Sarah A. Knutie

1 Departamentul de Biologie Integrativă, Universitatea din Florida de Sud, Tampa, FL, SUA

Christina L. Wilkinson

1 Departamentul de Biologie Integrativă, Universitatea din Florida de Sud, Tampa, FL, SUA

Qiu Chang Wu

2 Departamentul de Biologie Moleculară, Colegiul Colorado, Colorado Springs, CO, SUA

C. Nicole Ortega

1 Departamentul de Biologie Integrativă, Universitatea din Florida de Sud, Tampa, FL, SUA

Jason R. Rohr

1 Departamentul de Biologie Integrativă, Universitatea din Florida de Sud, Tampa, FL, SUA

Abstract

Introducere

Gazdele pot reduce daunele paraziților prin scăderea capacității parazite (rezistența) sau reducerea prejudiciului cauzat de o infecție (virulență) fără a afecta negativ capacitatea parazită (toleranța) (Miller și colab. 2006; Råberg și colab. 2007; Citește și colab. 2008; Medzhitov și colab. 2012; Sears și colab. 2013). Studiile ecologice au constatat că rezistența și toleranța gazdei pot acționa împreună sau singure ca răspuns la parazitism (Sternberg și colab. 2012; Sorci 2013; Sears și colab. 2015; Knutie și colab. 2016), sugerând că relația dintre aceste două apărări poate fi dependent de context. Contextul în care gazdele favorizează una sau ambele apărări ar putea depinde de factori de mediu, precum disponibilitatea resurselor (McKenzie și Townsend 2007; Johnson și colab. 2010; Becker și colab. 2015). De exemplu, disponibilitatea redusă a resurselor poate duce la mai puțină hrană pentru parazit (Kyriazakis și colab. 1998), dar și la o stare de sănătate generală slabă pentru gazdă, care ar putea modifica mecanismele fiziologice și comportamentale legate de apărarea gazdei împotriva paraziților (Cotter și colab. 2011).

Mecanismele de rezistență, cum ar fi răspunsurile imune, necesită investiții energetice de către gazdă (Citește și colab. 2008; Rohr și colab. 2010) și, prin urmare, sunt dependente de resurse. De exemplu, gazdele pe o dietă suplimentată pot fi mai rezistente la paraziții lor decât gazdele pe o dietă nesuplimentată (Cornet et al. 2014), probabil pentru că au mai multă energie pentru a investi în mecanisme de rezistență. Studiile s-au concentrat asupra interacțiunilor dintre starea nutrițională și rezistența imunologică, deoarece funcția imunitară poate fi dependentă de condiție (revizuită de Sheldon și Verhulst 1996; Lochmiller și Deerenberg 2000); aceste studii demonstrează că răspunsurile imune pot fi costisitoare din punct de vedere energetic și numai gazdele în stare bună pot fi fiziologic capabile să investească pe scară largă în aceste mijloace de apărare (Svensson și colab. 1998). Cu toate acestea, mecanismele de rezistență, cum ar fi inflamația, pot avea un cost, deoarece pot provoca daune colaterale gazdelor (Sears și colab. 2011; Cornet și colab. 2014).

Efectul disponibilității resurselor asupra rezistenței gazdei animale și toleranței paraziților ar putea depinde, de asemenea, dacă paraziții se hrănesc cu resursele consumate de gazdă sau dacă parazitul se hrănește cu țesut gazdă. Pentru multe specii gazdă de vertebrate, disponibilitatea mai mare de alimente scade abundența paraziților care consumă țesut gazdă (Cressler și colab. 2014), ceea ce sugerează că aceste gazde investesc resurse suplimentare pentru a rezista paraziților lor și deteriorării țesuturilor asociate. În contrast, disponibilitatea crescută a hranei pentru alte gazde animale, cum ar fi Daphnia, favorizează o toleranță crescută a paraziților cu care împart hrana, probabil pentru că mai multă hrană atât pentru gazdă cât și pentru parazit reduce concurența (Vale și colab. 2011). Tipul de resursă pe care paraziții îl consumă și/sau dăunează poate depinde și de stadiul infecției. La rândul lor, gazdele ar putea investi în diferite strategii de apărare bazate pe stadiul infecției, care probabil se modifică odată cu disponibilitatea resurselor (Howick și Lazzaro 2014). Împreună, aceste studii sugerează că tipul de resursă exploatată de parazit, care depinde probabil de stadiul infecției, ar putea determina modul în care disponibilitatea resurselor influențează toleranța gazdei animale și rezistența parazitismului.

