Social wasps as a model to study host-microbe interactions

Gli insetti sociali rappresentano il gruppo più diffuso di organismi sulla terra. La comprensione dell'ecologia degli insetti sociali, come le vespe sociali, non deve prescindere dallo studio delle loro comunità microbiche. In questa tesi, ho trattato le simbiosi microbiche sviluppate nelle vespe sociali sotto diversi aspetti e in diverse condizioni. Per quanto riguarda il primo punto, ho studiato come le comunità microbiche intestinali (batteri e funghi) si sono sviluppate nelle fasi di vita dei calabroni, quindi ho studiato questo fenomeno nella specie esotica invasiva (IAS) Vespa velutina nigrithorax, attualmente presenti in Italia. Ho dimostrato che le comunità microbiche intestinali di V. velutina sono state significativamente influenzate dalla variabilità fenotipica e dalla dinamica ontogenetica. Pertanto, i cambiamenti fisiologici intestinali legati allo stadio durante lo sviluppo di V. velutina in accordo con la dieta legata allo stadio potrebbero svolgere un ruolo combinato nell'evoluzione delle comunità microbiche intestinali. Per quanto riguarda il secondo punto, ho eseguito il confronto della composizione delle comunità microbiche intestinali tra le caste operaie della specie aliena V. velutina mensionata sopra, il calabrone nativo Vespa crabro e la loro preda principale Apis mellifera. La struttura del microbiota era significativamente associata alle specie di insetti (V. crabro, V. velutina e A. mellifera), evidenziando la presenza di filotipi arricchiti correlati ai batteri lattici (LAB), differenzialmente associati ai calabroni e alle api da miele. Invece, l'organizzazione del micobiota appariva significativamente correlata al genere degli insetti (Apis o Vespa) ma non alla specie di insetto. Pertanto, suggerendo che le comunità fungine intestinali dei calabroni potrebbero essere più colpite dagli stimoli ambientali. Inoltre, a differenza delle api mellifere, Saccharomycetales appariva come l'ordine globale dell'intera composizione del micobiota in entrambe le specie di calabroni. Per quanto riguarda il terzo punto, ho quindi valutato l'effetto di diversi stimoli ambientali sulla composizione microbica intestinale della specie di calabrone nativa V. crabro, confrontandola con l'ape mellifera. Sono stati valutati tre diversi stimoli ambientali per ciascuna specie di insetto, mantenendo modelli ambientali simili per entrambe le specie. In questo modo, ho testato l'effetto del foraggiamento dei calabroni sugli acini maturi in vigna alla fine dell'estate, nel periodo vicino alla vendemmia. I calabroni che hanno speso più tempo foraggiando sull' uva matura in vigna erano notevolmente arricchiti di Saccharomycetes rispetto ai calabroni campionati dall’ incavo della corteccia di olivo a 50 giorni dalla raccolta e rispetto a i calabroni che trascorrevano il loro tempo a predare le api da miele nell'apiario nel contesto ambientale della vigna. Il quarto punto riguardava la comprensione dell'effetto di due particolari ceppi di Saccharomyces cerevisiae, dimostrati in grado di indurre trained immunity nei mammiferi e nei monociti umani, sul sistema immunitario e sulla composizione microbica intestinale della vespa sociale Polistes dominula. Ho testato questi effetti sulle caste fondatrice e operaia di P. dominula nota per la sua interazione con S. cerevisiae, come dimostrato da Stefanini et al. nel 2012 e nel 2016. Ho dimostrato che, in seguito alla somministrazione orale, questi due ceppi speciali di S. cerevisiae migliorano nelle fondatrici, ma non nelle operaie il sistema immunitario, aiutando le vespe nell'eliminazione di Escherichia coli. Inoltre, entrambi i ceppi di lievito hanno indotto nel gruppo più immuno-rispondente di fondatrici, un rimodellamento del microbiota intestinale. Questa importante relazione stabilita tra lievito e vespe sociali fornisce spunti significativi nella comprensione del ruolo ecologico di questi due organismi molto importanti.

Social insects represent the most widespread group of organisms on the Earth. The understanding of the ecology of social insects, such as social wasps must not disregard from the study of their microbial communities. In this thesis, I have treated the microbial symbioses developed in social wasps under different points of view and in different conditions. Concerning the first task, I investigated how the gut microbial communities (bacteria and fungi) switch during the hornet ontogenetic development (from juvanile to adult life stages), and this phenomenon was studied in the invasive alien species (IAS), Vespa velutina nigrithorax, currently present in Italy. I demonstrated that the gut microbial communities of V. velutina were signficantly affected by the phenotypic variability and ontogenetic dynamics. Thus, the stage-related gut physiological changes during V. velutina development according to the stage-related diet could play a combined role in the evolution of the gut microbial communities. Regarding the second task, I performed the comparison of the gut microbial communities composition between the worker stages of the alien species V. velutina mentioned above, the native hornet Vespa crabro and their main prey Apis mellifera. The structure of the microbiota was significant associated with the insect species (V. crabro, V. velutina and A. mellifera), highlighting the presence of enriched Lactic Acid Bacteria (LAB) -related filotypes, differentially associated to the hornets and honey bees. Instead, the organization of the mycobiota appeared significantly related to the insect genus (Apis or Vespa) but not with the insect species. Thus, suggesting that the gut fungal communities of the hornets could be more affected by the environmental stimuli. Furthermore, unlike the honey bees, Saccharomycetales appeared as the comprehensive order of the entire mycobiota composition in both hornet species. Concerning the third task, I evaluated the effect of different environmental stimuli on the gut microbial composition of the native hornet species V. crabro, comparing to honey bee A. mellifera. Three different environmental stimuli were evaluated for each insect species, maintaining a similar environmental patterns for both species. Doing that, I tested the effect of hornets foraging behavior on ripe grape berries in the vineyard at the end of Summer, in the period close to the grape harvest. The hornets who spent their time foraging on the ripe grape in the vineyard were significantly enriched in Saccharomycetes when compared to hornets sampled from olive tree bark hollow 50 days far from the harvest and compared to the hornets that spent their time predating the honey bees in apiary in the vineyard environmental context. The fourth task concerned the understanding of the effect of two particular strains of Saccharomyces cerevisiae, proved to induce trained immunity in mammal and human monocytes, on the immune system and intestinal microbial composition of social wasp Polistes dominula. I tested these effects on foundress and worker stages of P. dominula, knowed for its interaction with S. cerevisiae as demonstrated by Stefanini et al. in 2012 and 2016. I have shown that, following the oral administration, these two peculiar strains of S. cerevisiae enhance the immune system in foundresses but not in workers, helping the wasps in the elimination of Escherichia coli infection. Furthermore, both yeast strains induced in the most immune-responsive group of foundresses, a shaping of the gut microbiota. This important relationship established between yeast and social wasps provides significant insights in understanding the ecological role of these two very important organisms.