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Voordouw, Maarten
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Voordouw, Maarten
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- PublicationMétadonnées seulementSpatiotemporal ecological factors influencing the ecology of "Ixodes ricinus" ticks and the Lyme disease riskLes tiques et les maladies transmises par les tiques représentent un problème de santé important pour l'homme et ses animaux de compagnie. Les agents pathogènes transmis par les tiques provoquent une morbidité et une mortalité chez leurs hôtes vertébrés (y compris les humains). L'incidence de la borréliose de Lyme et d'autres maladies transmises par les tiques est en augmentation en Europe et en Amérique du Nord. Afin de prédire le risque de maladies transmises par les tiques, il est essentiel de comprendre les facteurs écologiques qui déterminent l'abondance des tiques ainsi que la densité des tiques infectées, car cette variable détermine le risque de borréliose de Lyme pour les hôtes vertébrés, y compris les humains. En Europe, la tique du mouton (Ixodes ricinus) transmet un certain nombre de maladies importantes, dont la borréliose de Lyme, causée par la bactérie Borrelia burgdorferi sensu lato (sl). En Europe continentale, le stade nymphal de l’espèce de tiques I. ricinus a souvent une phénologie bimodale avec un pic printanier important et un pic automnal plus petit. Il existe un consensus sur l'origine du pic nymphal printanier, mais l'origine du pic nymphal d'automne reste incertaine. Deux hypothèses alternatives prédisent des décalages temporels différents (0 an versus 1 an) entre le pic automnal des tiques nymphales et le repas sanguin du stade précédent (tique larvaire). Le succès d'alimentation des larves de tiques dépend de la densité de leurs hôtes de petits mammifères, qui à son tour dépend de la production de graines (masting) par les arbres à feuilles caduques. Cette thèse de doctorat visait à déterminer les facteurs abiotiques et biotiques qui influencent la variation saisonnière et interannuelle du DON et du DIN dans un endroit en Suisse où la borréliose de Lyme est endémique.
Sur une période de 15 ans (2004 à 2018), nous avons suivi l'abondance mensuelle de l’espèce de tiques I. ricinus (nymphes et adultes) et leur statut infectieux de B. burgdorferi sl à quatre altitudes différentes sur la montagne de Chaumont à Neuchâtel en Suisse romande. Nous avons collecté des variables climatiques sur le terrain et à partir de stations météorologiques à proximité. Nous avons obtenu des données sur la production de graines de hêtres dans la littérature, car l'abondance des nymphes du genre Ixodes peut augmenter considérablement deux ans après un événement de masting. Nous avons utilisé des modèles linéaires généralisés et une sélection de modèles basée sur l'AIC pour identifier les facteurs écologiques qui influencent la variation interannuelle de la densité des nymphes (DON), la densité des nymphes infectées (DIN) et la prévalence de l'infection nymphale (NIP). Nous avons utilisé des modèles additifs généralisés et une sélection de modèles basée sur l'AIC pour modéliser la phénologie saisonnière bimodale complexe des nymphes de l’espèce de tiques I. ricinus et investigué si cette approche fournit des informations supplémentaires sur les facteurs qui expliquent la variation saisonnière de l'abondance des tiques.
Dans le chapitre 1, nous avons constaté que l'altitude, l'année, les événements de masting deux ans auparavant et l'humidité relative expliquaient ensemble 73,2 % de la variation de nos estimations annuelles du DON. Selon les estimations des paramètres de nos modèles, (i) la densité annuelle de nymphes a presque doublé au cours de la période d'étude de 15 ans, (ii) le changement de l'indice de production de graines de hêtre de 1 à 5 a augmenté l'abondance des nymphes de 86,2% deux années plus tard, et (iii) l'augmentation de l'humidité relative recueillie sur le terrain de 50,0% à 75,0% a diminué l'abondance des nymphes de 46,4% au cours de la même année.
Dans le chapitre 2, nous avons constaté que la variation interannuelle du NIP a diminué de 78% au cours de la période d'étude et ceci s’explique par la moyenne des précipitations de l'année en cours, et la durée pendant laquelle l'extraction d'ADN a été stockée dans le congélateur avant la détection de l'agent pathogène. Le DIN a diminué au cours de la période d'étude aux quatre sites d’altitude différente, mais la diminution n'était significative qu'au site d’altitude supérieure. La variation interannuelle du DIN s'expliquait le mieux par le site d'altitude, l'année, les événements de masting deux ans auparavant et l'humidité relative moyenne de l'année en cours.