Scopul studiului nostru a fost de a determina efectul disponibilității resurselor alimentare asupra rezistenței gazdei și toleranței paraziților. Am studiat un nematod parazit Aplectana sp. care infectează broaștele cubaneze (Osteopilus septentrionalis) (Ortega și colab. 2015). Aplectana sp. are un ciclu de viață direct: larvele juvenile pătrund în pielea broaștei și apoi, în aproximativ trei săptămâni, se stabilesc, se maturizează și se reproduc în tractul gastro-intestinal (GI). Ouăle și larvele de vierme (sunt ovovivipare) sunt defecate de broaște și, după aproximativ o săptămână de dezvoltare, tinerii pot infecta următoarea gazdă. Avantajele acestui sistem pentru abordarea rolului resurselor asupra infecției și bolilor sunt multiple. În primul rând, ciclurile de viață directe fac manipulările experimentale ale paraziților din gazdă mai simple decât paraziții cu cicluri de viață complexe (indirecte). În al doilea rând, stadiul de viață liberă a acestui parazit nu are acces la alimentele consumate de gazdă atunci când încearcă să pătrundă în pielea gazdei, dar are acces după intrarea în tractul GI al unei gazde; acest lucru ne permite să evaluăm modul în care resursele gazdei afectează rezistența și toleranța gazdei, independent de efectele resurselor alimentare asupra infecției.

rezistența

Predicții pentru efectul disponibilității resurselor asupra relației dintre sănătatea gazdei și abundența paraziților. a) Când numai gazdele au acces la resurse alimentare, gazdele cu resurse mari (linie continuă) vor avea mai puțini paraziți decât gazdele cu resurse mici (linie punctată). b) Odată ce infecția s-a stabilit, gazdele cu resurse mari vor fi mai tolerante la efectele paraziților în comparație cu gazdele cu resurse reduse (Figura modificată din Råberg și colab. 2007).

Materiale și metode

Mormolocurile cubaneze de broască de copac au fost colectate din grădinile botanice ale Universității din Florida de Sud (USF) și aduse în captivitate la facilitățile pentru animale ale USF. Lăstarii au fost menținuți în apa iazului până când au ajuns la metamorfoză și apoi au fost așezați în cupe individuale (6 cm înălțime × 12 cm diametru) cu Sphagnum sp umed. mușchi. Toate broaștele juvenile au fost menținute în laborator (12h ciclu lumină-întuneric, 22 ° C) hrănite cu greieri (ad libitum) până au început experimentele, care au avut loc la aproximativ două luni după metamorfoză. Toate greierele au fost ușor și uniform prăfuite cu un vârf de multivitamine Rep-cal® și pulbere de calciu înainte de a fi date broaștelor.

La trei săptămâni după expunerea la viermi Aplectana, broaștele au fost eutanasiate și s-a recoltat o probă de sânge pentru testul imun mediat de anticorpi. Broaștele au fost, de asemenea, necropsiate pentru a număra numărul de viermi din tractul lor GI. Trei săptămâni este cantitatea estimată de timp pentru ca viermii să pătrundă în gazdă, apoi să stabilească și să înceapă să consume resurse din intestinul broaștelor, precum și atunci când detectăm un răspuns imun de vârf mediat de anticorpi la broaște (observația personală S. Knutie ).

