Avian Malaria and Related Blood Parasites: Molecular Diversity, Ecology and Evolution

Abstract

Malaria-like parasites consist of a large group of species that infects primates, rodents, bats, lizard and birds. I have focused on parasites from the genera Haemoproteus, Plasmodium and Leucocytozoon that are infecting birds. By using molecular methods to identify parasites from avian blood samples, I have found a diversity, based on the cytochrome b gene, that greatly exceeds the diversity previously known when identification was based on morphological characters. By phylogenetic analyses we have shown that the morphological identification system of these parasites represent, to a large degree, consists of monophyletic groups and that parasite lineages obtained by molecular identification consists of non-recombining lineages.



Using a phylogenetic approach, including ~6000 samples from 139 bird species, we investigated how common it is that parasites are introduced into resident bird faunas in Europe and Africa, two areas linked by an immense amount of migrating birds each year. For Haemoproteus spp. and Leucocytozoon spp. such introductions are rare events that happen over an evolutionary time scale, whereas parasites belonging to the genera Plasmodium seem to be less restricted to a specific transmission area. This might be a consequence of the lower host-specificity of Plasmodium lineages. Detailed analysis of the host specificity of Plasmodium and Haemoproteus showed that lineages that could develop in many different host-species over a large taxonomic range, also exhibited among the highest prevalence in single bird species. Hence, being a generalist did not prevent it to be highly successful in single hosts.



A crucial part of the parasite life-cycle takes place inside the blood feeding vector. By using wild-caught and blood-feed blackflies, the main vectors for Leucocytozoon spp., we could successfully determine both which animal they had been feeding on and which parasite each host was carrying and potentially could be transmitted. We found that blackfly species had either a preference for birds or for mammals. Moreover, among blackfly species attacking birds there was also a finer specificity with preferences for e.g. ducks, grouse, passerines, cranes. This host specificity shaped the distribution of the parasites in the different blackfly species such as the same or similar parasite lineages ended up in the same blackfly species or in species with a similar host preference. Hence, the host-preferences of the blackflies could then potentially act as an ecological transmission barrier for parasites between different bird host species.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Malaria parasiter skördar årligen runt 2 miljoner liv i regionerna söder om Sahara. De parasiter som orsakar malaria hos människor ingår i en stor grupp av blodparasiter som återfinns hos primater, reptiler, fladdermöss och fåglar. För att dessa parasiter ska kunna genomgå hela sin livscykel både ett ryggradsdjur och en blodsugande insekt (en vektor). I de blodsugande insekterna genomgår parasiterna också sin sexuella fortplantning. I denna avhandling har jag fokuserat på parasiter, tillhörande de tre olika genera Haemoproteus, Plasmodium och Leucocytozoon, som kan infekterar fåglar. Genom att använda molekylära metoder är det möjligt att identifiera parasiterna med hjälp av molekylära metoder som kopiera upp och läsa en del av deras genetiska kod. De delar av parasiternas Genom som är vanligast förekommande för identifiering är delar av cytochrome b genen som återfinns i parasiternas mitokondrielt DNA. Inledningsvis i min avhandling utvecklade jag en molekylär metod som kan identifiera parasiter tillhörande alla ovan nämnda genera genom identifiering av deras cytochrome b gen. När man identifierar malaria parasiter med hjälp av DNA hittar man många fler olika parasiter än vad man tidigare gjorde med hjälp av mikroskop. Om vi fortsätter att upptäcka nya parasitlinjer i samma takt som vi har gjort hittills kommer antalet parasiter att passera 10000 istället för några hundra som man tidigare trott. En stor del av min avhandling har gått ut på att förstå vad denna nya diversiteten representerar. Genom att generera data baserat på DNA från parasiterna kan man numera även börja besvara frågor som rör evolutionen och släktskapen mellan olika parasiter då man kan använda den molekylära informationen att göra släktträd eller s.k. fylogenier över parasiterna. Vi jämförde släktträd av parasitlinjer baserat på olika sorters DNA (kärn-DNA och mitokondrie-DNA) och kunde på så sätt visa att de nya parasitlinjerna som vi identifierar representerar goda biologiska arter, dvs. de olika parasitlinjerna parar sig inte med varandra. Vi har också kunna visa att den morfologi som ligger till grund för indelningen av morfologiska arter grundas på att de delar en gemensam anfader och inte att de delar utseende på grund av att de finns i samma miljö. Genom att kunna integrera och förstå sambanden mellan morfologisk och molekylär identifiering öppnas möjligheten för forskare från den molekylära sidan av forskningsfältet att ta del av den kunskap som har insamlats med hjälp av morfologisk artbestämning. Då morfologiska artbestämningen av malaria parasiter kräver lång träning och endast behärskas till fulla av ett fåtal innebär de molekylära teknikerna också att fältet har blivit tillgängligt för forskare utan gedigen träning i morfologisk artbestämning.



