Стійкість до господаря та переносимість паразитичних кишкових червів залежать від наявності ресурсів

Сара А. Кнути

1 Кафедра інтегративної біології, Університет Південної Флориди, Тампа, Флорида, США

Крістіна Л. Вілкінсон

1 Кафедра інтегративної біології, Університет Південної Флориди, Тампа, Флорида, США

Цю Чанг Ву

2 Кафедра молекулярної біології, Колорадо-коледж, Колорадо-Спрінгс, Колорадо, США

C. Ніколь Ортега

1 Кафедра інтегративної біології, Університет Південної Флориди, Тампа, Флорида, США

Джейсон Р. Рор

1 Кафедра інтегративної біології, Університет Південної Флориди, Тампа, Флорида, США

Анотація

Вступ

Господарі можуть зменшити шкоду від паразитів, зменшуючи придатність паразитів (стійкість) або зменшувати шкоду, яку завдає інфекція (вірулентність), не негативно впливаючи на придатність паразитів (толерантність) (Miller et al. 2006; Råberg et al. 2007; Read et al. 2008; Medzhitov et al. 2012; Sears et al. 2013). Екологічні дослідження показали, що стійкість та толерантність господаря можуть діяти як разом, так і поодинці у відповідь на паразитизм (Sternberg et al. 2012; Sorci 2013; Sears et al. 2015; Knutie et al. 2016), вказуючи на те, що взаємозв'язок цих двох захисних сил може залежати від контексту. Контекст, в якому господарі віддають перевагу одному або обом захисним спорудам, може залежати від факторів навколишнього середовища, таких як наявність ресурсів (McKenzie and Townsend 2007; Johnson et al. 2010; Becker et al. 2015). Наприклад, низька доступність ресурсів може призвести до меншої кількості їжі для паразита (Kyriazakis et al., 1998), а також до погіршення загального стану здоров’я господаря, що може змінити фізіологічні та поведінкові механізми, пов’язані з захистом господаря від паразитів (Cotter et al. 2011).

Механізми опору, такі як імунна реакція, вимагають енергійних вкладень з боку господаря (Read et al. 2008; Rohr et al. 2010) і, отже, залежать від ресурсів. Наприклад, господарі на дієті з додатковим харчуванням можуть бути більш стійкими до своїх паразитів, ніж господарі, які харчуються без їжі (Cornet et al. 2014), імовірно тому, що вони мають більше енергії, щоб інвестувати в механізми опору. Дослідження зосереджувались на взаємодії між харчовим статусом та імунологічною резистентністю, оскільки імунна функція може залежати від стану (розглянуто Шелдоном та Верхулстом 1996; Лохміллер та Діренберг 2000); ці дослідження демонструють, що імунна реакція може бути енергетично дорогою для виробництва, і лише господарі у хорошому стані можуть бути фізіологічно здатними широко інвестувати в ці захисні засоби (Svensson et al. 1998). Однак механізми опору, такі як запалення, можуть коштувати дорого, оскільки вони можуть завдати побічної шкоди господарям (Sears et al. 2011; Cornet et al. 2014).

Вплив доступності ресурсів на стійкість та переносимість паразитів тварин-господарів може також залежати від того, чи харчуються паразити ресурсами, що споживаються господарем, чи паразит харчується тканиною хазяїна. Для багатьох видів хребетних господарів вища доступність їжі зменшує кількість паразитів, які споживають тканину господаря (Cressler et al. 2014), що свідчить про те, що ці господарі інвестують додаткові ресурси, щоб протистояти своїм паразитам та пов'язаним з ними пошкодженням тканин. Навпаки, збільшення доступності їжі для інших тварин-господарів, таких як дафнія, сприяє підвищеній толерантності до паразитів, з якими вони діляться їжею, ймовірно, тому, що більше їжі як для господаря, так і для паразита зменшує конкуренцію (Vale et al. 2011). Тип ресурсу, який паразити споживають та/або завдають шкоди, також може залежати від стадії зараження. У свою чергу, господарі можуть інвестувати в різні стратегії захисту, засновані на стадії зараження, яка, ймовірно, змінюється залежно від наявності ресурсів (Howick and Lazzaro 2014). Разом ці дослідження дозволяють припустити, що тип ресурсу, що експлуатується паразитом, який, ймовірно, залежить від стадії зараження, може визначити, як доступність ресурсів впливає на толерантність до тваринного хазяїна та стійкість до паразитизму.