Broaștele au fost cântărite până la cea mai apropiată miimi de gram (g) în ziua în care broaștele: 1) au început tratamentul dietetic, 2) au fost infectate și 3) au fost eutanasiate. Toleranța gazdei poate fi cuantificată ca normă de reacție între abundența parazitului și fitnessul gazdei (de exemplu, supraviețuirea), dar mulți paraziți au efecte sub-letale, mai degrabă decât letale, asupra gazdei lor. Prin urmare, în cazul în care efectul tratamentului asupra supraviețuirii nu este semnificativ, am cuantificat și toleranța gazdei ca normă de reacție între abundența paraziților și masa corpului gazdă. Masa corporală a animalelor adulte captive poate să nu fie echivalentă cu masa corporală a acelorași animale în sălbăticie; cu toate acestea, am folosit masa corporală ca metrică a sănătății gazdei, deoarece broaștele din experimentul nostru erau încă în creștere (2 = 18,03, df = 1, P 2 = 13,15, df = 1, P 2 = 4,91, df = 1, P = 0,03) comparativ cu broaștele cu o dietă cu resurse scăzute.

Efectul resurselor asupra rezistenței gazdei împotriva pătrunderii inițiale a viermilor și instalării în intestin. a) Broaștele cu o dietă cu resurse scăzute au fost pătrunse de proporțional mai mulți viermi comparativ cu broaștele cu o dietă cu resurse scăzute (n = 15 pentru fiecare tratament); b) Modificarea proporțională a masei a fost legată negativ de proporția de viermi care au pătruns în broaște; c) broaștele cu o dietă bogată în resurse au avut proporțional mai mulți viermi stabiliți în intestinele broaștelor (din numărul care a pătruns) comparativ cu broaștele cu o dietă cu resurse scăzute; d) numărul total de viermi stabiliți în intestin nu a diferit semnificativ între tratamente. Fiecare panou afișează mijloace (± 1 SE).

Broaștele infectate au avut un răspuns anticorp semnificativ mai mare față de Aplectana comparativ cu broaștele neinfectate (GLM, χ 2 = 16,02, df = 1, P 2 = 6,46, df = 1, P = 0,01; Fig. 3a). Când am controlat numărul de viermi din intestin, am găsit un efect semnificativ al tratamentului asupra nivelurilor de anticorpi (GLM, χ 2 = 4,57, df = 1, P = 0,03; Fig. 3b) cu broaște pe o dietă cu resurse scăzute producând un răspuns mai mare de anticorpi mediate în comparație cu gazdele pe o dietă bogată în resurse.

Relația dintre răspunsul imun mediat de anticorpi și parazitism în cadrul tratamentelor dietetice. a) Abundența de paraziți a fost pozitiv legată de nivelurile de anticorpi pentru dieta cu resurse scăzută (linie punctată) și mare (linie solidă); b) broaștele cu dietă bogată în resurse au avut niveluri mai mici de anticorpi (valori ale densității optice (OD)) comparativ cu broaștele cu dietă cu resurse scăzute (dietă cu resurse scăzute: n = 14 broaște, dietă cu resurse ridicate: n = 15 broaște). Mijloacele sunt afișate cu ± 1 SE.

Pentru al doilea experiment, toate broaștele expuse intenționat la viermi larvați au fost infectate cu cel puțin trei viermi adulți în intestin (medie ± SE = 10,46 ± 1,14 viermi, interval 3-15); în continuare, aceste broaște sunt denumite broaște parazitate. Nu am găsit nicio dovadă a infecțiilor la broaștele noastre de control și, prin urmare, acestea sunt denumite broaște neparazitate. Parazitismul nu a afectat în mod semnificativ supraviețuirea (non-parazitat: 12/15 a supraviețuit; parazitat: 9/15 a supraviețuit; Pericol proporțional Cox, χ 2 = 1,31, df = 1, P = 0,25) și numai broaștele care au trăit cel puțin unul săptămâna după expunerile la viermi sau falsuri au fost incluse în analizele noastre de schimbare de masă.

