Development of insecticide resistance has been a serious concern worldwide, whose mechanisms have been attributed to evolutionary changes in pest insect genomes such as alteration of drug target sites, up-regulation of degrading enzymes, and enhancement of drug excretion. Here, we report a previously unknown mechanism of insecticide resistance: Infection with an insecticide-degrading bacterial symbiont immediately establishes insecticide resistance in pest insects. The bean bug Riptortus pedestris and allied stinkbugs harbor mutualistic gut symbiotic bacteria of the genus Burkholderia , which are acquired by nymphal insects from environmental soil every generation. In agricultural fields, fenitrothion-degrading Burkolderia strains are present at very low densities. We demonstrated that the fenitrothion-degrading Burkholderia strains establish a specific and beneficial symbiosis with the stinkbugs and confer a resistance of the host insects against fenitrothion. Experimental applications of fenitrothion to field soils drastically enriched fenitrothion-degrading bacteria from undetectable levels to >80% of total culturable bacterial counts in the field soils, and >90% of stinkbugs reared with the enriched soil established symbiosis with fenitrothion-degrading Burkholderia . In a Japanese island where fenitrothion has been constantly applied to sugarcane fields, we identified a stinkbug population wherein the insects live on sugarcane and ≈8% of them host fenitrothion-degrading Burkholderia . Our finding suggests the possibility that the symbiont-mediated insecticide resistance may develop even in the absence of pest insects, quickly establish within a single insect generation, and potentially move around horizontally between different pest insects and other organisms.

Many insects are dependent on bacterial symbionts that provide essential nutrients (ex. aphid– Buchnera and tsetse– Wiglesworthia associations), wherein the symbionts are harbored in specific cells called bacteriocytes that constitute a symbiotic organ bacteriome. Facultative and parasitic bacterial symbionts like Wolbachia have been regarded as evolutionarily distinct from such obligate nutritional mutualists. However, we discovered that, in the bedbug Cimex lectularius , Wolbachia resides in a bacteriome and appears to be an obligate nutritional mutualist. Two bacterial symbionts, a Wolbachia strain and an unnamed γ-proteobacterium, were identified from different strains of the bedbug. The Wolbachia symbiont was detected from all of the insects examined whereas the γ-proteobacterium was found in a part of them. The Wolbachia symbiont was specifically localized in the bacteriomes and vertically transmitted via the somatic stem cell niche of germalia to oocytes, infecting the incipient symbiotic organ at an early stage of the embryogenesis. Elimination of the Wolbachia symbiont resulted in retarded growth and sterility of the host insect. These deficiencies were rescued by oral supplementation of B vitamins, confirming the essential nutritional role of the symbiont for the host. The estimated genome size of the Wolbachia symbiont was around 1.3 Mb, which was almost equivalent to the genome sizes of parasitic Wolbachia strains of other insects. These results indicate that bacteriocyte-associated nutritional mutualism can evolve from facultative and prevalent microbial associates like Wolbachia , highlighting a previously unknown aspect of the parasitism-mutualism evolutionary continuum.

In North America and Europe, the pea aphid ( Acyrthosiphon pisum ) encompasses ecologically and genetically distinct host races, offering a model system for studies on sympatric speciation ([ 1 ][1], [ 2 ][2]). One host race lives on red clover ( Trifolium pratense ) and cannot produce offspring on

ABSTRACT The broad-headed bug Riptortus clavatus (Heteroptera: Alydidae) possesses a number of crypts at a posterior midgut region, which house a dense population of a bacterial symbiont belonging to the genus Burkholderia . Although the symbiont is highly prevalent (95 to 100%) in the host populations, the symbiont phylogeny did not reflect the host systematics at all. In order to understand the mechanisms underlying the promiscuous host-symbiont relationship despite the specific and prevalent association, we investigated the transmission mode and the fitness effects of the Burkholderia symbiont in R. clavatus . Inspection of eggs and a series of rearing experiments revealed that the symbiont is not vertically transmitted but is environmentally acquired by nymphal insects. The Burkholderia symbiont was present in the soil of the insect habitat, and a culture strain of the symbiont was successfully isolated from the insect midgut. Rearing experiments by using sterilized soybean bottles demonstrated that the cultured symbiont is able to establish a normal and efficient infection in the host insect, and the symbiont infection significantly improves the host fitness. These results indicated that R. clavatus postnatally acquires symbiont of a beneficial nature from the environment every generation, uncovering a previously unknown pathway through which a highly specific insect-microbe association is maintained. We suggest that the stinkbug- Burkholderia relationship may be regarded as an insect analogue of the well-known symbioses between plants and soil-associated microbes, such as legume- Rhizobium and alder- Frankia relationships, and we discuss the evolutionary relevance of the mutualistic but promiscuous insect-microbe association.

Turncoat Aphids Aphid color has consequences for the fate of the wearer: Coccinellid beetles prefer to eat red ones and parasitoid wasps attack green ones. What might happen if aphids could change color and outwit their predators? Tsuchida et al. (p. 1102 ) have found that a subpopulation of the pea aphid can do this, but not without help from a previously unknown species of bacterium that lives intimately with the aphid as an endosymbiont and makes red aphids turn green. The bacterium interferes with host pigment biosynthesis—itself borrowed from fungi long ago in evolution—to stimulate blue-green pigment production as the aphid larva matures, turning the red nymph into a green adult. The ecological consequences of this about-turn of color have yet to be tested, but other studies have shown a variety of effects on aphid behavior mediated by endosymbionts in response to adaptation to different food plants, temperature tolerance, and predator avoidance.