Fågelmalaria tillskillnad från humanmalaria sprids både på de tropiska breddgraderna och på våra nordiska breddgrader. Mellan dessa transmissionsområden flyttar årligen miljarder av fåglar som skapar möjligheten för parasiter att sprida sig mellan stannfågel populationer som finns på de olika områdena. Då flyttfåglar potentiellt skulle kunna agera som broar för parasiterna mellan olika områden undersökte vi hur vanligt det är att nya parasiter introduceras i stannfågel populationer i Europa och Afrika. Genom släktträds analyser har vi visat att dessa skiften i spridnings områden är att betrakta som sällsynta fall som händer i ett evolutionärt tidsperspektiv och inte under en enskild flyttfågels liv. Dock verkar det som parasiter tillhörande Plasmodium har skiftat transmission områden oftare an Haemoproteus och Leucocytozoon parasiter vilket kan bero på att enskilda Plasmodium parasiter verkar ha lättare att infektera tillhörande flera olika fågelarter.



Vi har vidare undersökt hur värd specifika olika parasitlinjer är och hur värdspecificiteten påverkar hur bra de är på att infektera enskilda fågelarter. Enskilda linjer, både Plasmodium och Haemoproteus, visade sig att kunna infektera och slutföra sin utveckling i fågel arter tillhörande olika genera och till och med i fåglar tillhörande olika släktskapsfamiljer. Det visade sig också att de parasiter som hade förmåga att infektera flest fågelarter eller att ha störst värdbredd också var de som var vanligast förekommande i enskilda fågelarter.



En stor del av parasiternas liv pågår i vektorerna dvs. i myggor, knott eller svidknott. Med hjälp av DNA identifiering har vi kunnat studera interaktioner mellan vektorerna och dess värdar samt hur dessa interaktioner påverkar spridningen av parasiter. Detta har gjorts möjligt då vi analyserat knott (vektorer för Leucocytozoon parasiter) som har fångats då de fortfarande har haft ett blodmål i magen. Från dessa blodmål har vi sedan kopierat upp DNA från det djuret varifrån blodet har sugits. Genom att göra detta har vi upptäckt att olika knott arter har olika preferens för vilka djur de suger blod ifrån. Först finns det en stor och tydlig uppdelning mellan knottarter som suger blod från däggdjur och arter som är specialiserade på fåglar. Inom den grupp med fågelpreferens finns det sedan finare indelningar av specificitet, såsom knottarter som föredrar tranor, hönsfåglar eller andfåglar. Från dessa blodmåltider har vi sedan kopierat upp DNA från parasiterna som fanns däri och på så sätt identifierat vilka parasiter respektive knott potentiellt kunde sprida vidare. Det visade sig att värdspecificiteten som knotten hade påverkade vilka parasiter som olika knott arter kunde sprida vidare, då samma eller genetiskt lika parasiter alltid hamnade i knott med samman värdpreferens. Detta gav samtidigt ett mönster av parasit-vektor specificitet som endast uppkom som en sidoeffekt av knottens värdpreferens. Det är därför av vikt när man studerar parasit-vektor-värd system att vara medveten om att associationer mellan två av aktörerna kan ha uppkommit p.g.a. interaktioner i andra delar av systemet.

• author: Hellgren, Olof
• supervisor: Staffan, Bensch; Dennis Hasselquist
• opponent: Professor Ricklefs, Robert E., Department of Biology, University of Missouri at St. Louis
• organization: MEMEG; Molecular Ecology and Evolution Lab (research group)
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: diversity, Plasmodium, bird-migration, transmission, blackfly, host-specificity, host-preference, cytochrome b, DHFR-TS, recombination, phylogeny, Ecology, Ekologi, Genetics, cytogenetics, Genetik, cytogenetik, Parasitology (human and animal), Haemoproteus, Leucocytozoon, Parasitologi (människa och djur), Animal ecology, Djurekologi, Natural science, Naturvetenskap
• pages: 164 pages
• defense location: Blå hallen, Ecology building, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2006-12-15 13:00:00
• ISBN: 91-7105-244-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 67da10d2-00b0-4003-88b8-656f34482ddb (old id 547687)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:13:10
• date last changed: 2021-01-05 14:31:38