Малярия остается одной из основных причин смерти и заболеваемости в Африке, причем наибольшая нагрузка приходится на детей в возрасте до 5 лет. Наиболее эффективным средством профилактики этого заболевания являются инсектицидные средства борьбы с переносчиками, воздействующие на взрослых комаров рода Anopheles. В результате широкого применения этих мер устойчивость к наиболее часто используемым классам инсектицидов в настоящее время широко распространена по всей Африке. Понимание основных механизмов, приводящих к этому фенотипу, имеет важное значение как для отслеживания распространения устойчивости, так и для разработки новых инструментов для ее преодоления.
В данном исследовании мы сравнили состав микробиома популяций Anopheles gambiae, Anopheles cruzi и Anopheles arabiensis из Буркина-Фасо, устойчивых к инсектицидам, с составом микробиома популяций из Эфиопии, чувствительных к инсектицидам.
Мы не обнаружили различий в составе микробиоты между устойчивыми к инсектицидам штаммами и штаммами, устойчивыми к ним.инсектицид– восприимчивые популяции в Буркина-Фасо. Этот результат был подтвержден лабораторными исследованиями колоний из двух стран Буркина-Фасо. В отличие от этого, у комаров Anopheles arabiensis из Эфиопии наблюдались явные различия в составе микробиоты между погибшими и выжившими после воздействия инсектицида. Для дальнейшего исследования устойчивости этой популяции Anopheles arabiensis мы провели секвенирование РНК и обнаружили дифференциальную экспрессию генов детоксикации, связанных с устойчивостью к инсектицидам, а также изменения в дыхательных, метаболических и синаптических ионных каналах.
Наши результаты показывают, что в некоторых случаях микробиота может способствовать развитию устойчивости к инсектицидам, помимо изменений в транскриптоме.
Хотя устойчивость часто описывается как генетический компонент переносчика Anopheles, недавние исследования показали, что микробиом изменяется в ответ на воздействие инсектицидов, что предполагает роль этих организмов в развитии устойчивости. Действительно, исследования комаров-переносчиков Anopheles gambiae в Южной и Центральной Америке показали значительные изменения в эпидермальном микробиоме после воздействия пиретроидов, а также изменения в общем микробиоме после воздействия органофосфатов. В Африке устойчивость к пиретроидам была связана со сдвигами в составе микробиоты в Камеруне, Кении и Кот-д'Ивуаре, в то время как у лабораторно адаптированных Anopheles gambiae наблюдались изменения в микробиоте после селекции на устойчивость к пиретроидам. Кроме того, экспериментальное лечение антибиотиками и добавление известных бактерий к лабораторно колонизированным комарам Anopheles arabiensis показало повышение толерантности к пиретроидам. В совокупности эти данные позволяют предположить, что устойчивость к инсектицидам может быть связана с микробиомом комаров, и что этот аспект устойчивости к инсектицидам можно использовать для борьбы с переносчиками болезней.
В данном исследовании мы использовали секвенирование 16S для определения того, различается ли микробиота лабораторно колонизированных и собранных в полевых условиях комаров в Западной и Восточной Африке между теми, кто выжил, и теми, кто погиб после воздействия пиретроида дельтаметрина. В контексте устойчивости к инсектицидам сравнение микробиоты из разных регионов Африки с различными видами и уровнями устойчивости может помочь понять региональное влияние на микробные сообщества. Лабораторные колонии были из Буркина-Фасо и выращивались в двух разных европейских лабораториях (An. coluzzii в Германии и An. arabiensis в Великобритании), комары из Буркина-Фасо представляли все три вида комплекса An. gambiae, а комары из Эфиопии представляли An. arabiensis. Здесь мы показываем, что Anopheles arabiensis из Эфиопии имели различные микробные характеристики у живых и мертвых комаров, в то время как Anopheles arabiensis из Буркина-Фасо и двух лабораторий таких характеристик не имели. Цель этого исследования — дальнейшее изучение устойчивости к инсектицидам. Мы провели секвенирование РНК популяций Anopheles arabiensis и обнаружили, что гены, связанные с устойчивостью к инсектицидам, были активированы, в то время как гены, связанные с дыханием, в целом изменились. Интеграция этих данных со второй популяцией из Эфиопии позволила идентифицировать ключевые гены детоксикации в регионе. Дальнейшее сравнение с Anopheles arabiensis из Буркина-Фасо выявило значительные различия в транскриптомных профилях, но все же определило четыре ключевых гена детоксикации, которые были сверхэкспрессированы по всей Африке.
