factors shaping the infection success of a - ETH E

DISS. ETH NO. 21333
FACTORS SHAPING THE INFECTION SUCCESS OF A
BUMBLEBEE PARASITE
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
Presented by
GABRIEL OLIVIER CISAROVSKY
MSc., University of Lausanne
Born on 04.03.1986
Citizen of Geneva (GE)
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Paul Schmid-Hempel, examiner
Prof. Dr. Yannick Moret, co-examiner
2013
SUMMARY
Parasites are ubiquitous and of great importance for the maintenance of a healthy
ecosystem. From a human point of view they are, however, also considered as threats
to our welfare as they can cause livestock, crop, and human diseases. Disease
epidemiology and host-parasite dynamics are tightly linked to parasite transmission
mode and heterogeneity in infection outcomes. Uncovering the factors shaping this
variation and determining how they influence it is necessary for accurate
understanding of disease ecology and evolution.
The decline of several wild and commercially reared pollinator populations
worldwide has attracted a lot of attention, as this may potentially threaten both the
functioning of wild ecosystems and human food provisioning. This thesis
concentrates on the bumblebee Bombus terrestris, a key natural and commercial
pollinator, and its most prevalent parasite, the gut trypanosome Crithidia bombi.
Through four experiments relevant to four different stages of the parasite’s life cycle,
I call to attention the need for an improved understanding of the system’s basic life
history, as well as accurate assessment of the ecological relevance of any particular
factor under investigation.
Parasite transmission mode has important implications for the epidemiology of a
disease. Since the demonstration that C. bombi can be transmitted between bumblebee
colonies through shared use of flowers by foraging workers almost twenty years ago,
no attempt has been made to elucidate the underlying mechanisms. Combining
laboratory and field approaches, I demonstrate in the second chapter that the parasite
is unlikely to be transmitted via flower nectar. I suggest that it may rather be
deposited on flower surfaces and transported between host colonies on worker body
parts.
While laboratory experiments under controlled conditions allow for the clear
elucidation of processes, it is not always clear if laboratory findings can be translated
to the field, nor what their ecological relevance is. While an energetic cost of the
activation of the host immune system on various host traits has been demonstrated in
a controlled laboratory environment, I could not detect any such cost in colonies
placed in the field. In particular, an immune challenge did not alter any of the host
traits under investigation (including parasite infection prevalence), whereas additional
food supply drastically improved host fitness (but not parasite infection prevalence).
Without completely excluding the presence of a condition-dependent cost of
immunity, these results thus question the relative ecological relevance of the
phenomenon. Nevertheless, the idea of context dependence in relation to immunity
and host-parasite interactions is one that is rapidly gaining acceptance. While chapter
3 suggests that the environment can in some cases have an overriding effect, chapter 4
suggests that certain outcomes (here, genotype-by-genotype interactions) may be
robust to relevant environmental variation. In this experiment, I investigated the
influence of the parasite environment experienced at the larval stage on adult
resistance. Being reared in an infected environment did not influence adult resistance
against the parasite, neither in a strain-specific nor strain-unspecific way. However,
the genotype-specific interactions between the host and the parasite were maintained,
suggesting that environmental variation does not necessarily lead to variation in
infection outcome in this host-parasite system. Hence, it is necessary to determine
which environmental variation is important, and how it changes infection outcome, to
better predict disease outcomes in nature.
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Finally, recombination has recently been demonstrated to potentially be a major
driver of the enormous C. bombi diversity in natural populations. What influences the
recombination rate and whether recombining confers any sort of advantage to the
parasite remained to be tested. The fifth chapter suggests that a change in host
immune status does not lead to a significant change in the parasite’s recombination
rate. Furthermore, recombinant strains did not seem to have any competitive
advantage over parental strains when infecting new colonies. But the most striking –
and unexplained – finding was that the parasite population of one colony in particular
was disproportionately rich in recombinant strains. The existence of such “superproducing” colonies may have important consequences for the epidemiology of the
parasite as these colonies may disproportionately contribute to infections in the next
generation.
Using the B. terrestris–C. bombi host-parasite system I highlight the importance of
studying different stages of the life cycle, different environments, and attempting to
elucidate ecological relevance to better understand and predict host-parasite dynamics
in the field. Modern molecular methods, laboratory and field experiments, as well as
more classical, descriptive studies, should be combined. Indeed, the careful
integration of these different approaches is necessary to draw any accurate
conclusions on disease epidemiology.
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RÉSUMÉ
Les parasites sont omniprésents et d'une grande importance pour le maintien d'un
écosystème sain. Du point de vue de l’être humain, ils sont toutefois également
considérés comme des menaces pour notre bien-être car ils sont la cause de
nombreuses maladies touchant l’homme, le bétail et les cultures. L’épidémiologie et
la dynamique hôte-parasite sont étroitement liées au mode de transmission du parasite
et l'hétérogénéité dans les résultats de l'infection. Découvrir les facteurs qui
influencent cette variation et déterminer comment ils l’influencent est nécessaire pour
une compréhension précise de l'écologie et l’évolution de la maladie.