Dans le chapitre 3, nous avons constaté que les nymphes de l’espèce de tiques I. ricinus avaient une phénologie bimodale aux trois sites d'altitude inférieure, mais une phénologie unimodale au site d'altitude supérieure. Nous avons également constaté que la variation interannuelle des densités de nymphes de l’espèce de tiques I. ricinus à l'automne et au printemps s'expliquait le mieux par un décalage d'un an par rapport à un décalage de 2 ans avec l'indice de masting des hêtres. L'hypothèse du direct development est la meilleure explication du pic automnal des nymphes de l’espèce de tiques I. ricinus sur notre site d'étude. Notre étude fournit un nouvel aperçu de la phénologie bimodale complexe de cet important vecteur de maladie.
Cette thèse de doctorat a démontré que la production de graines par les arbres à feuilles caduques est un facteur critique de l'abondance saisonnière et interannuelle de l’espèce de tiques I. ricinus, et donc du risque de maladie transmise par les tiques. Ce travail fournit de nouvelles informations sur la phénologie bimodale de l’espèce de tiques I. ricinus, en particulier que l'hypothèse du direct development est la meilleure explication des pics printaniers et automnales des nymphes de I. ricinus.
Abstract
Ticks and tick-borne diseases represent a significant health problem for humans and their companion animals. Tick-borne pathogens cause morbidity and mortality in their vertebrate hosts (including humans). The incidence of Lyme borreliosis and other tick-borne diseases is increasing in Europe and North America. To predict the risk of tick-borne disease, it is critical to understand the ecological factors that determine the abundance of ticks and the density of infected ticks as this variable determines the risk of Lyme borreliosis to vertebrate hosts including humans. In Europe, the sheep tick (Ixodes ricinus) transmits a number of important diseases including Lyme borreliosis, which is caused by the bacterium Borrelia burgdorferi sensu lato (sl). In continental Europe, the nymphal stage of I. ricinus often has a bimodal phenology with a large spring peak and a smaller fall peak. There is consensus about the origin of the spring nymphal peak, but the origin of the fall nymphal peak remains unclear. Two alternative hypotheses predict different time lags (0 year versus 1 year) between the fall peak of the nymphal ticks and the blood meal of the previous stage (larval tick). The feeding success of the larval ticks depends on the density of their small mammal hosts, which in turn, depends on the seed production (masting) by deciduous trees. This PhD thesis aimed to determine the abiotic and biotic factors that influence the seasonal and inter-annual variation in the density of nymphs (DON) and density of infected nymphs (DIN) at a location in Switzerland where Lyme borreliosis is endemic.
Over a 15-year period (2004 to 2018), we monitored the monthly abundance of I. ricinus ticks (nymphs and adults) and their B. burgdorferi sl infection status at four different elevations on Chaumont Mountain in Neuchâtel, western Switzerland. We collected climate variables in the field and from nearby weather stations. We obtained data on beech tree seed production (masting) from the literature, as the abundance of Ixodes nymphs can increase dramatically two years after a masting event. We used generalized linear models and AIC-based model selection to identify the ecological factors that influence inter-annual variation in the DON, DIN and, the nymphal infection prevalence (NIP). We used generalized additive models and AIC-based model selection to model the complex bimodal seasonal phenology of I. ricinus nymphs and whether this approach yields additional insights into the factors that explain seasonal variation in tick abundance.
In chapter 1, we found that elevation, year, masting events two years prior, and relative humidity together explained 73.2% of the variation in our annual estimates of the DON. According to the parameter estimates of our models, (i) the annual density of nymphs almost doubled over the 15-year study period, (ii) changing the beech tree seed production index from 1 to 5 increased the abundance of nymphs by 86.2% two years later, and (iii) increasing the field-collected relative humidity from 50.0% to 75.0% decreased the abundance of nymphs by 46.4% in the same year.
In chapter 2, we found that the inter-annual variation in the NIP decreased by 78% over the study period and was explained by the mean precipitation in the present year, and the duration that the DNA extraction was stored in the freezer prior to pathogen detection. The DIN decreased over the study period at all four elevation sites, but the decrease was only significant at the top elevation. Inter-annual variation in the DIN was best explained by elevation site, year, masting events two years prior, and the mean relative humidity in the present year.
