The effect of environmental differences on the immune response of rodents

Abstract

In comparison with medical immunology, which focuses on mechanistic descriptions of defense mechanisms against pathogens and parasites, ecological immunology hypothesizes that variation in immune defense, both within and among species, is a result of biotic and abiotic factors of an animal’s environment. Macro-environment can greatly influence immunity in terms of both resources and pathogen pressure. In this thesis, I attempted to compare the immunity of animals living in different human-influenced environmental gradients. By using different study designs (comparative, experimental and correlative approaches), I examined whether captivity, colonization history and urbanization have an effect on the immunity of rodents. Rodents constitute the most diverse group of mammals, accounting for over 40% of all the extant mammalian species. They are one of the most important reservoirs for zoonotic emerging pathogens due in part to their life-history traits (e.g., short lifespan with multiple litters) and close proximity to human populations. Moreover, the vast majority of immunological knowledge has been generated by studies on laboratory model rodents (e.g., house mouse Mus musculus, lab rats Rattus rattus and R. norvegicus), and the developed immunological techniques and tools can be generally applied to free-living conspecifics. Previous comparative eco-immunological studies have suggested that mating promiscuity is one of the main factors explaining the variation in basal immune investment (total and differential white blood cell (WBC) counts) in captive primates and carnivores. In Chapter 2, I examined whether this conclusion is generalizable to other mammalian groups, how the observed patterns are related to the living environment and if there are differences between free-living and captive animals. Using phylogenetic generalized least-squares statistical models considering non-independence resulting from shared ancestry, I confirmed that species with greater adult body mass averaged across sexes had elevated total and differential (neutrophils and lymphocytes) WBC counts, and found that captive animals presented higher lymphocyte numbers than free-ranging ones. However, I found that the total and differential WBC counts did not co-vary with the residual testes mass, a correlate of mating promiscuity, suggesting that previous conclusion generated from studies of captive primates and carnivores is not generalizable to all mammals. These results also emphasize the need for further comparative studies on free-ranging animals. Parasites play an important role in the invasion processes and success of their hosts through multiple biological mechanisms such as ‘parasite release’, ‘immuno- competence advantage’ or ‘novel weapon’, among others. In Chapter 3, I examined whether colonization history had an effect on the immunity of western house mouse (M. m. domesticus). Using a common garden experimental approach of wild-derived outbred laboratory populations, I compared the cellular and humoral immunity of European and Iranian mice, representing the newly colonized and source populations respectively. I found that European mice had lower total WBC counts but higher immunoglobulin E concentrations than their Iranian counterparts, providing the first empirical evidence that successful invasive species downregulate their costly cellular immune mechanisms in new habitats, which is compensated by developing high antibody-mediated immunity. Invasive species capable of such immunological shift can be successful in novel habitats by increasing fitness both in term of survival (e.g., efficient immunity, low costs) and reproduction (e.g., investing more resources). Since the beginning of last century, urbanization has had considerable global effects such as overpopulation and environmental pollution, favoring the emergence and re-emergence of various infectious agents, including those originating from wildlife. It is unclear, however, which physiological mechanisms are behind these emergence events. I attempted to address these questions in the Chapter 4 by measuring the morphological, physiological and pathophysiological traits (morphometry, allostatic load, immunity, parasite load) of free-living brown rats (R. norvegicus) sampled from forest-rural, agro-rural and urban areas along a gradient of increasing urbanization and human population density in Henan Province, China. Urban rats had increased body condition, but also relatively higher allostatic (stress) and parasite load compared to rural individuals, indicating the complex effect of urbanization on the physiology of wildlife. The results of this dissertation demonstrate that anthropogenic activities (captive maintenance, colonization history, and urbanization) have a clear effect on the immuno- and reservoir- competence of rodents, information which may be crucial in the context of the ‘One Health’, concept which recognizes human, animal and environmental health as connected and interlinked.

