelecemos o sistema de estudo e investigamos os efeitos das características da infecção no resultado das coinfecções. Nossos resultados mostraram que as coinfecções não alteram a virulência para o hospedeiro, e quando ambos os fungos esporulam no cadáver do inseto, o número de esporos produzidos foi drasticamente reduzido. Nós também demonstramos que a localização da infecção altera o percentual de hospedeiros colonizados pelos dois fungos e que o primeiro parasita a chegar no hospedeiro dominou o processo infecção. No segundo capítulo, nós exploramos o efeito da nutrição do hospedeiro nas infecções simples e coinfecções. A dieta do hospedeiro teve um impacto limitado no resultado da coinfecção e no fitness dos parasitas, mas influenciou a mortalidade do hospedeiro. A dieta rica em proteína se provou ser um melhor substrato para combater infecções fúngicas comparadas com a dieta com maior quantidade de carboidratos. Isso contradiz evidências prévias do efeito da dieta em insetos hemimetábolos. No terceiro capítulo, investigamos o efeito da temperatura em nosso sistema. O aumento da temperatura diminuiu a prevalência do fungo dominante, Beauveria. Já com relação ao hospedeiro, uma maior mortalidade foi observada dentro da temperatura ótima para o desenvolvimento dos parasitas (~26°C). Nossos resultados suportam a adoção desse modelo de estudo para investigar as coinfecções. O sistema nos permitiu testar o efeito das variáveis ambientais e das características da infecção nas coinfecções. Esse conhecimento pode ser usado para entender as dinâmicas das coinfecções, e identificar variáveis que podem ser usadas em outros sistemas biológicos. Além disso, elucidar os padrões de interação entre Beauveria bassiana e Metarhizium anisopliae pode contribuir para aumentar a eficiência dos fungos entomopatogênicos na agricultura. Keywords: Coinfecções; Interação parasita-hospedeiro; Nutrição; Temperatura; Controle biológico.