Метою нашого дослідження було визначити вплив доступності харчових ресурсів на стійкість хазяїна та толерантність до паразитів. Ми вивчали паразитичну нематоду Aplectana sp. що заражає кубинських деревних жаб (Osteopilus septentrionalis) (Ortega et al. 2015). Aplectana sp. має прямий життєвий цикл: неповнолітні личинки проникають через шкіру жаб, а потім приблизно через три тижні закріплюються, дозрівають і розмножуються в шлунково-кишковому тракті. Яйця глистів і личинки (вони є яйцеживородящими) випорожнюються жабами, і приблизно через тиждень розвитку молоді можуть заразити наступного господаря. Переваги цієї системи для вирішення ролі ресурсів у зараженні та хворобах різноманітні. По-перше, прямі життєві цикли роблять експериментальні маніпуляції паразитами у господаря більш простими, ніж паразити зі складними (непрямими) життєвими циклами. По-друге, стадія вільного проживання цього паразита не має доступу до їжі, яку споживає господар при спробі проникнення через шкіру господаря, але має доступ після потрапляння в шлунково-кишковий тракт господаря; це дозволяє нам оцінити, як ресурси господаря впливають на стійкість та толерантність господаря, незалежно від впливу харчових ресурсів на інфекцію.

Прогнози щодо впливу доступності ресурсів на взаємозв’язок між здоров’ям господаря та чисельністю паразитів. а) Коли доступ до продовольчих ресурсів мають лише господарі, у господарів з високими ресурсами (суцільна лінія) буде менше паразитів, ніж у господарів з низькими ресурсами (пунктирна лінія). b) Як тільки інфекція виявиться, господарі з високими ресурсами будуть більш толерантними до впливу паразитів порівняно з господарями з низькими ресурсами (Рисунок змінено з Råberg et al. 2007).

Матеріали і методи

Пуголовки кубинських деревних жаб були зібрані з Ботанічного саду Університету Південної Флориди (США) і доставлені в полон на території тваринницьких установ США. Пуголовки витримували у воді ставу, поки вони не досягли метаморфози, а потім поміщали в окремі чашки (висота 6 см × діаметр 12 см) з вологим Sphagnum sp. мох. Всіх неповнолітніх жаб утримували в лабораторії (12-годинний цикл світло-темрява, 22 ° C), годуючи цвіркунів (ad libitum) до початку експериментів, що відбулося приблизно через два місяці після метаморфози. Всі цвіркуни були злегка і рівномірно припудрені щіпкою полівітамінів та порошку кальцію Rep-cal®, перш ніж їх давали жабам.

Через три тижні після впливу глистів Aplectana жаб евтаназували та відібрали зразок крові для імунного аналізу, опосередкованого антитілами. Також проводили розтин жаб, щоб підрахувати кількість глистів у їх шлунково-кишковому тракті. Три тижні - це передбачувана кількість часу, щоб глисти проникли до хазяїна, потім встановили і почали споживати ресурси з кишечника жаб, а також коли ми виявляємо пік імунної відповіді, опосередкованої антитілами, у жаб (особисте спостереження С. Кнуті ).

