Epidemiology of endoparasites of recolonizing European grey wolves in a multi–host predator–prey–system

Abstract

When large carnivores recolonize anthropogenic landscapes after phases of local extinction, they represent a new predator and host that may impact its new ecosystem by changing trophic cascades and altering pathogen transmission dynamics. Such an event allows us to study general ecological aspects such as diet, behaviour and pathogen load, but it is also the equivalent of a ‘removal experiment’. Here, potential epidemiological effects of the returnee on its prey or related carnivore species in its presence and absence can be investigated. European grey wolves (Canis lupus) returned to Germany during the late 1990’s, and have been continuously expanding their range. Within the frame of the national wolf health monitoring project, researchers have examined the expansion process regarding causes of death and infectious diseases, including endoparasites. Host-parasite burden may be influenced by several factors related to individual fitness but also environmental conditions, and may therefore be predicted based on such measures. In chapter I, I investigated which intrinsic and extrinsic factors impact parasite diversity and species richness in the Central European lowland (CEL) wolf population during population expansion. I characterized its helminth and Sarcocystis fauna using a combination of classical sequencing and current metabarcoding techniques. Furthermore, I sought to find evidence on whether wolves increase metacestode prevalence in their ungulate prey species that serve as intermediate hosts of some wolf cestodes. I identified 13 known helminth and 11 known Sarcocystis species in the CEL wolf population, but only a low prevalence (2%) of zoonotic species. I discovered that helminth diversity and species richness vary with wolf age, and significantly increase with growing population size, whereas genetic heterozygozity, sex and geographic origin had no influence. However, I did not find a significant link of ungulate metacestode prevalence and wolf presence. Concluding from these findings, I suggest that the accumulation of wolf endoparasites within the environment as well as increased contact rates amongst conspecifics lead to an increased general parasite burden in wolves linked to population growth. On the other hand, the influence of wolves on their ungulate prey regarding tapeworm infections seems to be negligible but may increase with ongoing wolf presence and range expansion. Furthermore, the detected age-related fluctuations in helminth burden suggest that maturing immune processes control individual helminth burden during early life stages in wolves, while an accumulation of helminths occurs during later life stages. As shown in chapter I, CEL wolves are the definitive host of several Sarcocystis species, but it is presently not clear how returning wolves alter Sarcocystis infection patterns in ungulate intermediate hosts. This apicomplexan parasite has a two- host life cycle, which involves a carnivorous definitive host and intermediate hosts that serve as prey to the former. In chapter II, I use a combination of microscopy and metabarcoding to investigate Sarcocystis infection in three ungulate prey species and wolves. I show that red deer have a significantly increased risk of Sarcocystis infection when wolves are present in the same habitat, and that this effect is most likely driven by the two species of S. grueneri and S. taeniata. These two parasite species seem to be well adapted to wolves as they occurred more often in wolves than expected considering the infection patterns of their prey. Contextually, for the purposes of this thesis I term these parasite species as ‘wolf-specialized’. Sarcocystis species richness significantly decreased with wolf age, indicating that an age-related increase in immune competence might control Sarcocystis burden in wolves. Based on these results, I speculate that wolves represent a returning apex predator of large ungulates like red deer, and therefore are resurrecting the parasite life cycles in this species, while they have a non-significant impact on other ungulates. To understand the broader picture of parasite epidemiology the role of alternative hosts must not be disregarded. Understanding the infection dynamics of multi-host pathogens is essential to reduce/prevent spillover to threatened wildlife but also from wildlife to domesticated species or even humans. In chapter III, I use a metabarcoding protocol to analyse whether wolves also have a cumulative impact on parasite burden in domestic hunting dogs. In this chapter, I present that most species I detected in dogs are shared with wolves, and that there is no wolf- associated increase of helminth or overall Sarcocystis prevalence and species richness in hunting dogs. Only the ‘wolf-specialized’ protozoan S. grueneri was more likely to occur in hounds when wolves were present. Therefore, wolves only have a minor epidemiological influence on hounds regarding the parasites they share. The most likely reasons for these findings are that dogs receive regular anthelminthic treatments keeping helminth infection rate low, and they receive a diverse mix of raw meat when fed by their owners, keeping Sarcocystis infection rate high. Likewise, hunting dogs and wolves may represent equally suitable hosts for particular parasites leading to a substitution of wolves by dog hosts while wolves were locally extinct. To conclude, CEL wolves do harbour a diverse endoparasite fauna, but their role regarding the spread of zoonotic species is negligible. Aside from that, this thesis provides valuable insights into the parasite ecology of a recovering large carnivore population as well as its impact on food-web related parasite distribution patterns in their prey species and domestic hunting dogs.