In chapter 3, we found that the I. ricinus nymphs had a bimodal phenology at the three lower elevation sites, but a unimodal phenology at the top elevation site. We also found that the inter-annual variation in the densities of I. ricinus nymphs in the fall and spring were best explained by a 1-year versus a 2-year time lag with the beech tree masting index. The direct development hypothesis is the best explanation for the fall peak of I. ricinus nymphs at our study site. Our study provides new insight into the complex bimodal phenology of this important disease vector.
This PhD thesis demonstrated that masting events by deciduous trees is a critical driver of the seasonal and inter-annual abundance of I. ricinus ticks, and hence the risk of tick-borne disease. This work provides new information on the bimodal phenology of I. ricinus ticks, particularly that the direct development hypothesis is the best explanation for the spring and fall peaks of I. ricinus nymphs. - PublicationAccès libreEvolution of a local population of a multiple-strain pathogen in its vector(2016)
; Dans la plupart des maladies infectieuses, les infections sont causées par différentes souches de la même espèce de pathogène. Ces infections multiples ont des implications importantes pour l'écologie et l'évolution de ces agents pathogènes. La présence de plusieurs souches au même endroit peut en effet conduire à des interactions compétitives qui peuvent avoir un impact fort sur la structure de la population de pathogènes. Dans les maladies à transmission vectorielle, la plupart des recherches sur les interactions entre les souches d’un pathogène se sont concentrées sur l'hôte vertébré, et il y a un manque d'information sur ce qui se passe à l'intérieur du vecteur.
La Borréliose de Lyme est la maladie vectorielle la plus courante dans l'hémisphère nord. Les agents pathogènes sont des bactéries spirochètes qui appartiennent au groupe Borrelia burgdorferi sensu lato et sont transmis entre hôtes vertébrés par les tiques dures du genre Ixodes. En Europe, les deux espèces les plus communes sont Borrelia afzelii et Borrelia garinii, qui sont spécialisés sur différentes classes d'hôtes réservoirs: les petits mammifères et les oiseaux. Chacune de ces deux espèces de Borrelia peut être subdivisées en différentes souches génétiquement distinctes. Les infections multiples causées par plusieurs souches sont communes à la fois chez l'hôte vertébré et chez la tique vectrice. Les souches sont souvent définies en utilisant le gène hautement polymorphe ospC, qui présente un motif de variation génétique particulier. En effet, un groupe majeur d’ospC est un groupe d'allèles d’ospC qui est plus de 8% différent dans sa séquence nucléotidique des autres groupes, alors que les allèles au sein d'un groupe majeur d’ospC sont moins de 2% différentes les unes des autres. Les espèces de Borrelia qui ont été étudiés à ce jour contiennent environ 20 différents groupes majeurs d’ospC.
Dans la littérature, il existe actuellement deux explications pour le maintien du polymorphisme sur le gène ospC : la sélection fréquence-dépendante négative (SFDN) ou le polymorphisme de niches multiples (PNM). La SFDN prédit que les allèles rares ont une meilleure valeur adaptative que les plus communes et devraient donc envahir la population. La PNM prédit que les souches portant les différents groupes majeurs d’ospC sont spécialisées sur différentes espèces d'hôtes, et que c’est la richesse en espèces d’hôtes qui maintient la diversité d’ospC. Nous proposons une troisième explication qui est basée sur des modèles théoriques publiés par Gupta et ses collègues, sur la façon dont une forte immunité acquise croisée chez l'hôte vertébré peut structurer une communauté de multiples souches de pathogène. Cette théorie prédit qu’une forte sélection immunitaire contre des antigènes immuno-dominants obligera les souches pathogènes à s'organiser en un ensemble de sérotypes uniques qui minimisent l'immunité acquise croisée. Ces ensembles de souches distinctes au niveau antigénique peuvent rester stables pendant de longues périodes de temps et la fréquence de chaque souche dépend de sa valeur adaptative intrinsèque.