Жаб зважували з точністю до тисячної частини грама (г) в день, коли жаби: 1) розпочали дієтичне лікування, 2) були заражені та 3) були евтаназовані. Толерантність до господаря можна кількісно визначити як норму реакції між чисельністю паразитів та придатністю хазяїна (наприклад, виживання), але багато паразитів мають сублетальний, а не летальний вплив на свого господаря. Отже, у випадку, якщо вплив лікування на виживання не є значним, ми також кількісно визначили толерантність до господаря як норму реакції між чисельністю паразитів та масою тіла господаря. Маса тіла дорослих тварин, що перебувають у неволі, може не бути еквівалентною масі тіла тих самих тварин у дикій природі; однак ми використовували масу тіла як метрику здоров'я господаря, оскільки жаби в нашому експерименті все ще зростали (2 = 18,03, df = 1, P 2 = 13,15, df = 1, P 2 = 4,91, df = 1, P = 0,03) порівняно з жабами на дієті з низьким рівнем ресурсів.

Вплив ресурсів на опір хазяїна проти початкового проникнення та встановлення черв’яків у кишечнику. а) низькоресурсні жаби-дибки проникали пропорційно більшою кількістю хробаків порівняно з високоресурсними дієтичними жабами (n = 15 для кожного лікування); б) Пропорційна зміна маси негативно пов’язана з часткою черв’яків, які проникли в жаб; в) високоенергетичні дієтичні жаби мали пропорційно більше червів у кишках жаб (із числа тих, що проникли) порівняно з низькоресурсними дієтичними жабами; г) загальна кількість глистів, що встановилися в кишечнику, не відрізнялася суттєво в різних видах лікування. На кожній панелі відображаються засоби (± 1 SE).

Інфіковані жаби виявили значно вищу реакцію антитіл на Aplectana порівняно з неінфікованими жабами (GLM, χ 2 = 16,02, df = 1, P 2 = 6,46, df = 1, P = 0,01; рис. 3а). Коли ми контролювали кількість глистів у кишечнику, ми виявили значний вплив лікування на рівень антитіл (GLM, χ 2 = 4,57, df = 1, P = 0,03; рис. 3б) жабами на дієті з низькими ресурсами, що виробляє більш висока відповідь антитіла-опосередкована в порівнянні з господарями на дієті з високими ресурсами.

Взаємозв'язок між імунною реакцією, опосередкованою антитілами, та паразитизмом у різних дієтичних процедурах. а) Рясність паразитів позитивно пов’язана з рівнем антитіл при дієті з низьким (пунктирною лінією) та високим (суцільна лінія); б) високоякісні дієтичні жаби мали нижчий рівень антитіл (значення оптичної щільності (OD)) порівняно з низькоресурсними дієтичними жабами (низькоресурсна дієта: n = 14 жаб, високоресурсна дієта: n = 15 жаб). Засоби відображаються з ± 1 SE.

У другому експерименті всі жаби, навмисно піддані впливу личинок, були заражені принаймні трьома дорослими черв’яками в кишечнику (середнє значення ± SE = 10,46 ± 1,14 хробака, діапазон 3–15); надалі цих жаб називають жабами-паразитами. Ми не знайшли жодних доказів зараження у наших контрольних жаб, і, отже, їх далі називають непаразитованими жабами. Паразитизм суттєво не впливав на виживання (непаразитовані: 12/15 вижили; паразитовані: 9/15 вижили; пропорційна небезпека Кокса, χ 2 = 1,31, df = 1, P = 0,25), і лише жаби, які жили принаймні одну тиждень після того, як в наші аналізи масових змін було включено вплив хробаків чи підставних.