Wenn lokal ausgestorbene Großkarnivoren die Kulturlandschaft wiederbesiedeln, stellen sie sowohl neue Beutegreifer als auch neue Wirte im jeweiligen Ökosystem dar. Es kann vorkommen, dass sie hier nicht nur die Nahrungskette, sondern auch die Übertragung von Krankheitserregern innerhalb des Nahrungsnetzes verändern. Solche Ereignisse ermöglichen es, generelle ökologische Aspekte der betroffenen Arten zu untersuchen, wie zum Beispiel ihre Ernährung, ihr Verhalten und ihre Pathogenlast. Gleichzeitig stellt ein solches Ereignis aber auch ein „Eliminations-Experiment“ dar. Es erlaubt uns potentielle epidemiologische Effekte des Rückkehrers auf seine Beutetiere oder verwandte Fleischfresser in seiner An- und Abwesenheit zu untersuchen. Der Europäische Grauwolf (Canis lupus) begann in den späten 1990er Jahren Deutschland wieder zu besiedeln und breitet sich seither kontinuierlich aus. Im Rahmen des nationalen Wolf-Gesundheits-Monitorings wird der Ausbreitungsprozess hinsichtlich der Todesursachen und Infektionskrankheiten der Wölfe, inklusive ihrer Endoparasiten, untersucht. Die Parasitenlast eines Wirts kann durch vielerlei Faktoren, die mit der individuellen Fitness oder auch mit Umweltbedingungen verknüpft sind, beeinflusst werden und ist daher anhand solcher Parameter vorhergesagbar. In Kapitel I habe ich untersucht, welche intrinsischen und extrinsischen Faktoren die Parasitendiversität und -artenvielfalt bei Wölfen der zentraleuropäischen Flachlandpopulation (ZEF) während der Populationsausbreitung steuern. Ich habe die Helminthen- und Sarcocystis-Fauna mit Hilfe einer Kombination aus klassischen Sequenzier- und modernen metabarcoding Methoden charakterisiert. Weiterhin habe ich nach Hinweisen gesucht, ob bei Anwesenheit von Wölfen die Befallsrate mit Metazestoden in ihren Beutetieren ansteigt, da diese als Zwischenwirte für einige Wolfsbandwurmarten fungieren. Ich habe 13 bekannte Helminthen- und 11 bekannte Sarcocystis-Arten identifiziert sowie eine geringe Prävalenz zoonotischer Arten (2%). Ich konnte zeigen, dass die Helminthendiversität und -artenvielfalt signifikant mit dem Wolfsalter schwankt und mit wachsender Wolfspopulationsgröße signifikant ansteigt, wobei der Heterozygotiegrad, das Geschlecht und die geographische Herkunft keinen Einfluss hatten. Ich fand keine Hinweise darauf, dass es eine Verbindung zwischen der Befallsrate mit Metazestoden in den Beutetieren und der Anwesenheit der Wölfe gibt. Hieraus lässt sich schlussfolgern, dass die Akkumulation von Wolfsparasiten in der Umwelt sowie eine erhöhte Kontaktfrequenz unter Artgenossen zu einer erhöhten Belastung mit Parasiten innerhalb der Wolfspopulation führen. Beide Faktoren sind durch die wachsende Populationsgröße bedingt. Andererseits scheint derzeit der Einfluss der Wölfe auf ihre paarhufigen Beutetiere bezüglich Zestodeninfektionen vernachlässigbar zu sein. Dies könnte allerdings mit fortschreitender Wolfspräsenz und -ausbreitung an Bedeutung gewinnen. Außerdem deuten die altersbedingten Schwankungen in der Helminthenlast darauf hin, dass reifende Immunprozesse bei heranwachsenden Wölfen die individuelle Wurmlast senken, während mit fortschreitendem Alter eine Akkumulation eintritt. Wie in Kapitel I gezeigt, sind ZEF Wölfe Endwirt verschiedener Sarcocystis-Arten. Allerdings war bisher nicht bekannt, inwieweit zurückkehrende Wölfe die