Le déclin dans le monde entier des populations de plusieurs espèces de pollinisateurs
sauvages et élevés commercialement a attiré beaucoup d'attention, car cela pourrait
potentiellement menacer à la fois le fonctionnement des écosystèmes sauvages et
l'approvisionnement en nourriture de l'homme. Cette thèse se concentre sur le
bourdon Bombus terrestris, un pollinisateur naturel et commercial clé, et son parasite
la plus répandu, le trypanosome intestinal Crithidia bombi. À travers quatre
expériences pertinentes à quatre étapes différentes du cycle de vie du parasite, j’attire
l'attention sur la nécessité d'une meilleure compréhension de l'histoire de vie de base
du système, ainsi que l'évaluation précise de la pertinence écologique de tout facteur
particulier à l'étude.
Le mode de transmission du parasite a des implications importantes pour
l'épidémiologie de la maladie. Depuis la démonstration que C. bombi peut être
transmis entre les colonies de bourdons à travers l'utilisation partagée des fleurs par
les ouvrières butineuses il y a près de vingt ans, rien n’a été entrepris pour élucider les
mécanismes sous-jacents. En combinant des approches en laboratoire et sur le terrain,
je démontre dans le deuxième chapitre que le parasite est peu susceptible d'être
transmis via le nectar des fleurs. Je suggère qu'il pourrait plutôt être déposé sur des
surfaces de fleurs et transporté entre colonies de l’hôte sur des parties du corps des
ouvrières.
Bien que les expériences en laboratoire dans des conditions contrôlées permettent
l'élucidation claire des processus, il n'est pas toujours clair si les résultats de
laboratoire sont transposables en conditions naturelles, ni quelle est leur pertinence
écologique. Alors que le coût énergétique de l'activation du système immunitaire sur
divers traits de l'hôte a été démontré dans un environnement de laboratoire contrôlé, je
n’ai pas pu détecter un tel coût dans des colonies placées sur le terrain. En particulier,
une stimulation du système immunitaire n’a modifié chez l’hôte aucun des traits à
l’enquête (y compris la prévalence de l'infection parasitaire), tandis que
l'approvisionnement supplémentaire en nourriture a considérablement amélioré la
fitness de l’hôte (mais pas la prévalence de l'infection parasitaire). Sans exclure
totalement la présence d'un coût de l'immunité dépendant de l’environnement, ces
résultats remettent en cause la pertinence écologique relative du phénomène.
Néanmoins, l'idée que la relation entre immunité et interactions hôte-parasite dépende
du contexte gagne rapidement en popularité. Tandis que le chapitre 3 donne à penser
que l'environnement peut dans certains cas avoir un effet prépondérant, le chapitre 4
suggère que certains résultats (ici les interactions entre génotypes) peuvent être
robustes aux variations environnementales. Dans cette expérience, j'ai étudié
l'influence de l'environnement parasitaire rencontré au stade larvaire sur la résistance
des adultes. Être élevés dans un environnement infecté n'a pas influencé la résistance
des adultes contre le parasite, que ce soit de manière spécifique à la souche du
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parasite ou non. Cependant, les interactions spécifiques aux génotypes de l'hôte et du
parasite n’ont pas été altérées, ce qui suggère que la variation de l'environnement ne
conduit pas nécessairement à la variation des résultats d'infection dans ce système
hôte-parasite. Par conséquent, afin de mieux prédire les résultats de la maladie dans la
nature, il est nécessaire de déterminer quelle variation de l'environnement est
importante, et comment cette variation change l'issue de l'infection.
Enfin, il a récemment été démontré que la recombinaison pourrait potentiellement être
un moteur important de l'énorme diversité de C. bombi dans les populations
naturelles. Il restait néanmoins à tester ce qui influence le taux de recombinaison et si
la recombinaison confère un quelconque avantage au parasite. Le cinquième chapitre
suggère qu'un changement de statut immunitaire de l'hôte ne conduit pas à un
changement significatif dans le taux de recombinaison du parasite. Par ailleurs, les
souches recombinantes ne semblent pas avoir un avantage concurrentiel sur les
souches parentales lors de l’infection de nouvelles colonies. Mais la découverte la
plus frappante – et inexpliquée – a été que la population du parasite d'une colonie en
particulier était démesurément riche en souches recombinantes. L'existence de ces
colonies "super-productrices" pourrait avoir des conséquences importantes pour
l'épidémiologie du parasite étant donné que ces colonies pourraient contribuer de
façon disproportionnée aux infections de la prochaine génération.
En me servant du système hôte-parasite B. terrestris–C. bombi je souligne
l'importance d'étudier les différentes étapes du cycle de vie, différents
environnements, et de tenter d'élucider la pertinence écologique afin de mieux
comprendre et prévoir la dynamique hôte-parasite dans la nature. Des méthodes
moléculaires modernes, des expériences en laboratoire et sur le terrain, ainsi que des
études descriptives, plus classiques, doivent être combinées. En effet, l'intégration
attentive de ces différentes approches est nécessaire pour tirer des conclusions
précises sur l'épidémiologie de la maladie.
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