Паразитовані жаби випорожнювались частіше, ніж непаразитовані жаби (GLM, χ 2 = 6,17, df = 1, P = 0,01; рис. 4а), але маса будь-якого окремого випорожнення кишечника суттєво не відрізнялася між паразитованими та непаразитованими групами (середнє значення ± SE: 0,02 ± 0,004 г, 0,02 ± 0,01 г відповідно; GLM, χ 2 = 0,71, df = 1, P = 0,40). У ході двох випробувань годування паразитовані жаби споживали на 52% більше цвіркунів, ніж непаразитовані жаби (GLMM, Паразитизм: χ 2 = 7,95, df = 1, P = 0,005, Випробування: χ 2 = 0,40, df = 1, P = 0,53, Взаємодія: χ 2 = 0,01, df = 1, P = 0,91; рис. 4б). Це збільшення швидкості годування призвело до взаємодії між паразитизмом та дієтою при пропорційній зміні маси (GLMM, χ 2 = 3,94, df = 1, P = 0,05). Під час випробувань маніпуляцій з ресурсами як паразитовані, так і непаразитовані жаби набирали масу на дієті з високим вмістом ресурсів, а паразитовані жаби на дієті з низькими ресурсами втрачали масу (рис. 4в). Подібні результати були отримані при розгляді фактичної кількості глистів на жабу. На високоенергетичній дієті жаби не втрачали маси у відповідь на збільшення чисельності паразитів, тоді як на дієті з низьким ресурсом маса жаб значно зменшувалась із збільшенням навантаження паразитами (GLMM, χ 2 = 4,82, df = 1, P = 0,03; Рис. . 4г).

Вплив ресурсів на толерантність до паразитизму після зараження встановлено. а) Паразитовані жаби випорожнюються значно частіше (n = 11), ніж непаразитовані жаби (n = 13); b) Середня (± SE) кількість цвіркунів, з’їдених непаразитованими (n = 13) та паразитованими (n = 11) жабами через два дні та протягом двох випробувань; в) Середня (± SE) пропорційна зміна маси жаб між тижнями під час високого доступу до їжі або від високого до низького доступу до їжі (паразитоване, випробування 1: n = 11 жаб, випробування 2: n = 9; непаразитоване, випробування 1: n = 13, випробування 2: n = 12). Нульове значення вказує на відсутність зміни маси, тоді як позитивне - на збільшення, а негативне - на зменшення маси. Непаразитовані та паразитовані жаби, яким забезпечували високоенергетичний раціон, набирали маси; на дієті з низьким рівнем харчування паразитовані жаби втрачають масу; г) Толерантність жаб до глистів Aplectana при дієтах з високим та низьким рівнем ресурсів. На високоенергетичній дієті (чорні точки та лінія) маса не суттєво змінювалася залежно від кількості паразитів. Навпаки, маса зменшувалась із збільшенням чисельності паразитів при низькоресурсному харчуванні (сірі точки та лінія) у тих самих жаб.

Обговорення

Дієта з високими ресурсами сприяла стійкості господаря до проникнення паразитом шкіри, а також толерантності до господаря, коли паразити подорожували до кишечника. Ці результати дозволяють припустити, що або вартість опору під час проникнення черв’яків має тривалий вплив на здоров’я жаб, або що жаби страждають додатковими енергетичними витратами, поки черви подорожують до кишечника. Ми не визначили кількісно механізм опору на стадії проникнення в шкіру, але жаби, ймовірно, інвестували в запальну реакцію, щоб запобігти проникненню глистів. Запалення може коштувати дорого, заподіюючи побічну шкоду господареві (Sears et al. 2011; Adelman et al. 2013). Отже, жаби, які харчуються високоенергетичною дієтою, могли б краще відшкодувати побічні збитки або відновити втрачену енергію на етапі проникнення шкіри в порівнянні з жабами з меншою кількістю ресурсів. Подальше дослідження може визначити, чи вкладають жаби в запальну реакцію на глистів, визначаючи кількість клітин епідерми та імміграцію лейкоцитів на шкіру (Owen et al. 2009), а потім перевірити, чи доступність ресурсів опосередковує вплив запальної реакції на здоров'я господаря інфекція встановлює.

