Population genetics and research of host-symbiont interaction of the tsetse fly (Glossina spp.)

Abstract

Tsetse flies (Glossina spp.) are the vectors of African trypanosomes, causing Human African Trypanosomosis (HAT) and African Animal Trypanosomosis (AAT), diseases with profound medical and socioeconomic impacts in sub-Saharan Africa. Despite extensive research, vaccines against these diseases are not available to date and medication against Trypanosomosis can have severe side effects. Vector control is therefore considered as a promising strategy to suppress fly populations and break the cycle of disease transmission. A wide array of vector control approaches is currently available, ranging from chemical and biotechnological control to more species-specific and sustainable methods like the Sterile Insect Technique (SIT). This technique includes the mass-rearing of the target insect species, sterilization of males with ionizing radiation and subsequent field releases in the target area. Released sterile males mate with wild virgin females and as a result, no offspring are produced, leading to a gradual decline of the insect population. SIT is particularly effective when it is applied in the context of an area-wide integrated pest management approach (AW-IPM), utilizing multiple pest control techniques in a systematic manner. For effective vector control, a fundamental understanding of the field populations is a necessity, which includes considerations on the ecological habitats in the target area, as well as the identification of population structure and potentially isolated populations. Molecular population genetics approaches can provide valuable insights into the structure and gene flow of field populations, aiding in the design and implementation of appropriate control strategies. In addition, the effectiveness of SIT can be influenced by different factors regarding the productivity in mass-rearing settings or the influence of bacterial symbionts on vector competence. It is therefore of importance to study the symbiotic relationship of tsetse flies and their heritable bacteria to identify their consequences for the SIT. Tsetse flies host several bacteria that can affect the flies’ physiology in terms of reproduction, nutrition and vector competence for transmitting trypanosome parasites, namely Wigglesworthia glossinidia, Sodalis glossinidius, Wolbachia pipientis and Spiroplasma. In particular, there is growing evidence that certain symbionts can modulate tsetse flies’ ability to transmit trypanosomes, opening up possibilities to improve existing vector control strategies by leveraging the natural biological processes and interactions with their symbiotic bacteria. The objectives of this dissertation were firstly, to develop and characterize novel microsatellite markers for the tsetse fly species Glossina brevipalpis to enable population genetics studies and secondly, to investigate interactions between tsetse flies, trypanosomes and symbiotic bacteria, specifically Sodalis and Spiroplasma. The research aimed to assist vector control strategies, including the Sterile-Insect-Technique (SIT), by providing insights into population structure, gene flow, and the influence of bacterial symbionts on vector competence and the efficiency of mass-rearing settings. Microsatellite markers were successfully developed and validated, revealing genetic differentiation between laboratory and field populations from South Africa and Mozambique. Moreover, studies on the prevalence of trypanosomes and Sodalis across various tsetse species and regions highlighted significant variability, species-specific and location-dependent interactions. Investigations into Spiroplasmas effects on G. fuscipes fuscipes demonstrated significant shifts in reproductive and metabolic physiology, including prolonged gonotrophic cycles and reduced sperm motility, potentially impacting SIT efficacy. In vitro cultivation and genome sequencing of Spiroplasma provided genomic data, revealing core metabolic genes, potential virulence factors and interactions with host cells and trypanosomes. Overall, this dissertation contributes to the scientific understanding of tsetse fly population genetics, symbiont interactions and vector control, supporting efforts to reduce the disease burden in Africa. These findings have significant implications for improving vector control programs, ultimately aiming to reduce the incidence of HAT and AAT, enhancing public health and economic stability in affected regions.

