Significance of hybridization in Epichloë endophytes of Hordelymus europaeus

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1 Research Collection Doctoral Thesis Significance of hybridization in Epichloë endophytes of Hordelymus europaeus Author(s): Oberhofer, Martina Publication Date: 2012 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH Nr SIGNIFICANCE OF HYBRIDIZATION IN EPICHLOË ENDOPHYTES OF HORDELYMUS EUROPAEUS A dissertation submitted to ETH ZÜRICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Martina Oberhofer Mag. rer. nat., Universität Wien born July 23, 1977 citizen of Austria accepted on the recommendation of Prof. Dr. Adrian Leuchtmann Prof. Dr. Christopher L. Schardl Prof. Dr. Bruce A. McDonald PD Dr. Sabine Güsewell 2012

3 Summary SUMMARY Interspecific hybridization of fungi has first been discovered in the genus Epichloë and associated anamorphic Neotyphodium. While this was initially considered to be a rare example, hybridization may be common in fungi, as documented by an increasing number of hybrid species in different fungal phyla. Hybridization can be a rapid evolutionary force that may expand the ecological niche of an organism and thus promote spreading to new habitats or hosts, which then may lead to speciation. Hordelymus europaeus and its endophytes appeared to be a good model, because a hybrid and a non-hybrid strain were reported from Switzerland in previous studies and because relatively isolated populations of the host are distributed throughout Europe. Phylogeographic analyses of isolates from plants collected along a South-North transect of its entire native distribution confirmed a large endophyte diversity (Chapter 1). Three interspecific hybrids, two asexual and one sexual non-hybrid taxa were identified using phylogenetic analyses of the two commonly used intron-rich nuclear genes tubb and tefa. Hybrids were predominant in transect populations, and analyses revealed distinct combinations of ancestral species in each hybrid taxon suggesting independent hybridization events. The diversity of non-hybrid and hybrid taxa infecting H. europaeus is proposed to be the result of repeated host jumps and hybridizations. The hypothesis of hybridization allowing for niche expansion was investigated by comparing growth parameters in plants infected by hybrid vs. non-hybrid endophytes that were subjected to two different water regimes (Chapter 2). Hybrid endophytes did not tolerate a wider range of water availabilities nor did they appear to be co-adapted to their host. By contrast, co-adaptation with its host population was detected in the sexual non-hybrid endophyte. Plants inoculated with non-hybrids generally showed higher drought tolerance than hybrid endophytes, indicated by larger biomass and formation of reproductive tissues (spikes and seeds). The mechanisms that lead to the emergence of hybrid endophytes is still hypothetical. The purpose of a double inoculation experiment was to induce hybridization experimentally within the plant (Chapter 3). While the approach to create 5

4 Summary hybrids was not successful, it revealed another unexpected finding. Hybrid endophytes were able to spread horizontally to neighboring plants that had been inoculated with other endophyte combinations. The ability of hybrids to spread contagiously has not been documented before and may provide an answer why hybrids become so prevalent in natural grass populations. Results of this thesis have broadened the knowledge on endophyte distribution and diversity, and have provided new aspects on competitiveness and transmission mode of hybrid endophytes. 6

5 Zusammenfassung ZUSAMMENFASSUNG Interspezifische Hybridisierung von Pilzen wurde zum ersten Mal in der Gattung Epichloë und deren Anamorph Neotyphodium entdeckt. Obwohl ursprünglich angenommen wurde, dass es sich dabei um einen seltenen Fall handelt, könnte die Hybridisierung von Pilzen ein verbreitetes Phänomen sein. Eine wachsende Anzahl dokumentierter Hybridarten in verschiedenen Pilz-Phyla bestätigt diese Annahme. Hybridisierung kann die ökologische Nische von Organismen erweitern und dadurch ihre Ausdehnung auf neue Habitate oder Wirtsarten ermöglichen, und ist ein bekannter Mechanismus, der zur Artentstehung beiträgt. Hordelymus europaeus und seine Endophyten eignen sich als Modellsystem, da schon in früheren Studien das Vorkommen eines Hybrid- und eines Nichthybridendophyten in der Schweiz nachgewiesen wurde und die Populationen dieses Grases relativ isoliert in ganz Europa vorkommen. Pilzmaterial wurde aus Pflanzen isoliert, die entlang eines europaweiten Süd-Nord Transektes gesammelt wurden. Für eine phylogeographische Analyse wurden die beiden üblicherweise verwendeten intronreichen Gene tubb und tefa sequenziert, die eine überaus grosse Diversität von Epichloë Endophyten bestätigen konnten (Kapitel 1). Drei Hybride, zwei asexuelle Nichthybride und ein sexueller Nichthybrid konnten auf diese Weise identifiziert werden, wobei Hybride in Populationen des Transektes dominierten. Die phylogenetische Analyse wies jedem Hybrid-Taxon unterschiedliche Elternkombinationen zu und legte damit unabhängige Hybridisierungsereignisse nahe. Die Diversität von Nichthybrid- und Hybridendophyten, die H. europaeus infizieren, sind wahrscheinlich das Ergebnis von unabhängigen Wirtswechseln und Hybridisierung. Die Hypothese der erweiterten ökologischen Nische durch Hybridisierung wurde an verschiedenen Wachstumsparametern von Pflanzen untersucht, die mit Hybrid- und Nichthybridendophyten reinokuliert und zwei verschiedenen Wasserregimes ausgesetzt wurden (Kapitel 2). Hybride schienen keine grössere Bandbreite von Wasserverfügbarkeit zu tolerieren oder an ihren spezifischen Wirt angepasst zu sein. Im Gegensatz dazu wurde Co-Adaptation zwischen dem sexuellen Nichthybriden und seiner Wirtsgraspopulation festgestellt. Pflanzen, die mit Nichthybriden inokuliert waren, haben 7

6 Zusammenfassung generell eine höhere Trockenstresstoleranz aufgewiesen als solche mit Hybriden, indem sie nicht nur eine höhere Biomasse produzierten, sondern auch reproduktive Organe ausbildeten (Ähren, Samen), die in Pflanzen mit Hybriden nicht gebildet wurden. Der Mechanismus, der zur Hybridentstehung führt, ist immer noch hypothetisch. Die Zielsetzung eines Doppelreinokulationsexperimentes war, eine Hybridisierung von Endophyten in der Pflanze experimentell herbeizuführen (Kapitel 3). Obwohl der Versuch, Hybridisierung experimentell auszulösen, nicht erfolgreich war, wurde ein anderer unerwarteter Aspekt von Hybridendophyten entdeckt. Hybride waren in der Lage, Pflanzen horizontal zu infizieren, die zuvor mit anderen Endophytenkombinationen inokuliert worden waren. Diese Fähigkeit der Hybride zur Verbreitung durch Ansteckung war bisher unbekannt und könnte eine Erklärung für die Dominanz von Hybridendophyten in natürlichen Graspopulationen nahelegen. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit haben das Wissen über Verbreitung und Vielfalt erweitert und präsentieren neue Aspekte über Konkurrenzfähigkeit und Verbreitungsmodus von Hybridendophyten. 8