Släktskapsurval och utvecklingen av virulens

Hur släktskap, genom sin effekt på samarbets- och spottskalleegenskaper, förväntas påverka virulensen beror på vilken typ av socialt beteende som parasiterna uppvisar inom arten. Här skiljer vi mellan tre typer av sociala beteenden: (1) försiktighet, (2) samarbete för kollektiva nyttigheter och (3) illvilja.

Försiktighet

Virulens antas ofta vara en nödvändig konsekvens av exploatering av värddjuret och därmed överföring till nya värddjur (parasitens fitness) (Anderson och May, 1982; Bremermann och Pickering, 1983; Nowak och May, 1994; Frank, 1996; Ebert och Bull, 2003). Virulens har också en negativ inverkan på överföringsframgången, till exempel om parasiterna endast kan överföra från levande värdar eller om överföringen minskar från försvagade värdar. Som ett resultat av denna avvägning kommer en viss mellanliggande nivå av värdutnyttjande (optimal virulens) att maximera parasitpopulationens överföringsframgång. Det är också troligt att släktskapet mellan de parasitgenotyper som saminfekterar påverkar infektionernas virulens. Modeller för släktskapsselektion förutsäger att den nivå av parasitvirulens som maximerar parasitens fitness ökar med minskande släktskap mellan parasiter som saminfekterar (Bremermann och Pickering, 1983; Nowak och May, 1994; Frank, 1996) (figur 1a). Detta beror på att optimal virulens uppvisas endast om individerna utnyttjar värdresurserna på ett klokt sätt, och detta förutses inträffa när släktskapet mellan parasitgenotyperna är högt. När släktskapet är lågt resulterar konkurrensen mellan parasiter med orelaterade genotyper inom en värd i ett urval av individer som utnyttjar resurserna så snabbt som möjligt, vilket ökar virulensen trots att gruppens framgång minskar, en idé som symboliseras av Hardins ”tragedy of the commons” (Hardin, 1968; Frank, 1998).

En del studier i naturliga populationer är förenliga med försiktighetsmodellen. När den mäts över närbesläktade arter ökar virulensen hos parasitära nematoder som infekterar fikongetingar med ökande genomsnittligt antal foundresser som lägger sina ägg i ett enda fikon (Herre, 1993). Detta resultat har tolkats i termer av släktskapsurval: fler födelsedjur ökar chansen för nematodinfektioner med blandade genotyper, och därmed utvecklingen av högre virulens (Herre, 1993; Frank, 1996). Datas korrelationskaraktär innebär att de kan tolkas på andra sätt, och därför behövs det experimentella tester.

Experimentella bevis för det negativa sambandet mellan släktskap och virulens är begränsade (Brown et al., 2002; West och Buckling, 2003). I studier där minskad släktskap resulterar i ökad virulens finns det faktiskt få bevis för att det är resultatet av ökat utnyttjande inom värdväxten på bekostnad av överföring mellan värdväxter. Exempelvis var infektioner med blandade genotyper av gnagarmalariaparasiter (Plasmodium chabaudi) som infekterar möss mer virulenta (i termer av viktförlust hos värden och anemi) än infektioner med en enda klon, men uppvisade inte förhöjd reproduktionshastighet eller täthet (Taylor et al., 1998). Detta tyder på att immunförsvaret hade sämre förmåga att kontrollera infektionerna på grund av deras antigena mångfald, snarare än ökad virulens som ett resultat av ökat utnyttjande av värden. På samma sätt uppnådde blandade infektioner av larver (Panolis flammea) med baculovirus högre virulens, men i detta system krävs värddöd för överföring; därför gäller inte den klassiska avvägningen mellan överföring och virulens och det finns ingen kostnad för virulens (Hodgson et al., 2004). Hos denna och andra obligatoriskt dödande parasiter är det dock troligt att det finns en avvägning mellan tid till avlivning och avkastning på avkomman, eftersom försiktighet (dvs. låg utnyttjandegrad av värddjuret) kan maximera avkastningen på avkomman och, i förlängningen, överföringsmöjligheterna (Hodgson et al., 2004). Inga bevis för en skillnad i tid till döden mellan infektioner med en enda genotyp och infektioner med blandade genotyper upptäcktes. En annan studie av schistosomer (Schistosoma mansoni) som infekterar sniglar (Biomphalaria glabrata) rapporterade en förhöjd total reproduktionshastighet vid infektioner med blandade genotyper jämfört med infektioner med en enda genotyp, men det var omöjligt att särskilja om detta berodde på att enskilda stammar replikerade snabbare eller om det återigen berodde på att immunförsvaret inte var bra på att kontrollera infektioner med blandade genotyper (Davies et al, 2002).