Broaștele parazitate au defecat mai frecvent decât broaștele neparazitate (GLM, χ 2 = 6,17, df = 1, P = 0,01; Fig. 4a), dar masa oricărei mișcări intestinale individuale nu a diferit semnificativ între grupurile parazitate și cele neparazitate (medie ± SE: 0,02 ± 0,004 g, respectiv 0,02 ± 0,01 g; GLM, χ 2 = 0,71, df = 1, P = 0,40). În cadrul a două teste de hrănire, broaștele parazitate au consumat cu 52% mai multe greieri decât broaștele neparazitate (GLMM, Parazitism: χ 2 = 7,95, df = 1, P = 0,005, Proces: χ 2 = 0,40, df = 1, P = 0,53, Interacțiune: χ 2 = 0,01, df = 1, P = 0,91; Fig. 4b). Această rată crescută de hrănire a dus la o interacțiune între parazitism și dietă la schimbarea proporțională a masei (GLMM, χ 2 = 3,94, df = 1, P = 0,05). În timpul studiilor de manipulare a resurselor, atât broaștele parazitate, cât și cele neparazitate au câștigat masă pe o dietă bogată în resurse și broaștele parazitate pe o dietă cu resurse scăzute au pierdut masa (Fig. 4c). Rezultate similare au fost obținute la luarea în considerare a numărului real de viermi pe broască. La o dietă bogată în resurse, broaștele nu și-au pierdut masa ca răspuns la creșterea abundenței de paraziți, în timp ce la o dietă cu resurse scăzute, masa broaștei a scăzut semnificativ odată cu creșterea încărcăturilor de paraziți (GLMM, χ 2 = 4,82, df = 1, P = 0,03; . 4d).

Efectul resurselor asupra toleranței gazdei la parazitism după infectare sa stabilit. a) Broaștele parazitate au defecat semnificativ mai des (n = 11) decât broaștele neparazitate (n = 13); b) Numărul mediu (± SE) de greieri mâncați de broaște neparazitate (n = 13) și parazitate (n = 11) după două zile și în două probe; c) Modificarea proporțională medie (± SE) a masei broaștei între săptămâni în timpul accesului ridicat la alimente sau de la accesul mare la scăzut la alimente (parazitat, studiu 1: n = 11 broaște, studiu 2: n = 9; neparazizat, studiu 1: n = 13, încercarea 2: n = 12). O valoare zero indică nicio modificare a masei, în timp ce o valoare pozitivă indică o creștere, iar o valoare negativă indică o scădere a masei. Broaștele neparazitate și parazitate cărora li s-a oferit o dietă bogată în resurse au câștigat masă; atunci când urmează o dietă cu resurse scăzute, broaștele parazitate pierd pierderea masei; d) Toleranța broaștelor la viermii Aplectana pe diete cu resurse mari și mici. În timp ce urmați o dietă bogată în resurse (puncte negre și linie), masa nu a variat semnificativ în funcție de abundența paraziților. În schimb, masa a scăzut odată cu creșterea abundenței de paraziți pe o dietă cu resurse scăzute (puncte gri și linie) la aceleași broaște.

Discuţie

O dietă bogată în resurse a favorizat rezistența gazdei la penetrarea pielii de către parazit, precum și toleranța gazdei în timp ce paraziții călătoreau către intestin. Aceste rezultate sugerează că fie costul rezistenței în timpul pătrunderii viermilor are un efect de durată asupra sănătății broaștelor, fie că broaștele suferă un cost energetic suplimentar în timp ce viermii se deplasează către intestin. Nu am cuantificat mecanismul de rezistență în stadiul de penetrare a pielii, dar broaștele au investit probabil într-un răspuns inflamator pentru a preveni penetrarea viermilor. Inflamația poate fi costisitoare cauzând daune colaterale gazdei (Sears și colab. 2011; Adelman și colab. 2013). Prin urmare, broaștele cu o dietă bogată în resurse ar putea fi mai capabile să repare daunele colaterale sau să recupereze energia pierdută în timpul etapei de penetrare a pielii, comparativ cu broaștele cu resurse mai puține. Un viitor studiu ar putea determina dacă broaștele investesc într-un răspuns inflamator la viermi prin cuantificarea numărului de celule epidermice și imigrația leucocitelor pe piele (Owen și colab. 2009) și apoi testează dacă disponibilitatea resurselor mediază efectul răspunsului inflamator asupra sănătății gazdei în timp ce infecția se stabilește.

