Predicting the evolution of vector-borne disease dynamics in a changing world

预测不断变化的世界中媒介传播疾病动态的演变

基本信息

  • 批准号:
    1717498
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 249.89万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-09-01 至 2019-11-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project will advance our understanding of how disease transmission will be affected by and evolve in response to environmental change. Diseases transmitted among hosts by small invertebrates such as mosquitoes or ticks (vectors) are on the rise across the world but our ability to measure and predict risk is lagging. Predicting vector-borne disease risk requires both an understanding of how all the species involved are likely to be affected by environmental change and how those interactions may evolve. The transmission of avian malaria in native and introduced Hawaiian birds is an ideal system to gain this understanding. The project will focus on the Hawaiian honeycreepers, a diverse group that includes many species that are threatened with extinction. Through the use of historical specimens of both the birds and the malaria parasite, the project will be able to document and model the evolution of disease tolerance and resistance over the past 80 years. The model methodology will then be available for broad application into any disease system in which evolution is expected to occur in response to shifting environmental conditions. The results will also be used for management of the bird species in Hawaii. The project will support undergraduate and graduate student training, and participation of local high school students. The agent of avian malaria in Hawaii is a non-native Haemosporidian parasite, Plasmodium relictum, vectored by mixes of two non-native strains of the mosquito Culex quinquefasciatus. Avian malaria in Hawaii occurs as a series of replicated natural experiments in which vector and parasite prevalence vary along elevational gradients on several islands, and a parallel gradient in tolerance among some bird hosts has been reported. Although P. relictum was previously highly virulent to all of the 50 species of Hawaiian honeycreepers, evolution of tolerance (or resistance) has been observed in at least three species including the amakihi (Chlorodrepanis sp.). Additionally, there is geographic variation within and across islands in host species composition, host tolerance, climate (temperature and precipitation), vector abundance, vector competence, and pathogen fitness. This project will 1) characterize the genomic signatures of parasites, hosts and vectors at different elevations replicated across islands and through time, the latter by using museum specimens; 2) perform common-garden experiments and experimental infections to assess differences in competence or virulence among strains of vectors and parasites, respectively; 3) integrate Aims 1 and 2 in predictive models of the impact of co-evolutionary changes on vector-borne disease transmission under current and future climate scenarios. We will use comparative genomics and transcriptomics at multiple spatial, temporal and experimental scales, and combine Susceptible-Infected-Resistant (SIR) models with evolutionary game theory to capture the reciprocal influence of changing populations.
这个项目将增进我们对疾病传播将如何受到环境变化的影响并随着环境变化而演变的理解。由蚊子或扁虱(媒介)等小型无脊椎动物在宿主之间传播的疾病在世界各地呈上升趋势,但我们衡量和预测风险的能力却滞后。预测病媒传播的疾病风险既需要了解所有涉及的物种可能如何受到环境变化的影响,也需要了解这些相互作用可能如何演变。禽类疟疾在本地和引进的夏威夷鸟类中的传播是获得这一理解的理想系统。该项目将专注于夏威夷蜜爬虫,这是一个多样化的群体,包括许多濒临灭绝的物种。通过使用鸟类和疟疾寄生虫的历史标本,该项目将能够记录和模拟过去80年来疾病耐受性和抵抗力的演变。然后,该模型方法将可广泛应用于任何疾病系统,在这些疾病系统中,预计会随着环境条件的变化而发生进化。研究结果还将用于夏威夷鸟类的管理。该项目将支持本科生和研究生的培养,以及当地高中生的参与。夏威夷禽类疟疾的病原体是一种非本地的血孢子虫寄生虫--残留疟原虫,由两种非本地品系的致倦库蚊混合传播。夏威夷的禽类疟疾是一系列重复的自然实验,在这些实验中,病媒和寄生虫的流行率在几个岛屿上随海拔梯度而变化,据报道,一些鸟类宿主的耐受性也存在平行梯度。虽然之前对所有50种夏威夷蜜潜蝇都有很高的毒力,但至少有3种蜜潜蝇已经观察到耐性(或抗性)的进化,其中包括amakihi(Chlorodrepanis sp.)。此外,在寄主种类组成、寄主耐受性、气候(温度和降水)、媒介丰度、媒介能力和病原体适合性方面,岛屿内和岛屿之间存在地理差异。该项目将1)确定跨越岛屿和时间复制的不同海拔的寄生虫、宿主和病媒的基因组特征,后者通过使用博物馆标本;2)进行共同花园实验和实验感染,以分别评估病媒和寄生虫菌株之间的能力或毒力差异;3)将目标1和2纳入预测模型,以预测在当前和未来气候情景下共同进化变化对病媒传播的影响。我们将在多个空间、时间和实验尺度上使用比较基因组学和转录组学,并将易感感染抵抗(SIR)模型与进化博弈理论相结合,以捕捉不断变化的种群的相互影响。

项目成果

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