Improving Sterile Insect Technique for tsetse flies through research on their symbiont and pathogens

Abstract

Afrikanische Trypanosomiasen sind bedeutende, jedoch wenig beachtete Tropenkrankheiten der Menschen (Afrikanische Schlafkrankheit oder Human African Trypanosomiasis (HAT)), und Tieren (Nagana, oder Animal African Trypanosomiasis (AAT)), die in den subsaharischen Regionen Afrikas vorkommen und durch Tsetsefliegen übertragen werden (Dipteria: Glossinidae). Aufgrund fehlender effektiver Impfungen, der zunehmenden Resistenz gegen anti-trypanosomale Medikamente, und des Mangels an verfügbaren und leistbaren Therapien gegen diese Erkrankungen ist die Kontrolle der Tsetsefliegen Populationen momentan die effektivste Lösung um diese Krankheitsvorkommen zu reduzieren. Die Sterile Insekten Technik (SIT) ist eine erwiesene, effektive und nachhaltige Methode, wenn sie im Rahmen einer flächendeckenden, integrierten Schädlingsbekämpfungsstrategie ("Area-Wide Integrated Pest Management (AW-IPM)”) für die Dezimierung oder Ausrottung der Tsetsefliegen Populationen angewendet wird. Die SIT benötigt die künstliche Erzeugung einer großen Anzahl des Schadeninsekts, die Sterilisierung der Männchen durch ionisierende Strahlung, und deren Aussetzung in das Zielgebiet. Diese sterilen Männchen konkurrieren mit den in der Natur lebenden fertilen Männchen um die Weibchen, und erfolgreiche Paarungen der sterilen Männchen erzeugen kein Nachkommen. Bei einer verhältnismäßig höheren Anzahl der freigelassenen sterilen Männchen im Vergleich zu den natürlich vorhandenen fertilen Männchen steigen die Chancen der gewollten Paarungen und dadurch kann die Populationen des Zielinsekts stark verringert und sogar komplett ausgerottet werden. Trotz erfolgreiches Einsetzen der SIT/AW-IPM gegen Tsetsefliegen sind einige Beschränkungen vorhanden, die überwunden werden können um die Effizienz der Technik zu verbessern. Eine dieser Beschränkungen ist die niedrige Produktivität dieser Insekten in der Zucht, und deren Infektion mit einem schädlichen Virus. Eine zusätzliche Problematik ist die Fähigkeit der männlichen Tsetsefliegen, wegen deren haematophagen Ernährungsverhalten die erwähnten Krankheiten zu übertragen. Dadurch entsteht das Risiko einer erhöhten Übertragungsrate in der Region. Diese Probleme könnten gelöst werden, indem man die Interaktionen zwischen der Tsetsefliege und deren Symbionten und Pathogenen besser zu verstehen lernt. Sowohl Laborkolonien, als auch in der Natur existierenden Tsetsefliegenpopulationen sind zu hohem Anteil mit der Glossina pallidipes salivary gland hypertrophy virus (GpSGHV; Familie hytrosaviridae) infiziert und sind gleichzeitig Träger der endosymbiotischen Bakterien Wigglesworthia glossinidius, Sodalis glossinidia, Wolbachia, und Spiroplasma. GpSGHV infizierte Glossina pallidipes Fliegen zeigen Abnormitäten in den Ovarien und Testikel und Speicheldrüsen-Hypertrophie (salivary gland hypertrophy (SGH)). Ohne einer Strategie zur Virenkontrolle kann eine SGH Virus-Infektion in der Tsetsefliegenkolonie deren Produktivität stark verringern und sogar zum völligen Kollaps bringen. Es ist deswegen wichtig, die Auswirkungen dieser Viren auf die verschiedenen Tsetsefliegenspezien zu eruieren. Zusätzlich ist sowohl die Auswertung der Wirkung radioaktiver Strahlen auf Tsetse Symbiontenals auch auf die Krankheitsübertragungskapazität der Fliegen entscheidend. Das Ziel dieser wissenschaftlicher Arbeit war: (i) die Identifizierung der Tsetsefliegen Spezies durch molekulare Methoden, (ii) die Prävalenz von Viren, Wolbachia, und Trypanosomen in natürlichen Populationen der Tsetsefliegen, (iii) die Suszeptibilität der verschiedenen Tsetse Spezies zu Viren, (iv) die Eruierung der Auswirkungen von GpSGHV Infektionen auf deren Wirten, (v) die Eruierung der Wirkung ionisierender Strahlen auf die Tsetse Symbionten Sodalis und die Möglichkeiten einer kombinierten Paratransgenese und SIT Methode, und (vi) die Eruierung der Auswirkung einer Depletion der Symbionten und radioaktiver Strahlung auf das kutikuläre Hydrokarbonprofil (KHD Profil) der Tsetsefliegen G. m. morsitans. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass verschiedene Tsetse Spezies anfällig auf GpSGHV sind, jedoch nur G. pallidipes die Fähigkeit einer transgenerationalen Übertragung der Viren aufweist. Ionisierende Strahlen haben weder Auswirkung auf das KHD Profil, noch auf die Krankheitsübertragungskapazität der Fliegen, jedoch konnte eine Auswirkung auf die Dichte der Tsetse Symbionten nachgewiesen werden. Die Bestrahlung von 22 Tage alten Puppen ermöglicht die Wiederherstellung der Sordalis Dichte und somit die Kombination von Paratransgenese und SIT, um das Risiko der Krankheitsübertragung in SIT Anwendungsgebieten zu verringern. Letztlich ermöglichen verschiedene molekulare Methoden eine kosteneffektive, einfache und präzise Speziesidentifikation.

