Wildlife and disease monitoring plays a vital role in preparing and understanding our changing world; not only for gaining insights into ecological dynamics and pandemic preparedness, but also for formulating effective strategies to combat the global decline in biodiversity, particularly in resource poor tropical biodiversity hotspots. Invertebrate sources of eDNA, such as fly iDNA have demonstrated their value as a cost and resource efficient biomonitoring tool. They are not only effective in tracking wildlife diversity and identifying wild pathogens, but also hold promise for in-depth exploration of various aspects of wildlife and pathogen ecology. Considering the successful implementation of fly iDNA in previous studies for both of these aspects animal and pathogen detection in isolation, here I examined if fly iDNA can provide insights into disease ecology along different habitat types. I also explored the potential for flies to serve as a mechanical vector along these different habitats, in particular looking at primate associated flies, and their potential to move pathogens from the pristine forest to human use areas. Lastly, I explored potential ways to optimize existing fly iDNA analysis schemes, so that they can maximizing the sampling throughput and reduce costs, in an effort to enable broader-scale biodiversity assessments. For the first study, fly iDNA were molecularly analysed to investigate the geographic distribution of a sylvatic anthrax causing pathogen, Bacillus cereus biovar anthracis (Bcbva) and revealed significant variation in the detection of Bcbva across the habitats spanning from Taï rainforest to the nearby villages. In addition, whole genome sequencing of Bcbva from positive fly pools revealed considerable overlap with the genomic diversity of Bcbva described with decades of surveillance efforts. Metabarcoding of fly iDNA was also conducted to analyse the composition of both fly and mammal communities along this ecological gradient, with the goal of exploring potential associations with the detection of Bcbva. The highest detection of Bcbva was found in the area where the most diverse mammal community was detected, in the forest. No Bcbva was detected in the village habitat, where the least diverse mammal community was detected, suggesting a strong reliance of Bcbva on the rainforest ecosystem. However, the study also demonstrated the highest fly community at the edge of the forest, with flies from both anthropogenic and the forest areas found at this interface, which highlighted the potential risk of flies to act as disease transmitting vector between rainforest wildlife and the human habitants in surrounding villages. Therefore, in our second study, I conducted a mark-recapture experiment to study the movement patterns of flies associated with non-human primates in the vicinity of Kibale National Park, Uganda. Flies Marked within non-human primate groups were subsequently recaptured in areas used by humans, with 19 marked flies were captured with a recapture effort of 28,615 recapture effort flies. The application of metabarcoding on the flies collected within non-human primate groups unveiled the presence of DNA from various eukaryotic parasites associated with primates. In summary, these findings underscore the potential role of flies as potential vectors facilitating interactions between non-human primates, livestock, and humans in this ecologically diverse region. In the third and final study of this thesis, I explored the potential of bulk fly pooling based destructive and non-destructive extraction schemes. I did this using flies captured across eight different sites in five African countries representing three different habitats and subsequently compared the findings with a previous study by Gogarten et al. (2020), which used the same flies but extracted destructively in smaller pools. While both of the bulk fly pool based extraction methods resulted in a significant reduction of cost and resources, the bulk non-destructive extraction method provided similarly effective to the more labour intensive smaller pool extraction methods used previously. This suggest that in some cases, particularly where pooling does not lose valuable information, as would be the case for some disease ecology investigations, the non-destructive bulk pooling method may be the most effective strategy. In conclusion, the use of fly iDNA for biomonitoring represents a promising avenue for investigating disease ecology across various habitat types. Simultaneously, flies at human-wildlife interfaces may move between these habitats, thus highlighting their potential to serve as potential vectors for emerging infectious pathogens in the wild. And finally, it appears that the approach of bulk pooling fly bodies and subsequently employing a non-digestion buffer for DNA extraction has the potential to streamline the conventional fly extraction process, and has the potential to help bring these methods into more resource poor research laboratories. These innovations bring with them the potential to facilitate the widespread use of fly iDNA for terrestrial biomonitoring.