Det finns många troliga orsaker till att data generellt sett inte stämmer överens med försiktighetsmodellen, varav den mest uppenbara är att modellens antaganden ofta är olämpliga för det särskilda värd-parasit-systemet. Dessa frågor har behandlats i detalj på andra håll (Read och Taylor, 2001; Ebert och Bull, 2003; Lambrechts et al., 2006), och vi begränsar ytterligare diskussioner om betydelsen av biologiska detaljer till olika typer av sociala interaktioner (se nedan). En annan bidragande faktor är dock att den stora majoriteten av de experiment som testar modellen har varit kortsiktiga ekologiska studier, där infektioner har etablerats med antingen en enda eller flera parasitgenotyper. För att ge experimentellt stöd för försiktighet krävs därför att parasiterna kan fakultativt uppreglera sin reproduktionshastighet när de upptäcker en annan parasitgenotyp i samma värd. Vi känner inte till några bevis som visar att detta sker.

Ett alternativt tillvägagångssätt för att testa teorin skulle vara att experimentellt utveckla parasiter under förhållanden med hög och låg släktskap, och sedan bestämma virulensen hos de utvecklade linjerna. Det enda experiment vi känner till, som kan ha gjort detta, utformades i ett annat syfte: att undersöka effekten av extrinsisk värddödlighet hos Daphnia magna på utvecklingen av virulens hos en horisontellt överförd mikrosporidieparasit (Glugoides intestinalis) (Ebert och Mangin, 1997). Man förutspådde att högre virulens skulle gynnas vid behandling med hög dödlighet, på grund av den minskade kostnaden för parasiten att döda värden tidigt. Det motsatta resultatet observerades. En möjlig förklaring är att behandlingen med hög värddödlighet minskade risken för blandinfektioner, och därmed konkurrens inom värddjuret, eftersom extrinskt ”dödade” (borttagna) värddjur ersattes med oinfekterade värddjur (Ebert och Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Denna tolkning stöds av det stora antalet experiment där parasitens virulens ökar efter seriell överföring från en värd till en annan (granskad i Ebert, 1998). Under dessa förhållanden kommer det naturliga urvalet att gynna parasiter som har den högsta konkurrensförmågan inom värden. Dessa data tyder därför starkt på en positiv genetisk korrelation mellan konkurrensförmåga och virulens inom värden, vilket är ett avgörande antagande i försiktighetsmodellen. Studier som har försökt att direkt mäta genetiska korrelationer är mindre konsekventa, med både positiva (de Roode et al., 2005) och negativa (Gower och Webster, 2005) korrelationer rapporterade för P. chabaudi respektive S. mansoni. Det krävs många fler experiment för att fullt ut testa den evolutionära effekten av parasiternas släktskap på försiktighet inom värden.