Живые и мертвые комары каждого вида из каждого региона были секвенированы с использованием секвенирования 16S, и была рассчитана относительная численность. Различий в альфа-разнообразии не наблюдалось, что указывает на отсутствие различий в богатстве операционных таксономических единиц (ОТЕ); однако бета-разнообразие значительно варьировало между странами, а члены взаимодействия для страны и статуса живых/мертвых комаров (PANOVA = 0,001 и 0,008 соответственно) указывали на существование разнообразия между этими факторами. Различий в бета-дисперсии между странами не наблюдалось, что указывает на сходные дисперсии между группами. График многомерного масштабирования Брея-Кертиса (рисунок 2А) показал, что образцы в основном были разделены по местоположению, но были некоторые заметные исключения. Несколько образцов из сообщества An. arabiensis и один образец из сообщества An. coluzzii перекрывались с образцом из Буркина-Фасо, тогда как один образец из сообщества An. arabiensis из Буркина-Фасо перекрывался с образцом An. Образец сообщества Anopheles arabiensis, что может указывать на то, что исходная микробиота сохранялась случайным образом на протяжении многих поколений и в разных регионах. Образцы из Буркина-Фасо не были четко разделены по видам; это отсутствие разделения было ожидаемым, поскольку особи впоследствии были объединены, несмотря на то, что происходили из разных личиночных сред. Действительно, исследования показали, что разделение экологической ниши на водной стадии может значительно влиять на состав микробиоты [50]. Интересно, что, в то время как образцы и сообщества комаров из Буркина-Фасо не показали различий в выживаемости или смертности комаров после воздействия инсектицидов, образцы из Эфиопии были четко разделены, что предполагает, что состав микробиоты в этих образцах Anopheles связан с устойчивостью к инсектицидам. Образцы были собраны в одном и том же месте, что может объяснить более сильную связь.
Устойчивость к пиретроидным инсектицидам представляет собой сложный фенотип, и хотя изменения в метаболизме и мишенях относительно хорошо изучены, изменения в микробиоте только начинают исследоваться. В этом исследовании мы показываем, что изменения в микробиоте могут быть более важными в определенных популяциях; мы дополнительно характеризуем устойчивость к инсектицидам у Anopheles arabiensis из Бахир-Дара и показываем изменения в известных транскриптах, связанных с устойчивостью, а также значительные изменения в генах, связанных с дыханием, которые также были очевидны в предыдущем исследовании РНК-секвенирования популяций Anopheles arabiensis из Эфиопии. В совокупности эти результаты предполагают, что устойчивость к инсектицидам у этих комаров может зависеть от сочетания генетических и негенетических факторов, вероятно, потому что симбиотические отношения с местными бактериями могут дополнять разложение инсектицидов в популяциях с более низким уровнем устойчивости.
Недавние исследования связали повышенное дыхание с устойчивостью к инсектицидам, что согласуется с обогащенными онтологическими терминами в данных РНК-секвенирования из Бахир-Дара и интегрированными данными из Эфиопии, полученными в данном исследовании; это снова указывает на то, что устойчивость приводит к повышенному дыханию, либо как к причине, либо как к следствию этого фенотипа. Если эти изменения приводят к различиям в потенциале активных форм кислорода и азота, как предполагалось ранее, это может повлиять на компетентность переносчиков и микробную колонизацию за счет дифференциальной устойчивости бактерий к нейтрализации АФК долгосрочными комменсальными бактериями.
Представленные здесь данные свидетельствуют о том, что микробиота может влиять на устойчивость к инсектицидам в определенных условиях. Мы также показали, что у комаров An. arabiensis в Эфиопии наблюдаются аналогичные изменения транскриптома, обусловливающие устойчивость к инсектицидам; однако количество генов, соответствующих генам в Буркина-Фасо, невелико. В отношении сделанных здесь и в других исследованиях выводов остаются некоторые оговорки. Во-первых, необходимо продемонстрировать причинно-следственную связь между выживаемостью пиретроидов и микробиотой с помощью метаболомных исследований или трансплантации микробиоты. Кроме того, необходимо подтвердить ключевые кандидаты в нескольких популяциях из разных регионов. Наконец, объединение данных транскриптома с данными микробиоты посредством целенаправленных исследований после трансплантации позволит получить более подробную информацию о том, влияет ли микробиота непосредственно на транскриптом комаров в отношении устойчивости к пиретроидам. Однако в совокупности наши данные свидетельствуют о том, что устойчивость носит как локальный, так и транснациональный характер, что подчеркивает необходимость тестирования новых инсектицидных препаратов в разных регионах.
Дата публикации: 24 марта 2025 г.