Dans une première expérience, nous avons utilisé le séquençage 454 afin de caractériser les communautés de souches ospC de B. afzelii et B. garinii dans une population locale de nymphes Ixodes ricinus en quête, pendant une période de 11 ans. Nous avons également utilisé des estimations de la valeur adaptative intrinsèque de six souches de B. afzelii provenant d'une étude précédente d'infection expérimentale de souris de laboratoire. Nous n’avons pas trouvé d'allèles divergents intermédiairement (entre 2 et 8%) dans la population, ce qui suggère que l'immunité acquise croisée de l'hôte vertébré empêche l'invasion de la population par des souches intermédiaires. Chez les deux espèces de Borrelia la communauté des souches était stable pendant 11 ans. Nos estimations expérimentales de la valeur adaptative expliquent 63% de la variation dans les fréquences entre les différentes souches. Nos résultats étaient cohérents avec la théorie de Gupta et ses collègues qui explique comment une forte immunité acquise croisée peut structurer une communauté de multiples souches de pathogènes, mais pas avec les théories SFDN ou PNM.
Dans la deuxième expérience, nous avons utilisé le séquençage 454 et des estimations de la charge en spirochète totale pour estimer la charge en spirochète spécifique de chaque souche ospC dans chaque tique. Nous avons analysé les nymphes en quête infectées soit par B. afzelii, soit par B. garinii, qui avaient été collectées pendant une période de 3 ans dans le même endroit que l'étude précédente.
Nous avons constaté que les tiques ont une capacité de charge fixe entraînant une forte compétition entre les souches. Chez B. afzelii, les souches à la charge en spirochètes la plus élevée dans la tique étaient les souches les plus courantes dans la population de tiques. Chez B. garinii, les souches dont la charge en spirochètes était la moins affectée par la compétition avec d'autres souches étaient les souches les plus courantes dans la population de tiques. Chez les deux espèces de Borrelia, la charge en spirochètes dans la tique est un important trait d'histoire de vie. La compétition entre les souches de Borrelia dans la tique vectrice joue un rôle essentiel dans la structuration de la communauté de ce pathogène.
Dans les deux études, nous avons constaté que les nymphes infectées par une seule espèce de Borrelia contenaient souvent des groupes majeurs d’ospC « exotiques » qui appartenaient à d'autres espèces de Borrelia. Ce résultat est surprenant et révèle l'importance de l'utilisation de méthodes de classification de novo pour analyser les données de séquençage à haut débit. Nous proposons deux explications à la présence de ces groupes majeurs d’ospC exotiques. Il peut y avoir des transferts horizontaux fréquents d’allèles d’ospC entre les différentes espèces de Borrelia, ou les co-infections avec B. afzelii et B. garinii sont d’un ordre de grandeur plus fréquent qu'on ne le pensait.
Ce travail apporte un nouvel éclairage sur l'évolution des communautés de souches multiples de Borrelia et sur l'importance des interactions compétitives entre les souches pathogènes dans l’arthropode vecteur., Mixed-strain infections are the rule rather than the exception in most infectious diseases, and have important implication for the ecology and evolution of pathogens. The presence of multiple strains results in competitive interactions that can have a strong impact on the population structure of the pathogen. In vector-borne diseases, most of the research on competition between pathogen strains has focused on the vertebrate host, and there is a lack of information about what happens inside the arthropod vector.
Lyme borreliosis is the most common vector-borne disease in the northern hemisphere. The causative agents are spirochete bacteria that belong to the group Borrelia burgdorferi sensu lato and that are transmitted among vertebrate host by hard ticks of the genus Ixodes. In Europe, the two most common species are Borrelia afzelii and Borrelia garinii, which are specialized on different classes of reservoir hosts: small mammals and birds, respectively. Each of these two Borrelia species can be further subdivided into genetically distinct strains. Mixed-strain infections are common in both the vertebrate host and the tick vector. Strains are often defined using the highly polymorphic ospC gene, which has a discrete pattern of genetic variation. A major ospC group is a cluster of ospC alleles that is more than 8% divergent in nucleotide sequence from other such clusters, whereas alleles within a major ospC group are less than 2% divergent from each other. The Borrelia species that have been studied to date contain about 20 different major ospC groups.
