Solving the “Colomerus vitis conundrum”: genetic evidence reveals a complex of highly diverged groups with little morphological differentiation
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Colomerus vitis (Acari: Trombidiformes: Eriophyidae) includes bud, leaf curl, and leaf blister
eriophyoid mites that cause significant economic damage to grapevines worldwide. It has
been hypothesised that different genetic or morphological strains of C. vitis cause the three
different plant symptoms. Eriophyoid mites are morphologically simple, and adaptation to
different living conditions and hosts generally results in subtle body plan changes which may
be difficult to detect using traditional morphological methods. An integrative taxonomic
approach including DNA-based (mitochondrial cytochrome oxidase 1 gene variation and
Next Generation Sequencing) and morphological analyses (Low temperature Scanning
Electron Microscopy imaging) methods was used to investigate the diversity of grapevine
eriophyoid mites presumed to be C. vitis. Sanger sequencing of the COI gene in samples of
pooled mites collected from grapevine buds and leaf blisters revealed the presence of
mixtures of four distinct genetic groups. Subsequent Next Generation Sequencing of the
complete mitogenomes of the grapevine mite groups identified by Sanger sequencing was
not totally successful but it revealed the presence of a fifth genetic group. The COI
sequences had an average intragroup p-distance of 0.82% and an average intergroup p-
distance of 20.48%. Based on these results, a multiplex PCR comprising specific primers for
each of the five genetic groups was designed to screen samples by capillary electrophoresis
with automatic detection of fragment size. Multiplex PCR screenings of bud and leaf blisters
consistently confirmed the overall presence of three of the genetic groups in different
combinations and proportions. The genetic groups were often found in mixed populations
within the same symptomatic grapevine tissue. Bud and blister mites were significantly
associated with different genetic groups. The samples used for the analyses were primarily
collected in South Africa. Additional samples from the USA, Spain, Israel, and Egypt
contributed to insights into the worldwide genetic diversity of C. vitis. Additionally, publicly
available C. vitis COI sequences from Iran revealed two other genetic groups, suggesting
that the global diversity within C. vitis may exceed what is reported here. For morphological
analyses, a total of 67 individual mites collected from grapevines at Nietvoorbij, Western
Cape, South Africa from both leaf blisters (n = 45) and buds (n = 22) were analysed using
Cryo-SEM imaging. To investigate whether there were any distinct mite morphotypes,
specimens were differentiated according to the shape of microtubercles, number of empodial
rays, and prodorsal shield patterning. Variations in the morphological characters analysed
were observed within the almost indistinguishable species complex. In conclusion, these
results indicate that “C. vitis” includes several genetic groups of sufficient diversity to justify
the proposal of separate species, rather than strains of a single species each associated with
different plant symptoms. These putative species occur in mixed populations within the
different plant symptoms, and do not appear to be morphologically unique enough to allow
morphological separation of all five species detected here.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Colomerus vitis (Trombidiformes: Eriophyidae) behels wingerdknop, blaasvormende en blaar-krul eriophyid-myte. Eriophyid-myte veroorsaak geweldigge ekonomiese skade aan druiwe wingerde wêreldwyd. Daar word hipotetiseer dat verskillende stamme van C. vitis die drie verskillende simptome in plante veroorsaak. Eriophyid-myte is morfologies eenvoudig. Aanpassing tot verskillende lewens omstandighede en gashere lei tot subtiele veranderinge in die myte se liggaam plan wat moontlik moeilik is om op te tel deur tradisionele morfologiese metodes. Ons het ʼn geïntegreerde taksonomiese benadering gevolg wat beide morfologiese ontleding (Lae temperatuur skandeer-elektronmikroskoop beelding) en DNA gebaseerde (mitochondriese cytochrome oksidase 1 geen variasie en volgende generasie opeenvolging) metodes gebruik het om die diversiteit van wingerdstok eriophyid-myte te ondersoek, wat vermoedelik C. vitis is. In monsters van eriophyid-myte wat van wingerd knoppe en blaar blase versamel is het aanvanklike Sanger opeenvolging van die COI geen die teenwoordigheid van vier afsonderlike geneties groepe opgelewer. Die volgende generasie opeenvolging vir die volle mitogenoom van die wingerdstok myte geïdentifiseer deur die Sanger opeenvolging was onsuksesvol, maar dit het die teenwoordigheid van die vyfde genetiese groep geopenbaar deur verwysings na karterings van vorige gegenereerde C. vitis COI opeenvolgings. Die COI opeenvolgings het ʼn gemiddelde intragroep p-afstand van 0.82% en ‘n gemiddelde intergroep p-afstand van 20.48%. Gebaseer op hierdie resultate het ons ‘n multipleks PCR ontwerp bestaande uit spesifieke primers vir elke een van die vyf genetiese groepe. Hierdie multipleks PCR was gebruik