Nyamuk Anopheles yang resistan terhadap insektisida dari Ethiopia, tetapi tidak dari Burkina Faso, menunjukkan perubahan dalam komposisi mikrobiota setelah paparan insektisida | Parasit dan Vektor

Malaria masih menjadi penyebab utama kematian dan penyakit di Afrika, dengan beban terbesar di antara anak-anak di bawah usia 5 tahun. Cara yang paling efektif untuk mencegah penyakit ini adalah agen pengendali vektor insektisida yang menargetkan nyamuk Anopheles dewasa. Sebagai hasil dari meluasnya penggunaan intervensi ini, resistensi terhadap golongan insektisida yang paling umum digunakan kini tersebar luas di seluruh Afrika. Memahami mekanisme dasar yang menyebabkan fenotipe ini sangat penting untuk melacak penyebaran resistensi dan mengembangkan alat baru untuk mengatasinya.
Dalam penelitian ini, kami membandingkan komposisi mikrobioma populasi Anopheles gambiae, Anopheles cruzi, dan Anopheles arabiensis yang resistan terhadap insektisida dari Burkina Faso dengan populasi yang sensitif terhadap insektisida, juga dari Etiopia.
Kami tidak menemukan perbedaan dalam komposisi mikrobiota antara kelompok yang resistan terhadap insektisida daninsektisida-populasi yang rentan di Burkina Faso. Hasil ini dikonfirmasi oleh studi laboratorium koloni dari dua negara Burkina Faso. Sebaliknya, pada nyamuk Anopheles arabiensis dari Ethiopia, perbedaan yang jelas dalam komposisi mikrobiota diamati antara yang mati dan yang selamat dari paparan insektisida. Untuk menyelidiki lebih lanjut resistensi populasi Anopheles arabiensis ini, kami melakukan sekuensing RNA dan menemukan ekspresi diferensial gen detoksifikasi yang terkait dengan resistensi insektisida, serta perubahan saluran ion pernapasan, metabolik, dan sinaptik.
Hasil kami menunjukkan bahwa dalam beberapa kasus mikrobiota dapat berkontribusi terhadap pengembangan resistansi insektisida, selain perubahan transkriptom.
Meskipun resistensi sering digambarkan sebagai komponen genetik dari vektor Anopheles, studi terbaru telah menunjukkan bahwa mikrobioma berubah sebagai respons terhadap paparan insektisida, yang menunjukkan peran organisme ini dalam resistensi. Memang, studi vektor nyamuk Anopheles gambiae di Amerika Selatan dan Tengah telah menunjukkan perubahan signifikan dalam mikrobioma epidermis setelah paparan piretroid, serta perubahan dalam mikrobioma keseluruhan setelah paparan organofosfat. Di Afrika, resistensi piretroid telah dikaitkan dengan pergeseran komposisi mikrobiota di Kamerun, Kenya, dan Pantai Gading, sementara Anopheles gambiae yang beradaptasi di laboratorium telah menunjukkan pergeseran dalam mikrobiota mereka setelah seleksi untuk resistensi piretroid. Lebih jauh lagi, pengobatan eksperimental dengan antibiotik dan penambahan bakteri yang diketahui dalam nyamuk Anopheles arabiensis yang dikolonisasi di laboratorium menunjukkan peningkatan toleransi terhadap piretroid. Bersama-sama, data ini menunjukkan bahwa resistensi insektisida mungkin terkait dengan mikrobioma nyamuk dan bahwa aspek resistensi insektisida ini dapat dimanfaatkan untuk pengendalian vektor penyakit.
Dalam studi ini, kami menggunakan sequencing 16S untuk menentukan apakah mikrobiota nyamuk yang dikolonisasi di laboratorium dan dikumpulkan di lapangan di Afrika Barat dan Timur berbeda antara yang bertahan hidup dan yang mati setelah terpapar piretroid deltametrin. Dalam konteks resistensi insektisida, membandingkan mikrobiota dari berbagai wilayah Afrika dengan spesies dan tingkat resistensi yang berbeda dapat membantu memahami pengaruh regional pada komunitas mikroba. Koloni laboratorium berasal dari Burkina Faso dan dibesarkan di dua laboratorium Eropa yang berbeda (An. coluzzii di Jerman dan An. arabiensis di Inggris), nyamuk dari Burkina Faso mewakili ketiga spesies kompleks spesies An. gambiae, dan nyamuk dari Ethiopia mewakili An. arabiensis. Di sini, kami menunjukkan bahwa Anopheles arabiensis dari Ethiopia memiliki tanda tangan mikrobiota yang berbeda pada nyamuk hidup dan mati, sedangkan Anopheles arabiensis dari Burkina Faso dan dua laboratorium tidak. Tujuan dari studi ini adalah untuk menyelidiki lebih lanjut resistensi insektisida. Kami melakukan sekuensing RNA pada populasi Anopheles arabiensis dan menemukan bahwa gen yang terkait dengan resistensi insektisida mengalami peningkatan regulasi, sementara gen yang terkait dengan respirasi secara umum mengalami perubahan. Integrasi data ini dengan populasi kedua dari Ethiopia mengidentifikasi gen detoksifikasi utama di wilayah tersebut. Perbandingan lebih lanjut dengan Anopheles arabiensis dari Burkina Faso mengungkapkan perbedaan yang signifikan dalam profil transkriptom, tetapi masih mengidentifikasi empat gen detoksifikasi utama yang diekspresikan secara berlebihan di seluruh Afrika.