In the literature, there are currently two explanations for the maintenance of the ospC polymorphism: negative frequency-dependent selection (NFDS) or multiple host-as-niche polymorphism (MNP). NFDS states that rare alleles have a fitness advantage over common ones and should therefore invade the population. MNP states that the strains carrying the different major ospC groups are specialized on different host species, and that it is the host species richness that maintains the ospC diversity. We propose a third explanation that is based on published theoretical models by Gupta and colleagues on how cross-reactive acquired immunity in the vertebrate host can drive the population structure of multiple-strain pathogens. This theory states that strong immune selection against immunodominant antigens will cause the pathogen strains to organize themselves into a set of unique serotypes that minimizes cross-reactive acquired immunity. These sets of antigenically distinct strains can remain stable over long periods of time and the frequency of each strain depends on its intrinsic fitness.
In a first study, we used 454-sequencing to characterize the ospC strain structure of B. afzelii and B. garinii in a local population of questing Ixodes ricinus nymphs over a period of 11 years. We also used estimates of the intrinsic fitness of six strains of B. afzelii from a previous experimental infection study that used laboratory mice.
We did not find any intermediately divergent alleles in the population, which suggested that cross-immunity from the vertebrate host prevents invasion by intermediate strains. In both Borrelia species the community of strains was stable over 11 years. Our laboratory estimates of fitness explained 63% of the variation in the frequencies between the different strains. Our results were consistent with the theory of Gupta and colleagues that explains how strong cross-reactive acquired immunity can structure the community of a multiple strain pathogen, but not with the NFDS or MNP theories.
In the second study, we used 454 sequencing and qPCR estimates of the total spirochete load to estimate the ospC strain-specific spirochete load per tick. We analysed questing nymphs infected by either B. afzelii or B. garinii that had been captured over a period of 3 years in the same location as the previous study.
We found that ticks had a fixed carrying capacity for spirochetes resulting in strong competition between strains. In B. afzelii, strains with the highest spirochete load in the nymphal tick were the most common strains in the tick population. In B. garinii, strains whose spirochete load was least affected by competition with other strains were the most common strains in the tick population. In both Borrelia species, the spirochete load in the tick is an important life history trait. Competition between Borrelia strains in the tick vector plays a critical role in the community structure of this multiple-strain, tick-borne pathogen.
In both studies, we found that nymphs infected with a single Borrelia species often carried ‘exotic’ major ospC groups that belonged to other Borrelia species. This result was surprising and reveals the importance of using de novo clustering methods to analyze highthroughput sequencing data. We propose two explanations for the presence of these exotic major ospC groups. One explanation is frequent horizontal transfer of the ospC groups between the different Borrelia species. The other explanation is that co-infections with B. afzelii and B. garinii are an order of magnitude more common than previously suspected.
This work provides new insights on the evolution of multiple-strain Borrelia populations and on the importance of competitive interactions between pathogen strains in the arthropod vector. - PublicationMétadonnées seulementCross-reactive acquired immunity influences transmission success of the Lyme disease pathogen, Borrelia afzelii(2015-12)
; ; ; Cross-reactive acquired immunity in the vertebrate host induces indirect competition between strains of a given pathogen species and is critical for understanding the ecology of mixed infections. In vector-borne diseases, cross-reactive antibodies can reduce pathogen transmission at the vector-to-host and the host-to-vector lifecycle transition. The highly polymorphic, immunodominant, outer surface protein C (OspC) of the tick-borne spirochete bacterium Borrelia afzelii induces a strong antibody response in the vertebrate host. To test how cross-immunity in the vertebrate host influences tick-to-host and host-to-tick transmission, mice were immunized with one of two strain-specific recombinant OspC proteins (A3, A10), challenged via tick bite with one of the two B. afzelii ospC strains (A3, A10), and infested with xenodiagnostic ticks. Immunization with a given rOspC antigen protected mice against homologous strains carrying the same major ospC group allele but provided little or no cross-protection against heterologous strains carrying a different major ospC group allele. There were cross-immunity effects on the tick spirochete load but not on the probability of host-to-tick transmission. The spirochete load in ticks that had fed on mice with cross-immune experience was reduced by a factor of two compared to ticks that had fed on naive control mice. In addition, strain-specific differences in mouse spirochete load, host-to-tick transmission, tick spirochete load, and the OspC-specific IgG response revealed the mechanisms that determine variation in transmission success between strains of B. afzelii. This study shows that cross-immunity in infected vertebrate hosts can reduce pathogen load in the arthropod vector with potential consequences for vector-to-host pathogen transmission. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved. - PublicationMétadonnées seulementGenetic variation in transmission success of the Lyme borreliosis pathogen Borrelia afzelii(2015)
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