African trypanosomoses are major neglected tropical diseases in both humans (sleeping sickness or Human African Trypanosomosis (HAT)) and animals (nagana or Animal African Trypanosomosis (AAT)) in sub-Saharan Africa and are transmitted by cyclical vector tsetse flies (Dipteria: Glossinidae). Due to the lack of efficient vaccines, an increased resistance against anti-trypanosomal drugs, and lack of inexpensive drugs against the diseases, tsetse fly control is currently considered the most powerful, innovative and efficient pest control tactic. The Sterile Insect Technique (SIT) has been proven to be one of the most effective and sustainable methods when it is applied as a part of Area-Wide Integrated Pest Management (AW-IPM) programmes for the suppression and/or eradication of tsetse fly populations. SIT requires the production of a large-number of males, sterilized by exposure to ionizing radiation and their release into the target area where they compete with wild males for wild females. Matings between sterile males and virgin wild females result in no offspring. A repeated release of a higher ratio of sterile males to wild males increases the chances of successful sterile matings and thus results in the suppression and/or eradication of the target insect population over time. Despite the fact that successful implementation of SIT/AW-IPM programmes for eradication tsetse flies in several infested areas has been shown, several constraints need to be addressed to enhance its efficiency. One of the important challenges of the SIT for tsetse is the mass production of sufficient sterile males due to their low productivity and infection with a pathogenic virus. Another challenge facing tsetse SIT programs is the ability of sterile males to transmit the disease due to their hematophagous feeding nature, which represents a potential risk of increasing the disease incidence in a SIT treatment site. Some of the constraints could be solved by understanding the interactions of tsetse flies with their symbionts and pathogens. Laboratory colonies, as well as field populations of many tsetse species, are infected by Glossina pallidipes salivary gland hypertrophy virus (GpSGHV; family hytrosaviridae) and harbor endosymbiotic bacteria Wigglesworthia glossinidius, Sodalis glossinidia, Wolbachia, and Spiroplasma. GpSGHV infected flies of Glossina pallidipes show ovarian abnormalities and testicular degeneration and salivary gland hypertrophy (SGH) symptoms. In the absence of an effective virus management strategy, the SGHV can reduce the colony productivity and may even result in the collapse of the infected colony. Therefore, it is important to assess the virus’ impact on several tsetse species. In addition, it is important to assess the impact of irradiation on tsetse symbionts as well as on its vectorial capacity. The aim of this research was to investigate (i) tsetse species identification using molecular approaches, (ii) prevalence of virus, Wolbachia and trypanosome in natural populations, (iii) the susceptibility of virus to different laboratory tsetse species, (iv) the impact of GpSGHV infection on heterogenous tsetse hosts, (v) the impact of irradiation on the tsetse symbiont Sodalis and the potential of using a combined approach of paratransgenesis and SIT, and lastly (vi) the impact of symbiont depletion and radiation treatment on G. m. morsitans cuticular hydrocarbon profiles and mate choice. The results indicate the susceptibility of different tsetse species to GpSGHV infection, however only G. pallidipes permit virus trans-generation transmission. Irradiation did not affect the CHC profile or male vectorial capacity, however, it reduced the density of symbionts. Exposing treatment on 22-day old puparia to radiation allows a significant recovery of the Sodalis density which enables a combination of paratransgenesis and SIT to eliminate the risk of increasing the disease incidence in areas using SIT. Finally, novel molecular tools provide easy, cheap and precise species identification methods where morphological identification methods formerly lacked accuracy.