Nyamuk hidup dan mati dari setiap spesies dari setiap wilayah kemudian diurutkan menggunakan sequencing 16S dan kelimpahan relatif dihitung. Tidak ada perbedaan dalam keanekaragaman alfa yang diamati, yang menunjukkan tidak ada perbedaan dalam kekayaan unit taksonomi operasional (OTU); namun, keanekaragaman beta bervariasi secara signifikan antar negara, dan istilah interaksi untuk negara dan status hidup/mati (PANOVA = 0,001 dan 0,008, berturut-turut) menunjukkan bahwa keanekaragaman ada di antara faktor-faktor ini. Tidak ada perbedaan dalam varians beta yang diamati antar negara, yang menunjukkan varians serupa antar kelompok. Plot penskalaan multivariat Bray-Curtis (Gambar 2A) menunjukkan bahwa sampel sebagian besar dipisahkan berdasarkan lokasi, tetapi ada beberapa pengecualian penting. Beberapa sampel dari komunitas An. arabiensis dan satu sampel dari komunitas An. coluzzii tumpang tindih dengan sampel dari Burkina Faso, sedangkan satu sampel dari sampel An. arabiensis dari Burkina Faso tumpang tindih dengan An. sampel komunitas arabiensis, yang mungkin menunjukkan bahwa mikrobiota asli dipertahankan secara acak selama beberapa generasi dan di beberapa wilayah. Sampel Burkina Faso tidak dipisahkan dengan jelas berdasarkan spesies; kurangnya pemisahan ini diharapkan karena individu-individu kemudian dikumpulkan meskipun berasal dari lingkungan larva yang berbeda. Memang, penelitian telah menunjukkan bahwa berbagi relung ekologi selama tahap akuatik dapat secara signifikan memengaruhi komposisi mikrobiota [50]. Menariknya, sementara sampel dan komunitas nyamuk Burkina Faso tidak menunjukkan perbedaan dalam kelangsungan hidup atau kematian nyamuk setelah paparan insektisida, sampel Ethiopia dipisahkan dengan jelas, yang menunjukkan bahwa komposisi mikrobiota dalam sampel Anopheles ini terkait dengan resistensi insektisida. Sampel-sampel tersebut dikumpulkan dari lokasi yang sama, yang mungkin menjelaskan hubungan yang lebih kuat.
Resistensi terhadap insektisida piretroid adalah fenotipe yang kompleks, dan sementara perubahan dalam metabolisme dan target relatif dipelajari dengan baik, perubahan dalam mikrobiota baru mulai dieksplorasi. Dalam studi ini, kami menunjukkan bahwa perubahan dalam mikrobiota mungkin lebih penting dalam populasi tertentu; kami lebih lanjut mengkarakterisasi resistensi insektisida di Anopheles arabiensis dari Bahir Dar dan menunjukkan perubahan dalam transkrip terkait resistensi yang diketahui, serta perubahan signifikan dalam gen terkait respirasi yang juga terbukti dalam studi RNA-seq sebelumnya dari populasi Anopheles arabiensis dari Ethiopia. Bersama-sama, hasil ini menunjukkan bahwa resistensi insektisida pada nyamuk ini mungkin bergantung pada kombinasi faktor genetik dan non-genetik, mungkin karena hubungan simbiosis dengan bakteri asli dapat melengkapi degradasi insektisida pada populasi dengan tingkat resistensi yang lebih rendah.
Studi terkini telah menghubungkan peningkatan respirasi dengan resistensi insektisida, konsisten dengan istilah ontologi yang diperkaya dalam Bahir Dar RNAseq dan data Ethiopia terintegrasi yang diperoleh di sini; sekali lagi menunjukkan bahwa resistensi mengakibatkan peningkatan respirasi, baik sebagai penyebab atau akibat dari fenotipe ini. Jika perubahan ini menyebabkan perbedaan dalam potensi spesies oksigen dan nitrogen reaktif, seperti yang disarankan sebelumnya, hal ini dapat memengaruhi kompetensi vektor dan kolonisasi mikroba melalui resistensi bakteri yang berbeda terhadap pemulungan ROS oleh bakteri komensal jangka panjang.
Data yang disajikan di sini memberikan bukti bahwa mikrobiota dapat memengaruhi resistensi insektisida di lingkungan tertentu. Kami juga menunjukkan bahwa nyamuk An. arabiensis di Ethiopia menunjukkan perubahan transkriptom serupa yang memberikan resistensi insektisida; namun, jumlah gen yang sesuai dengan yang ada di Burkina Faso kecil. Beberapa peringatan tetap ada mengenai kesimpulan yang dicapai di sini dan dalam penelitian lain. Pertama, hubungan kausal antara kelangsungan hidup piretroid dan mikrobiota perlu ditunjukkan menggunakan studi metabolomik atau transplantasi mikrobiota. Selain itu, validasi kandidat utama dalam beberapa populasi dari berbagai wilayah perlu ditunjukkan. Akhirnya, menggabungkan data transkriptom dengan data mikrobiota melalui studi pascatransplantasi yang ditargetkan akan memberikan informasi yang lebih rinci tentang apakah mikrobiota secara langsung memengaruhi transkriptom nyamuk sehubungan dengan resistensi piretroid. Namun, jika digabungkan, data kami menunjukkan bahwa resistensi bersifat lokal dan transnasional, yang menyoroti perlunya menguji produk insektisida baru di berbagai wilayah.