Im Vergleich mit der medizinischen Immunologie, die sich auf die mechanistische Beschreibung der Abwehrmechanismen gegen Krankheitserreger konzentriert, geht die ökologische Immunologie davon aus, dass die Variation der Immunabwehr, sowohl innerhalb einer Tierart als auch zwischen den Tierarten, von biotischen und abiotischen Umweltfaktoren beeinflusst wird. Das Makroumfeld hat dabei generell einen Einfluss auf die Immunität in Hinblick auf die Reserven und den pathogenen Druck. In der vorliegenden Arbeit wird die Immunität von Tieren aus verschieden stark durch den Menschen beeinflussten Umgebungen miteinander verglichen. Durch den Gebrauch unterschiedlicher Studienansätze (komparative, experimentelle und korrelative) untersuchte ich, ob Gefangenschaft, Kolonisationsgeschichte sowie Urbanisierung einen Effekt auf die Immunität von Nagetieren hat. Innerhalb der Säugetiere sind Nagetiere die Gruppe mit der höchsten Diversität, welche mehr als 40% der gesamten Säugetierarten stellt. Infolge ihrer lebensgeschichtlichen Merkmale (z.B. kurze Lebensspanne mit vielen Nachkommen) und ihrer engen Nähe zur menschlichen Bevölkerung stellen Nagetiere eines der wichtigsten Reservoire von neu aufkommenden Zoonose-Erregern dar. Ein großer Teil des heutigen Wissens über die Immunologie wurde an Modell-Labornagetieren wie z.B. der, Hausmaus (Mus musculus) und Laborratten (Rattus rattus und R. norvegicus) gewonnen. Die hierbei entwickelten immunologischen Techniken und Methoden sind leicht auf wild lebende Artgenossen anwendbar. Frühere vergleichende Arbeiten der Öko-Immunologie deuteten darauf hin, dass Promiskuität ein Hauptfaktor zur Erklärung der Varianz unterschiedlicher relativer Investitionen in die grundlegende Immunantwort (Gesamtzahl weißer Blutkörperchen und Differentialblutbild) bei in Gefangenschaft gehaltenen Primaten und Karnivoren darstellt. Im zweiten Kapitel wird geprüft, ob diese Schlussfolgerung auf andere Säugetierarten generalisierbar bzw. übertragbar ist und wie das beobachtete Muster in Verbindung zu Umweltbedingungen gebracht werden kann. Auch wird untersucht ob und in wie fern Unterschiede zwischen wild lebenden und in Gefangenschaft gehaltenen Tieren bestehen. Durch Einsatz der phylogenetisch generalisierten statistischen Methode der kleinsten Fehlerquadrate, welche unabhängige Resultate gleicher Herkunft berücksichtigt, konnte ich bestätigen, dass Tiere mit größerer adulter Körpermasse (bei gleichem Anteil beider Geschlechter) eine höhere absolute Anzahl weißer Blutkörperchen und im Differentialblutbild einen hören Anteil neutrophiler Granulozyten und Lymphozyten aufwiesen. Tiere in Gefangenschaft wiesen im Vergleich zu wild lebenden eine höhere Anzahl an Lymphozyten auf. Es fand sich jedoch keine Korrelation mit der Hodenmasse als Maß für promiskuitive Paarungssysteme. Dies legt nahe, dass sich die Schlussfolgerungen von Studien an in Gefangenschaft lebenden Primaten und Karnivoren nicht generell auf alle Säugetiere übertragen lassen. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie unterstreichen den Bedarf für weitere vergleichende Studien an wild lebenden Tieren. Parasiten spielen eine wichtige Rolle beim Invasionsprozess und dem Wirtserfolg durch multiple biologische Mechanismen wie unter anderem dem der Parasitenfreisetzung, des Immunkompetenzgewinns oder ihrer neuartigen Waffen. In Kapitel 3 untersuchte ich, ob die Kolonisierungsgeschichte einen Effekt auf die Immunität der westlichen Hausmaus (M. m. domesticus) hat. Mittels aus der Wildnis stammender ausgezüchteter Labormauspopulationen verglich ich die zelluläre und humorale Immunität der Europäischen und der Iranischen Maus, welche die neu kolonialisierte, respektive die Ausgangspopulation repräsentieren. Die vorliegenden Studien zeigten, dass Europäische Mäuse im Vergleich zu ihren iranischen Verwandten eine niedrigere Anzahl weißer Blutkörperchen aufwiesen aber zugleich eine höhere Konzentration an Immunglobulin E. Dies stellt den ersten empirischen Beweis für eine erfolgreiche invasive Art dar, ihre kostenintensiven zellulären Immunmechanismen in einem neuen Habitat herabzuregulieren und zum Ausgleich eine höhere antikörpervermittelte Immunität zu entwickeln. Invasive Arten, die die Fähigkeit einer derartigen Verlagerung der Immunabwehr besitzen, verfügen in einem neuen Habitat über einen Vorteil sowohl im Überleben (z.B. effizienteres Immunsystem, geringere Kosten), als auch bei der Reproduktion (z.B. mehr freie Ressourcen investierbar). Die seit Beginn des letzten Jahrhunderts durch zunehmende Urbanisierung entstandenen massiven globalen Effekte, insbesondere der Überbevölkerung und Umweltverschmutzung, begünstigen das Auftauchen und Wiederaufkeimen verschiedener infektiöser Erreger inklusive solcher, welche ihren Ursprung in Wildtieren nehmen. Bis dato ist unklar, welche physiologischen Mechanismen dieser Entwicklung zugrunde liegen. Diesen Fragen versuchte ich in Kapitel 4 nachzugehen, indem ich die morphologischen, physiologischen und pathophysiologischen Merkmale (Morphometrie, allostatische Last, Immunität, parasitäre Belastung) der wild lebenden braunen Ratte (R. norvegicus) in abgelegenen Wald- , Agrar-, sowie urbanisierten Regionen entlang eines Urbanisierungsgradienten und in Abhängigkeit der der Bevölkerungsdichte der chinesischen Provinz Henan untersuchte. Urbane Ratten wiesen dabei eine höhere Körpermasse, aber auch eine höhere allostatische- und Parasitenblast im Vergleich zu Ratten aus abgelegeneren Regionen auf. Dies weist auf einen komplexen Effekt von Urbanisierung auf die Physiologie der Wildtiere hin. Die in dieser Dissertation vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass anthropogene Aktivitäten (Gefangenschaftshaltung, Kolonisierungsgeschichte und Urbanisierung) einen deutlichen Effekt auf die Immunkompetenz und den Gehalt an Pathogenen (Anzahl und Arten) von Nagetieren ausüben. Diese Informationen sind essentiell im Hinblick auf das „One Health“ Konzept, welches der engen Verknüpfung zwischen der Gesundheit von Menschen und Tieren und der Umwelt Rechnung trägt.