Die Überwachung von Wildtieren und Krankheiten spielt eine entscheidende Rolle bei der Erforschung unserer sich wandelnden Welt; nicht nur, um Erkenntnisse über die ökologische Dynamik und die Vorsorge gegen Pandemien zu gewinnen, sondern auch, um wirksame Strategien zur Bekämpfung des weltweiten Rückgangs der biologischen Vielfalt zu entwickeln, insbesondere in ressourcenarmen tropischen Hotspots der biologischen Vielfalt. Wirbellose eDNA-Quellen wie die iDNA von Fliegen haben ihren Wert als kosten- und ressourceneffizientes Biomonitoring-Instrument unter Beweis gestellt. Sie sind nicht nur wirksam bei der Erfassung der Artenvielfalt wildlebender Tiere und der Identifizierung wildlebender Krankheitserreger, sondern versprechen auch eine eingehende Erforschung verschiedener Aspekte der Ökologie wildlebender Tiere und Krankheitserreger. In Anbetracht der erfolgreichen Anwendung von Fliegen-iDNA in früheren Studien für beide Aspekte - den Nachweis von Tieren und Krankheitserregern - habe ich hier untersucht, ob Fliegen-iDNA Einblicke in die Krankheitsökologie entlang verschiedener Habitattypen geben kann. Außerdem untersuchte ich das Potenzial von Fliegen als Überträger in diesen verschiedenen Lebensräumen, insbesondere von Fliegen, die mit Primaten assoziiert sind, und ihr Potenzial, Krankheitserreger aus dem Urwald in vom Menschen genutzte Gebiete zu tragen. Schließlich untersuchte ich Möglichkeiten zur Optimierung bestehender iDNA-Analyseverfahren für Fliegen, um den Durchsatz bei der Probennahme zu maximieren und die Kosten zu senken, damit die biologische Vielfalt in größerem Maßstab bewertet werden kann. In der ersten Studie wurde die iDNA von Fliegen auf molekularbiologischer Ebene analysiert, um die geografische Verbreitung des sylvatischen Milzbranderregers Bacillus cereus biovar anthracis (Bcbva) zu untersuchen, und es zeigten sich erhebliche Unterschiede beim Nachweis von Bcbva in den verschiedenen Lebensräumen vom Taï-Regenwald bis zu den nahe gelegenen Dörfern. Darüber hinaus ergab die Sequenzierung des gesamten Genoms von Bcbva aus positiven Fliegenpools deutliche Übereinstimmungen mit der genomischen Vielfalt von Bcbva, die durch jahrzehntelange Überwachungsaktivitäten beschrieben wurde. Es wurde auch eine Metabarcodierung der iDNA von Fliegen durchgeführt, um die Zusammensetzung der Fliegen- und Säugetiergemeinschaften entlang dieses ökologischen Gradienten zu analysieren und mögliche Zusammenhänge mit dem Nachweis von Bcbva zu untersuchen. Die häufigste Entdeckung von Bcbva erfolgte in dem Gebiet, in dem auch die vielfältigste Säugetiergemeinschaft nachgewiesen wurde, nämlich im Wald. Im dörflichen Lebensraum, in dem die am geringsten diversifizierte Säugetiergemeinschaft nachgewiesen wurde, wurde kein Bcbva nachgewiesen, was auf eine starke Abhängigkeit von Bcbva vom Ökosystem des Regenwaldes schließen lässt. Die Studie zeigte jedoch auch, dass die größte Fliegengemeinschaft am Waldrand zu finden war, wo Fliegen sowohl aus anthropogenen als auch aus Waldbereichen stammten, was das potenzielle Risiko von Fliegen als Krankheitsüberträger zwischen den Wildtieren des Regenwaldes und den menschlichen Bewohnern in den umliegenden Dörfern verdeutlicht. Daher habe ich in der zweiten Studie ein Markierungs-Wiederfang-Experiment durchgeführt, um die Bewegungsmuster von Fliegen zu untersuchen, die mit nicht-menschlichen Primaten in der Nähe des Kibale-Nationalparks in Uganda vergesellschaftet sind. Markierte Fliegen, die sich in Gruppen von nicht-menschlichen Primaten aufhielten, wurden anschließend in von Menschen genutzten Gebieten wieder eingefangen, wobei 19 markierte Fliegen mit einem Wiederfangaufwand von 28.615 Fliegen gefangen wurden. Die Anwendung des Metabarcoding auf die in nicht-menschlichen Primatengruppen gesammelten Fliegen enthüllte das Vorhandensein von DNA verschiedener eukaryotischer Parasiten, die mit Primaten assoziiert sind. Zusammenfassend unterstreichen diese Ergebnisse die potenzielle Rolle der Fliegen als potenzielle Überträger, die in dieser ökologisch vielfältigen Region Interaktionen zwischen nicht-menschlichen Primaten, Nutztieren und Menschen ermöglichen. In der dritten und letzten Studie dieser Arbeit untersuchte ich das Potenzial von destruktiven und nicht-destruktiven Extraktionsverfahren auf der Basis von Fliegen-Pools. Dazu verwendete ich Fliegen, die an acht verschiedenen Standorten in fünf afrikanischen Ländern in drei verschiedenen Habitaten gefangen wurden, und verglich die Ergebnisse mit einer früheren Studie von Gogarten et al. (2020), in der dieselben Fliegen verwendet, aber destruktiv in kleineren Pools extrahiert wurden. Während beide Extraktionsmethoden auf der Grundlage von großen Fliegen-Pools zu einer erheblichen Verringerung der Kosten und Ressourcen führten, war die nicht-destruktive Extraktionsmethode ähnlich effektiv wie die zuvor verwendeten arbeitsintensiveren Extraktionsmethoden für kleinere Pools. Dies deutet darauf hin, dass in einigen Fällen, insbesondere wenn durch das Pooling keine wertvollen Informationen verloren gehen, wie dies bei einigen krankheitsökologischen Untersuchungen der Fall ist, die nicht-destruktive Pooling-Methode die effektivste Strategie sein könnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung von Fliegen-iDNA für das Biomonitoring einen erfolgversprechenden Weg zur Untersuchung der Krankheitsökologie in verschiedenen Habitattypen darstellt. Gleichzeitig können sich Fliegen an den Schnittstellen zwischen Mensch und Tier zwischen diesen Lebensräumen bewegen, was ihr Potenzial als potenzielle Vektoren für neu auftretende infektiöse Erreger in der freien Natur verdeutlicht. Und schließlich hat es den Anschein, dass der gewählte Ansatz, Fliegenkörper in einem Pool zusammenzufassen und anschließend einen Puffer ohne Verdauung für die DNA-Extraktion zu verwenden, das Potenzial hat, den konventionellen Fliegenextraktionsprozess zu optimieren und dazu beizutragen, dass diese Methoden auch in ressourcenarmen Forschungslaboren eingesetzt werden können. Diese Verbesserungen haben das Potenzial, die weit verbreitete Anwendung von iDNA aus Fliegen für das terrestrische Biomonitoring zu erleichtern.