Sarcocystis-Infektionsmuster der paarhufigen Zwischenwirte beeinflussen. Diese Parasiten aus dem Stamm der Apikomplexa brauchen zwei Wirte zur Vollendung ihres Lebenszyklus – einen Fleischfresser als Endwirt und einen Zwischenwirt, der als Beutetier des ersten fungiert. In Kapitel II habe ich eine Kombination aus Mikroskopie und metabarcoding genutzt, um Sarcocystis-Infektionen in drei Paarhuferarten und Wölfen zu bestimmen. Ich zeigte, dass Rothirsche ein signifikant höheres Infektionsrisiko haben, wenn sie ihr Habitat mit Wölfen teilen und dass dieser Effekt wahrscheinlich durch die beiden Arten S. grueneri und S. taeniata hervorgerufen wird. Es lässt sich vermuten, dass diese beiden Parasitenarten sehr gut an Wölfe angepasst sind, da sie häufiger als erwartet, basierend auf den Infektionsmustern in den Beutetieren, in Wölfen detektiert wurden. Sinngemäß verwende ich im Rahmen dieser These den Begriff ‚wolfsspezialisiert‘ für diese beiden Arten. Die Sarcocystis- Artenvielfalt nimmt mit steigendem Wolfsalter signifikant ab, was auf eine mit dem Alter steigende Immunkompetenz hinweist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Wölfe als Hauptbeutegreifer der Rothirsche zurückgekehrt sind und nun die Parasitenzyklen in diesem Paarhufer wiederbeleben, während sie einen weniger relevanten Einfluss auf andere Paarhufer haben. Um die Epidemiologie parasitologischer Infektionen in einem breiteren Kontext beurteilen zu können, ist es wichtig, die Dynamik von Infektionserregern und die Rolle alternativer Wirte besser zu verstehen. Dies ist von besonderer Relevanz, wenn Erreger mehrere Wirtsarten befallen können. Hierdurch ließe sich die Übertragung solcher Pathogene auf bedrohte Tierarten oder auch von Wildtieren auf Haustiere und/oder Menschen reduzieren/verhindern. In Kapitel III habe ich ein metabarcoding Protokoll angewendet, um herauszufinden, ob Wölfe ebenfalls einen kumulativen Effekt auf die Parasitenlast bei Jagdhunden haben. Es hat sich gezeigt, dass sich Hunde die meisten der bei ihnen festgestellten Parasiten mit Wölfen teilen. Weiterhin gibt es keinen wolfsassoziierten Anstieg der Prävalenz und Artenvielfalt von Helminthen und Sarcocystis sp. bei Jagdhunden. Infektionen mit der wolfsspezialisierten Art S. grueneri waren allerdings wahrscheinlicher, wenn Wölfe anwesend waren. Daraus lässt sich ableiten, dass Wölfe einen geringen epidemiologischen Einfluss auf die Parasitenlast von Jagdhunden haben. Naheliegende Gründe für diese Ergebnisse sind, dass Jagdhunde regelmäßig entwurmt werden, wodurch die Wurmlast niedrig gehalten wird. Außerdem erhalten Jagdhunde eine diverse Mischung an Rohfleisch, was die generelle Sarcocystis-Last hoch hält. Weiterhin ist denkbar, dass Jagdhunde und Wölfe gleichwertige Wirte für bestimmte Parasiten darstellen, was zu einer Substitution des Endwirtes Wolf durch den Endwirt Jagdhund während der lokalen Wolfsausrottung geführt haben könnte. Zusammenfassend kann man sagen, dass ZEF Wölfe trotz ihrer diversen Parasitenfauna nur eine untergeordnete Rolle für die Verbreitung zoonotischer Arten spielen. Weiterhin schafft diese These einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der Ökologie von Parasiten eines wilden, großen Beutegreifers und dessen Einfluss auf, mit der Nahrungskette assoziierte, Parasiten und deren Verbreitungsmuster in Jagdhunden und ihren gemeinsamen Beutetieren.