Samarbete för kollektiva nyttigheter

I motsats till modeller som utgår från att försiktighet maximerar överföringen förutsägs ett positivt samband mellan släktskap och virulens om utnyttjandet av värden är beroende av att parasiterna samarbetar med varandra (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West och Buckling, 2003) (Figur 1b). Sådana situationer uppstår om parasiterna producerar någon form av kollektiv nyttighet som kan utnyttjas av icke-producerande fuskare. Det begränsade experimentella arbete som direkt behandlar den roll som släktskap spelar när det gäller att bestämma parasitens virulens vid samarbete om kollektiva nyttigheter (liksom observationsexempel; se Chao et al,

Turner och Chao (1999) utvecklade lytiska fager på bakterier (Pseudomonas syringae) under förhållanden med hög och låg släktskap (låg respektive hög infektionsmultiplicitet) och fann att en korrelat av virulens (viral konkurrensförmåga) utvecklades till att vara mycket lägre under låg släktskap. Bakteriofager producerar replikationsenzymer som kan användas av alla virioner i cellen och som sådana kan de betraktas som en kollektiv nyttighet. Vid låg släktskap, när multipelinfektion var sannolik, utvecklades fuskande mutanter som inte betalade den metaboliska kostnaden för att producera replikationsenzymer och som hade en selektiv fördel när de saminfekterade med replikasproducerande samarbetspartners. Under förhållanden med hög släktskap utvecklades däremot inte fuskare eftersom de inte kunde dela celler med samarbetspartners.

Ett annat ganska välstuderat exempel på samarbete för kollektiva nyttigheter är produktionen av extracellulära järnupptagningsmolekyler (sideroforer) av den opportunistiska bakteriepatogenen Pseudomonas aeruginosa. Produktionen av sideroforer är fördelaktig när järn är begränsande, men den är också metaboliskt kostsam. I blandade populationer där både vildtyp- och mutantbakterier förekommer kan därför mutanterna få fördelarna med produktion av sideroforer utan att betala kostnaden och därmed öka i frekvens, eftersom de konkurrerar ut den samarbetsvilliga vildtypen (Griffin et al., 2004). I överensstämmelse med ovanstående in vitro-resultat har sideroforenegativa fuskare observerats i naturliga populationer av P. aeruginosa som har infekterat lungorna hos patienter med cystisk fibros (de Vos et al, 2001).

Rollen av släktskap i sideroformedierat samarbete och virulens undersöktes genom att inokulera larver (Galleria mellonella) med enskilda kloner av en vildtyp, sideroforproducerande stam av P. aeruginosa (cooperators), en isogen sideroformutant utan siderofor (cheats), eller båda (Harrison et al., 2006). Cheats växte snabbare i blandade infektioner, till skillnad från infektioner med en enda klon, medan det motsatta mönstret observerades för cooperators. Infektioner med låg relateringsgrad är därför mer benägna att gynna utvecklingen av siderophore cheats än infektioner med hög relateringsgrad (Harrison et al., 2006). Infektioner som innehöll fuskare var mindre virulenta än rena kooperatörsinfektioner, vilket har observerats i en tidigare studie (Meyer et al., 1996). Följaktligen är infektioner med låg relateringsgrad mindre virulenta.

I dessa enkla konkurrensexperiment mellan sidoforfuskare och kooperatörer hade fuskare dock aldrig en påvisbar selektiv fördel: i bästa fall var deras fitness densamma som kooperatörernas (Harrison et al., 2006). Detta står i kontrast till in vitro-arbete där fuskare konsekvent var bättre lämpade under järnbegränsade förhållanden (Griffin et al., 2004). Detta innebär ett stort problem för teorin: om fuskare aldrig har en selektiv fördel in vivo kommer virulensen inte att minska under infektioner med låg relateringsgrad. Vi har dock sedan dess observerat att fuskare faktiskt utvecklas de novo och ökar i frekvens när de passerar genom larver (Racey, Harrison och Buckling, in prep).