Tsetsefliegen (Glossina spp.) sind die Überträger von Afrikanischen Trypanosomen, die die Krankheiten Afrikanische Trypanosomose in Menschen (HAT) und Afrikanische Tier-Trypanosomose (AAT) in Tieren verursachen. Diese Krankheiten haben erhebliche medizinische und sozioökonomische Auswirkungen in afrikanischen Ländern südlich der Sahara. Trotz umfangreicher Forschung sind bisher keine Impfstoffe gegen diese Krankheiten verfügbar, darüber hinaus kann die Medikation gegen Trypanosomose schwere Nebenwirkungen auslösen. Deshalb wird die Kontrolle des Vektors als vielversprechende Strategie angesehen, um Fliegenpopulationen zu reduzieren und somit den Übertragungszyklus der Krankheit zu durchbrechen. Eine breite Palette von Vektorkontrollstrategien steht derzeit zur Verfügung, die von chemischen und biotechnologischen Methoden bis hin zu umweltfreundlicheren Methoden wie der Sterile Insect Technique (SIT) reichen. Der Ansatz der SIT umfasst die Massenaufzucht von Insekten, Sterilisation der Männchen mittels ionisierender Strahlung und die anschließende Freisetzung dieser sterilen Männchen im Zielgebiet. Sterile Männchen paaren sich daraufhin mit wildlebenden, unbefruchteten Weibchen, was zu keinen Nachkommen und in weiterer Folge zu einem Rückgang der Insektenpopulationsgröße führt. Die SIT ist besonders wirksam, wenn sie im Rahmen eines flächendeckenden integrierten Schädlingsbekämpfungskonzepts (AW-IPM) angewandt wird, bei dem mehrere Methoden systematisch kombiniert werden. Für eine wirksame Vektorkontrolle ist außerdem ein grundlegendes Verständnis der wilden Populationen erforderlich. Dazu gehören Erkenntnisse zu den ökologischen Lebensräumen im Zielgebiet sowie die Ermittlung der Populationsstruktur und potenziell isolierter Populationen. Molekulare populationsgenetische Ansätze können hierfür wertvolle Einblicke in die Struktur und den Genfluss von Feldpopulationen liefern und so bei der Entwicklung und Umsetzung geeigneter Kontrollstrategien helfen. Außerdem kann die Wirksamkeit der SIT durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, wie die Produktivität in Massenaufzuchtsanlagen oder den Einfluss bakterieller Symbionten auf die Vektorkompetenz. Daher ist es besonders wichtig, die Beziehung zwischen Tsetsefliegen und ihren symbiotischen Bakterien zu untersuchen, um deren Auswirken auf die SIT zu identifizieren. Tsetsefliegen beherbergen eine Vielzahl von Bakterien, die die Physiologie der Fliegen in Bezug auf Fortpflanzung, Ernährung und Vektorkompetenz für die Übertragung von Trypanosomen beeinflussen können, und zwar Wigglesworthia glossinidia, Sodalis glossinidius, Wolbachia pipientis und Spiroplasma. Insbesondere mehren sich die Hinweise darauf, dass bestimmte Symbionten die Fähigkeit der Tsetsefliegen zur Übertragung von Trypanosomen modifizieren können, was Möglichkeiten zur Verbesserung bestehender Vektorkontrollstrategien eröffnet, indem die natürlichen biologischen Prozesse und Symbiont-Interaktionen genutzt werden. Die Ziele dieser Dissertation waren erstens: die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger populationsgenetischer Microsatellite-Marker für die Tsetsefliegenart Glossina brevipalpis, und zweitens: die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Tsetsefliegen, Trypanosomen und symbiotischen Bakterien, insbesondere Sodalis und Spiroplasma. Ziel der Forschung war es, Strategien zur Vektorkontrolle, einschließlich der SIT zu unterstützen, indem Einblicke in die Populationsstruktur, Genfluss und den Einfluss bakterieller Symbionten auf die Vektorkompetenz und die Effizienz der Massenaufzucht gewonnen wurden. Microsatellite-Marker wurden erfolgreich validiert, wobei eine genetische Differenzierung zwischen Labor- und Feldpopulationen und weiters zwischen Feldpopulationen in Mosambik und Südafrika festgestellt wurde. Darüber hinaus zeigten Studien zur Prävalenz von Trypanosomen und Sodalis bei verschiedenen Arten der Tsetsefliege und in verschiedenen Regionen eine erhebliche Variabilität sowie artspezifische und ortsabhängige Wechselwirkungen. Untersuchungen zu den Auswirkungen von Spiroplasma auf G. fuscipes fuscipes zeigten signifikante Veränderung der Fortpflanzungs- und Stoffwechselphysiologie, einschließlich verlängerter gonotropher Zyklen und verringerter Spermienmotilität, was sich auf die Massenaufzucht von Tsetsefliegen und SIT Programme auswirken kann. Die in vitro Kultivierung und Genomsequenzierung von Spiroplasma lieferte genomische Daten, die zentrale Gene des Stoffwechsels und potentielle Gene identifizierte, welche sich auf die Interaktion mit dem Wirt und Trypanosomen auswirken könnten. Insgesamt trägt diese Dissertation zum wissenschaftlichen Verständnis der Populationsgenetik der Tsetsefliege, der Interaktionen mit Symbionten und der Vektorkontrolle bei und unterstützt damit die Bemühungen um eine Reduzierung der Krankheitslast in Afrika. Diese Erkenntnisse haben Auswirkungen auf die Verbesserung der Vektorkontrollprogramme, die letztlich darauf abzielen, das Auftreten von HAT und AAT zu verringern und sowohl die öffentliche Gesundheit, als auch die wirtschaftliche Stabilität in den betroffenen Regionen zu verbessern.