om monsters te screen volgens kapillêre elektroforese met outomatiese bespeuring van fragment grootte. Multipleks PCR screenings van knoppe en blaar blase het konsekwent die teenwoordigheid van drie genetiese groepe bevestig in verskillende kombinasies en proporsies. Die geneties groepe was dikwels gevind in gemengde populasies binne dieselfde simptomatiese wingerdstok weefsel. Knop en blaas myte was aansienlik geassosieer met verskillende genetiese groepe. Vir morfologiese ontleding was ‘n totaal van 67 individuele myte versamel af van blaar blase (n=45) en knoppe (n=22) en ontleed met Cryo-SEM beelding. Om vas te stel of daar onderskeie myt morfotipes was, was mosters onderskei volgens die vorm van mikrotuberkels, hoeveelheid empodiale strale en prodorsale skildpatroon. Die monsters vir die ontleding was hoofsaaklik versamel in Suid-Afrika, alhoewel daar ‘n paar monster van die VSA, Spanje, Israel en Egipte was wat bygedra het tot die genetiese diversiteit. Addisioneel is daar publiek beskikbare C. vitis COI opeenvolgings van Iran twee ander genetiese groepe bygevoeg. Dit stel voor dat die wêreld wye diversiteit binne C. vitis moontlik meer is as wat hier geraporteer word. Variasies in die morfologiese karakters wat ontleed is, is waargeneem binne die byna ononderskeibare spesiekompleks. Ter afsluiting, hierdie resultate dui daarop aan dat C. vitis nie ‘n complex van naverwante spesies (stamme) is wat met verskillende plant simptome geassosieer word nie. En ons stel voor dat wingerdstok myte bestaan uit verskeie genetiese en morfologiese uiteenlopende spesies.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Colomerus vitis (Trombidiformes: Eriophyidae) behels wingerdknop, blaasvormende en blaar-krul eriophyid-myte. Eriophyid-myte veroorsaak geweldigge ekonomiese skade aan druiwe wingerde wêreldwyd. Daar word hipotetiseer dat verskillende stamme van C. vitis die drie verskillende simptome in plante veroorsaak. Eriophyid-myte is morfologies eenvoudig. Aanpassing tot verskillende lewens omstandighede en gashere lei tot subtiele veranderinge in die myte se liggaam plan wat moontlik moeilik is om op te tel deur tradisionele morfologiese metodes. Ons het ʼn geïntegreerde taksonomiese benadering gevolg wat beide morfologiese ontleding (Lae temperatuur skandeer-elektronmikroskoop beelding) en DNA gebaseerde (mitochondriese cytochrome oksidase 1 geen variasie en volgende generasie opeenvolging) metodes gebruik het om die diversiteit van wingerdstok eriophyid-myte te ondersoek, wat vermoedelik C. vitis is. In monsters van eriophyid-myte wat van wingerd knoppe en blaar blase versamel is het aanvanklike Sanger opeenvolging van die COI geen die teenwoordigheid van vier afsonderlike geneties groepe opgelewer. Die volgende generasie opeenvolging vir die volle mitogenoom van die wingerdstok myte geïdentifiseer deur die Sanger opeenvolging was onsuksesvol, maar dit het die teenwoordigheid van die vyfde genetiese groep geopenbaar deur verwysings na karterings van vorige gegenereerde C. vitis COI opeenvolgings. Die COI opeenvolgings het ʼn gemiddelde intragroep p-afstand van 0.82% en ‘n gemiddelde intergroep p-afstand van 20.48%. Gebaseer op hierdie resultate het ons ‘n multipleks PCR ontwerp bestaande uit spesifieke primers vir elke een van die vyf genetiese groepe. Hierdie multipleks PCR was gebruik om monsters te screen volgens kapillêre elektroforese met outomatiese bespeuring van fragment grootte. Multipleks PCR screenings van knoppe en blaar blase het konsekwent die teenwoordigheid van drie genetiese groepe bevestig in verskillende kombinasies en proporsies. Die geneties groepe was dikwels gevind in gemengde populasies binne dieselfde simptomatiese wingerdstok weefsel. Knop en blaas myte was aansienlik geassosieer met verskillende genetiese groepe. Vir morfologiese ontleding was ‘n totaal van 67 individuele myte versamel af van blaar blase (n=45) en knoppe (n=22) en ontleed met Cryo-SEM beelding. Om vas te stel of daar onderskeie myt morfotipes was, was mosters onderskei volgens die vorm van mikrotuberkels, hoeveelheid empodiale strale en prodorsale skildpatroon. Die monsters vir die ontleding was hoofsaaklik versamel in Suid-Afrika, alhoewel daar ‘n paar monster van die VSA, Spanje, Israel en Egipte was wat bygedra het tot die genetiese diversiteit. Addisioneel is daar publiek beskikbare C. vitis COI opeenvolgings van Iran twee ander genetiese groepe bygevoeg. Dit stel voor dat die wêreld wye diversiteit binne C. vitis moontlik meer is as wat hier geraporteer word. Variasies in die morfologiese karakters wat ontleed is, is waargeneem binne die byna ononderskeibare spesiekompleks. Ter afsluiting, hierdie resultate dui daarop aan dat C. vitis nie ‘n complex van naverwante spesies (stamme) is wat met verskillende plant simptome geassosieer word nie. En ons stel voor dat wingerdstok myte bestaan uit verskeie genetiese en morfologiese uiteenlopende spesies.
Description
Thesis (MScAgric)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Grapes -- Breeding, Colomerus vitis, Grape erineum mite, Grapes -- Diseases and pests, Eriophyoid mites -- Morphology, Grapevines -- Management, Cytochrome oxidase -- Genetic aspects, Grapes -- Economic aspects, UCTD