Nyligen utförda in vitro-arbeten tyder på att det positiva förhållandet mellan släktskap och virulens där kollektiva nyttigheter bestämmer tillväxthastigheten kan vara mer komplext (Brockhurst et al., 2006). Patogena bakterier existerar ofta som biofilmer – en grupp bakterier som sitter fast på ytor och är täckta av polymer. Biofilmbildning ger en gruppfördel, t.ex. när det gäller motståndskraft mot antibiotika och immunattacker. Biofilmpolymeren är ett annat exempel på en kollektiv nyttighet, och icke-producerande fuskare har sannolikt en selektiv fördel under förhållanden med blandade genotyper och låg släktskap. Som sådan bör infektioner med blandade genotyper leda till att samarbetet bryts ned och att virulensen minskar. Det är dock troligt att mångfalden med avseende på samarbetsegenskaper också korrelerar med mångfalden i andra egenskaper, t.ex. resursanvändning. I en nyligen genomförd studie fann man att biofilmer som består av blandningar av genotyper som var specialiserade på olika resurser, som ett resultat av fitness trade-offs, var mer motståndskraftiga mot invasion av fuskare än biofilmer som bestod av en enda genotyp, förmodligen på grund av att fuskare också bytte ut resursanvändning, och därför var bättre på att fuska med en samarbetsvillig genotyp än en annan. Selektion mot samarbete, som är ett resultat av minskad släktskap (per definition vid det kooperativa lokuset) i blandade infektioner, kan potentiellt motverkas av ökad nischuppdelning, vilket kan begränsa invasionen av fuskare och även öka populationstätheten på grund av effektivare resursanvändning (Brockhurst et al., 2006). Detta skulle kunna försvaga eller till och med eliminera sambandet mellan virulens och släktskap.

Spotta

Om spottade beteenden är en nyckelfaktor för utfallet av konkurrensen mellan parasitlinjer, förutspås virulens att kulminera vid höga och låga nivåer av släktskap (figur 1c) (Gardner et al., 2004). Detta beror på att spottbeteenden minskar den totala populationstillväxten och förutses också vara maximerad vid mellanliggande nivåer av släktskap. Vid höga nivåer av släktskap finns det liten fördel med att skada nära släktingar, och därför gynnas inte elaka beteenden. Vid mycket låg släktskap kommer en släktlinje med nödvändighet att ha en låg frekvens och kommer därför inte att kunna påverka alla konkurrenter; därför kommer nyttan av det elaka beteendet i form av att skada konkurrenter och frigöra resurser att upplevas av icke-släktingar i lika hög grad som av släktingar. Det är först när en spottstyverlinje har en tillräckligt hög frekvens och det finns tillräckligt många konkurrenter att skada (mellanliggande släktskap) som de inkluderande fitnessfördelarna av spottstyveri kommer att förverkligas.

Antikonkurrenstoxiner som produceras av bakterier (bakteriociner) är ett bra exempel på spottstyverbeteenden. Bakteriociner är kostsamma att producera (ofta krävs celllys för att de ska kunna frigöras) och kan döda mottagliga konkurrenter. Bakteriocingener är i allmänhet kopplade till lämpliga immunitetsgener, vilket gör nära släktingar immuna (Riley och Wertz, 2002). Vi känner till endast en studie som har behandlat ”släktskapets” roll för virulens där spottbeteenden avgör konkurrensutfallet (Massey et al., 2004). Olika stammar av de insektspatogena bakterierna Photorhabdus och Xenorhabdus spp. inokulerades i larver som infektioner med en eller flera kloner. Virulensen minskade i blandinfektioner i förhållande till singelinfektioner där båda stammarna kunde döda varandra. Dessutom var det en stor konkurrensfördel att kunna producera bakteriociner endast vid blandade infektioner. Detta tyder på att infektioner som består av två genotyper gynnar bakteriocinproduktion jämfört med infektioner med en enda genotyp och att bakteriocinproduktion minskar virulensen. Observera att de olika stammarna i denna studie förmodligen är mer avlägset besläktade med varandra än vad som vanligtvis antas för en enda ”art”.