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.