Високоресурсна дієта також сприяла переносимості господаря після того, як інфекція, встановлена в кишечнику, і глисти мали доступ до харчових ресурсів. Інші дослідження також виявили, що більша доступність ресурсів може підвищити толерантність до паразитів до господаря (Sternberg et al. 2012; Howick and Lazzaro 2014). Наприклад, Vale et al. (2011) виявили, що на високоенергетичній дієті конкуренція за харчові ресурси між господарями дафній та їх бактеріальними паразитами була зменшена, що дозволило підвищити толерантність до господаря. Крім того, початкова швидкість метаболізму господарів може збільшуватися у відповідях на паразитизм (Connors and Nickol 1991; Careau et al. 2010), і, в свою чергу, господарі можуть збільшувати споживання їжі, щоб компенсувати втрачену паразитизмом енергію (тобто, "гіпотеза про компенсацію ресурсів"; Кріст та ін. 1996; Tripet і Richner 1997; Мюррей та ін. 1998). Однак компенсація ресурсів, ймовірно, коштує для хостів. Наприклад, посилена активність пошуку корму може призвести до вищих показників хижацтва, зниження інвестицій у репродуктивний успіх та вищого впливу паразитів (Anholt and Werner 1995; Ezenwa 2004). Чому, незважаючи на всі потенційні витрати на посилену видобуток їжі, господарі збільшують видобуток їжі після встановлення інфекції, замість того, щоб зменшувати зусилля, спрямовані на голодування (тобто протистояти) паразиту? Ймовірно, оскільки вартість втрати маси перевищує вартість спроби очистити паразитів, але ця гіпотеза не досліджувалась у нашому дослідженні.

Толерантність господаря до паразитів, ймовірно, впливає на динаміку захворювання. Коли ресурсів багато, наші результати показують, що толерантність до паразитизму господаря зростає більше, ніж опір. Отже, вірулентність може бути відносно низькою, що може дозволити паразитам зберігатись у великій кількості (Beldomenico and Begon 2010). У міру вичерпання ресурсів передбачається посилення наслідків паразитизму, збільшуючи індуковану паразитами смертність господарів та стійкість вижилих господарів до нових інфекцій і, таким чином, зменшуючи чисельність паразитів. Доступність ресурсів не впливала на загальну кількість глистів, що заснували в кишечнику. Однак ресурси можуть впливати на репродуктивний успіх або біомасу (тобто міру вірулентності для макропаразитів) паразитів, і, отже, з часом кількість паразитів може зростати, оскільки толерантність до хазяїна зростає в популяції (Vale et al. 2011). Ми не визначили кількісні показники плодючості чи біомаси хробаків у жаб за різних ресурсних умов, але це питання може бути вирішене в майбутньому.

Наше дослідження є одним із перших, хто експериментально продемонстрував, що ресурси впливають на толерантність до господаря та/або стійкість паразитів на різних стадіях зараження. Ці результати підкреслюють цінність розподілу наслідків внесення змін до ресурсів на господаря та паразита для: 1) кращого розуміння прямого впливу ресурсів на кожен вид та чистого впливу ресурсів на взаємодію; 2) виявлення того, що наявність ресурсів по-різному впливає захисні сили господаря на різних стадіях інфекційного процесу. Наявність ресурсів часто коливається в умовах динамічного середовища, включаючи додаткове харчування людиною дикої природи, і, ймовірно, відіграє значну роль у зміні взаємодії хазяїн-паразит (Becker et al. 2015). Отже, розуміння складності взаємодії хазяїн-паразит в інших системах, а також способу боротьби з хворобою повинно включати вивчення захисних сил господаря на різних стадіях зараження, маніпулюючи або контролюючи наявність ресурсів.

Подяка

Ми дякуємо Джебу Оуену за поради щодо протоколу імунологічного аналізу. Це дослідження було підтримано грантами Національного наукового фонду (EF-1241889), Національного інституту охорони здоров’я (R01GM109499, R01TW010286), Міністерства сільського господарства США (NRI 2006-01370, 2009-35102-0543) та Агентства США з охорони навколишнього середовища ( CAREER 83518801) до JRR та Британського екологічного товариства (5599-6643) до SAK. CNO підтримано стипендією Національного наукового фонду. QCW була підтримана Програмою ранньої ідентифікації літніх досліджень Альянсу лідерів. Автори не заявляють конфлікту інтересів.