The smallest reported bacterial genome belongs to Tremblaya princeps, a symbiont of Planococcus citri mealybugs (PCIT). Tremblaya PCIT not only has a 139 kb genome, but possesses its own bacterial endosymbiont, Moranella endobia. Genome and transcriptome sequencing, including genome sequencing from a Tremblaya lineage lacking intracellular bacteria, reveals that the extreme genomic degeneracy of Tremblaya PCIT likely resulted from acquiring Moranella as an endosymbiont. In addition, at least 22 expressed horizontally transferred genes from multiple diverse bacteria to the mealybug genome likely complement missing symbiont genes. However, none of these horizontally transferred genes are from Tremblaya, showing that genome reduction in this symbiont has not been enabled by gene transfer to the host nucleus. Our results thus indicate that the functioning of this three-way symbiosis is dependent on genes from at least six lineages of organisms and reveal a path to intimate endosymbiosis distinct from that followed by organelles.

Host-symbiont cospeciation and reductive genome evolution have been identified in obligate endocellular insect symbionts, but no such example has been identified from extracellular ones. Here we first report such a case in stinkbugs of the family Plataspidae, wherein a specific gut bacterium is vertically transmitted via “symbiont capsule.” In all of the plataspid species, females produced symbiont capsules upon oviposition and their gut exhibited specialized traits for capsule production. Phylogenetic analysis showed that the plataspid symbionts constituted a distinct group in the γ-Proteobacteria, whose sister group was the aphid obligate endocellular symbionts Buchnera. Removal of the symbionts resulted in retarded growth, mortality, and sterility of the insects. The host phylogeny perfectly agreed with the symbiont phylogeny, indicating strict host-symbiont cospeciation despite the extracellular association. The symbionts exhibited AT-biased nucleotide composition, accelerated molecular evolution, and reduced genome size, as has been observed in obligate endocellular insect symbionts. These findings suggest that not the endocellular conditions themselves but the population genetic attributes of the vertically transmitted symbionts are probably responsible for the peculiar genetic traits of these insect symbionts. We proposed the designation “Candidatus Ishikawaella capsulata” for the plataspid symbionts. The plataspid stinkbugs, wherein the host-symbiont associations can be easily manipulated, provide a novel system that enables experimental approaches to previously untouched aspects of the insect-microbe mutualism. Furthermore, comparative analyses of the sister groups, the endocellular Buchnera and the extracellular Ishikawaella, would lead to insights into how the different symbiotic lifestyles have affected their genomic evolution.

ABSTRACT Ecological studies on three bacterial lineages symbiotic in aphids have shown that they impose a variety of effects on their hosts, including resistance to parasitoids and tolerance to heat stress. Phylogenetic analyses of partial sequences of gyrB and recA are consistent with previous analyses limited to 16S rRNA gene sequences and yield improved confidence of the evolutionary relationships of these symbionts. All three symbionts are in the Enterobacteriaceae . One of the symbionts, here given the provisional designation “ Candidatus Serratia symbiotica,” is a Serratia species that has acquired a symbiotic lifestyle. The other two symbionts, here designated “ Candidatus Hamiltonella defensa” and “ Candidatus Regiella insecticola,” are sister groups to one another and together show a relationship to species of Photorhabdus .

Significance How sophisticated mutualism has arisen from less-intimate associations is of general interest. Here we address this evolutionary issue by looking into the bedbug. Wolbachia endosymbionts are generally regarded as facultative/parasitic bacterial associates for their insect hosts, but in the bedbug, exceptionally, Wolbachia supports the host’s growth and survival via provisioning of vitamins. In the bedbug’s Wolbachia genome, we identified a gene cluster encoding the complete synthetic pathway for biotin (vitamin B7), which is not present in other Wolbachia genomes and is presumably acquired via lateral transfer from a coinfecting endosymbiont. The Wolbachia -provisioned biotin contributes to the bedbug’s fitness significantly, uncovering an evolutionary transition from facultative symbiosis to obligate mutualism facilitated by lateral gene transfer in the endosymbiont lineage.

Endosymbiotic Wolbachia bacteria are potent modulators of pathogen infection and transmission in multiple naturally and artificially infected insect species, including important vectors of human pathogens. Anopheles mosquitoes are naturally uninfected with Wolbachia, and stable artificial infections have not yet succeeded in this genus. Recent techniques have enabled establishment of somatic Wolbachia infections in Anopheles. Here, we characterize somatic infections of two diverse Wolbachia strains (wMelPop and wAlbB) in Anopheles gambiae, the major vector of human malaria. After infection, wMelPop disseminates widely in the mosquito, infecting the fat body, head, sensory organs and other tissues but is notably absent from the midgut and ovaries. Wolbachia initially induces the mosquito immune system, coincident with initial clearing of the infection, but then suppresses expression of immune genes, coincident with Wolbachia replication in the mosquito. Both wMelPop and wAlbB significantly inhibit Plasmodium falciparum oocyst levels in the mosquito midgut. Although not virulent in non-bloodfed mosquitoes, wMelPop exhibits a novel phenotype and is extremely virulent for approximately 12–24 hours post-bloodmeal, after which surviving mosquitoes exhibit similar mortality trajectories to control mosquitoes. The data suggest that if stable transinfections act in a similar manner to somatic infections, Wolbachia could potentially be used as part of a strategy to control the Anopheles mosquitoes that transmit malaria.