O dietă bogată în resurse a favorizat, de asemenea, toleranța gazdei după ce infecția stabilită în intestin și viermii au avut acces la resursele alimentare. Alte studii au descoperit, de asemenea, că disponibilitatea mai mare a resurselor poate crește toleranța gazdei la paraziți (Sternberg și colab. 2012; Howick și Lazzaro 2014). De exemplu, Vale și colab. (2011) au constatat că pe o dietă bogată în resurse, competiția pentru resursele alimentare între gazdele Daphnia și paraziții lor bacterieni a fost redusă, permițând o toleranță crescută a gazdei. În plus, rata metabolică inițială a gazdelor poate crește în răspunsurile la parazitism (Connors și Nickol 1991; Careau și colab. 2010) și, la rândul său, gazdele pot crește aportul de alimente pentru a compensa energia pierdută de parazitism (adică „ipoteza compensării resurselor”; Christe și colab. 1996; Tripet și Richner 1997; Murray și colab. 1998). Cu toate acestea, compensarea resurselor vine probabil cu un cost pentru gazde. De exemplu, creșterea activității de hrănire poate duce la rate de prădare mai mari, investiții mai mici în succesul reproducerii și expunere mai mare la paraziți (Anholt și Werner 1995; Ezenwa 2004). Cu toate costurile potențiale ale creșterii activității de hrănire, de ce gazdele cresc hrana după ce infecția s-a stabilit în loc să scadă eforturile de hrănire pentru a muri de foame (adică a rezista) parazitului? Este probabil deoarece costul pierderii de masă este mai mare decât costul încercării de eliminare a paraziților, dar această ipoteză nu a fost explorată în studiul nostru.

Toleranța gazdei împotriva paraziților influențează probabil dinamica bolii. Când resursele sunt abundente, rezultatele noastre sugerează că toleranța gazdei la parazitism crește mai mult decât rezistența. Prin urmare, virulența ar putea fi relativ scăzută, ceea ce ar putea permite paraziților să persiste în număr mare (Beldomenico și Begon 2010). Pe măsură ce resursele sunt epuizate, se anticipează că efectele parazitismului se vor intensifica, crescând mortalitatea gazdelor indusă de paraziți și rezistența gazdelor supraviețuitoare la noi infecții și scăzând astfel abundența paraziților. Disponibilitatea resurselor nu a afectat numărul total de viermi stabiliți în intestin. Cu toate acestea, resursele pot afecta succesul reproducerii sau biomasa (adică măsurarea virulenței pentru macroparazite) a paraziților și, astfel, în timp, numărul paraziților poate crește pe măsură ce toleranța gazdei crește în populație (Vale și colab. 2011). Nu am cuantificat fecunditatea sau biomasa viermilor la broaște în condiții de resurse diferite, dar această întrebare ar putea fi abordată în viitor.

Studiul nostru este printre primele care demonstrează experimental că resursele afectează toleranța gazdei și/sau rezistența paraziților în diferite stadii ale infecției. Aceste rezultate evidențiază valoarea partiționării efectelor schimbărilor de resurse asupra gazdei și parazitului pentru a: 1) înțelege mai bine efectele directe ale resurselor asupra fiecărei specii și efectul net al resurselor asupra interacțiunii și 2) relevă faptul că disponibilitatea resurselor afectează diferențial apărarea gazdei în diferite stadii ale procesului de infecție. Disponibilitatea resurselor fluctuează adesea cu mediul dinamic, inclusiv hrănirea suplimentară a faunei sălbatice de către oameni și probabil joacă un rol semnificativ în modificarea interacțiunilor gazdă-parazit (Becker și colab. 2015). Prin urmare, înțelegerea complexității interacțiunilor gazdă-parazit în alte sisteme, precum și modul de gestionare a bolii ar trebui să implice studierea apărării gazdei în timpul diferitelor etape ale infecției, manipulând sau controlând disponibilitatea resurselor.

Mulțumiri

Îi mulțumim lui Jeb Owen pentru sfaturi privind protocolul de imunotest. Această cercetare a fost susținută de subvenții de la National Science Foundation (EF-1241889), National Institutes of Health (R01GM109499, R01TW010286), US Department of Agriculture (NRI 2006-01370, 2009-35102-0543) și US Environmental Protection Agency CAREER 83518801) către JRR și British Ecological Society (5599-6643) către SAK. CNO a fost susținut de o bursă de cercetare absolventă a National Science Foundation. QCW a fost susținut de Programul de identificare timpurie al cercetării de vară a Leadership Alliance. Autorii nu declară niciun conflict de interese.