Untersuchung möglicher Auswirkungen des Klimawandels auf das Vorkommen und die Anthelminthikaresistenzentwicklung von trichostrongyliden Weideparasiten des Rindes

Abstract

Im Rahmen der Doktorarbeit wurden erfolgreich mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf das Verhalten und Überleben von freilebenden Stadien des Weideparasiten Cooperia oncophora untersucht. Zusätzlich wurden eventuelle Folgen auf die Entwicklung von AR im Weideversuch dargestellt. Die Effekte des Klimawandels sind in Deutschland schon spürbar und werden sich in Zukunft immer stärker auf die Rinderhaltung auswirken. Zum einen werden sich die Folgen über Hitzestress und Trockenheit direkt auf das Tier auswirken und zum anderen auch indirekt über die Futterproduktion und ihre Effekte auf die Rinderparasiten. Die wichtigsten und in der Doktorarbeit untersuchten Magendarmstrongyliden (MDS) des Rindes sind C. oncophora und O. ostertagi. Diese wirken sich schädlich auf das Wohlbefinden, die Gesundheit und die Leistung von Milchkühen und Mastkälbern aus. MDS verbringen einen Großteil ihres Lebenszykluses auf der Weide und sind dort den Umweltbedingungen ausgesetzt. Die Ergebnisse bestätigen, dass sich höhere Temperaturen und länger andauernde Trockenheit negativ auf das Überleben und die Fitness der L3 auswirken. In den letzten Jahren häufen sich die Berichte über AR bei MDS und es konnte bewiesen werden, dass sich ein verringertes Refugium und somit ein erhöhter Selektionsdruck beschleunigend auf die Bildung von AR auswirkt. Ob die Auswirkungen des Klimawandels in Deutschland zu einem höheren Selektionsdruck von MDS führen könnten, wurde in einem Gewächshaus- und einem Klimakammerversuch untersucht. Hierfür wurden zwei neue Methoden entwickelt, um L3 von Gras- und Bodenproben wiederzugewinnen. Beide Methoden erzielten eine höhere Rückgewinnungsrate mit einer geringeren Streuung als frühere Methoden und konnten außerdem schnell und ohne den Einsatz umweltschädlicher Substanzen durchgeführt werden. Mittels dieser Methoden konnte im Gewächshausversuch der negative Einfluss von Trockenstress auf das Larvenvorkommen von C. oncophora auf Gras bestätigt werden. Zusätzlich wurde gezeigt, dass sich ein hoher Leguminosenanteil positiv auf das L3 Vorkommen auswirkt. Der Gewächshausversuch legte außerdem den Verdacht nahe, dass sich ein großer Anteil der L3 Population im Boden aufhält. Diese These konnte im Klimakammerversuch bestätigt werden. In diesem Versuch konnte außerdem der negative Einfluss von höheren Temperaturen auf die L3 Fitness von L3 auf Gras und im Boden nachgewiesen werden. Des Weiteren stellte sich heraus, dass sich die Kombination von hohen Temperaturen und länger andauerndem Trockenstress besonders negativ auf das L3 Vorkommen und die L3 Fitness auswirkt. Die Entwicklung einer BZ-Resistenz wurde mittels eines schon teilresistenten O. ostertagi Isolates in einem Weideversuch untersucht. Obwohl dies kein Laborexperiment war und die Tiere sich beim Grasen auch mit C. oncophora, H. contortus und T. colubriformis infizierten, konnte der Anteil resistenter O. ostertagi nach nur fünf subtherapeutischen Behandlungen stark gesteigert werden. Subtherapeutische Behandlungen kommen in der Praxis häufig vor und stellen eines der Hauptprobleme zur Verbreitung von AR dar. Mittels Pyrosequenzierung konnte der Anstieg der mit Resistenz assoziierten Allele in der O. ostertagi Population genau nachverfolgt werden. Es zeigte sich deutlich, dass der in der Praxis hauptsächlich verwendete Eizahlreduktionstest (FECRT) zu ungenau ist, um Resistenzen frühzeitig zu entdecken. Dies liegt zum einen daran, dass man mittels FECRT keine Speziesunterscheidung bei den MDS- Eiern machen kann, und zum anderen die Reduzierung der Eizahl im Kot auch stark vom Tag der Beprobung abhängt. Alle Experimente zeigen, dass sich die deutschen Rinderhalter auf die Resistenzproblematik einstellen und ihr Entwurmungsmanagement dringend anpassen müssen, weil der Klimawandel diese Problematik noch verschärfen wird. Eine zukunftsträchtige Möglichkeit zur Bestimmung des MDS-Infektionsdrucks auf der Weide stellen Modelle dar. Für solche detailgenauen Modelle könnten die Daten aus dem Gewächshaus- und Klimakammerversuch wichtig sein. Allerdings müssten dazu noch weitere Experimente durchgeführt werden. Noch wenig erforscht sind bspw. die Überlebenszeiten und die Fitness von L3 nach den Wintermonaten auf der Weide und ob Unterschiede in der Umweltempfindlichkeit mittels eines Klimakammerversuchs zwischen resistenten oder für Anthelminthika noch empfänglichen L3 nachgewiesen werden können.

This dissertation successfully investigated the possible impact of climate change on the behaviour and survival of the parasite Cooperia oncophora. Additionally, influences on the development of anthelmintic resistance (AR) in trichostrongyles were assessed in a field experiment. In Germany effects of a changing climate are already evident and their impact on cattle industry will increase. They can be divided in direct effects such as heat and drought stress or indirect effects which comprise the fodder production and affect cattle parasites. C. oncophora and O. ostertagi are the most important gastrointestinal parasites of cattle in Germany and were therefore in the focus of the described work. They impact the well-being, health and the performance of dairy cows and beef stock. Gastrointestinal parasites spend most of their life cycle outside the host on pasture and there they are exposed to environmental conditions. The results confirm that higher temperatures and long lasting drought stress effect negatively the survival and fitness of the third and infectious larval stage (L3). During the last years the reports about AR in gastrointestinal parasites increased. It could be shown that a reduced refugium leads to a higher selection pressure which accelerates the development of AR. In a greenhouse- and a climate chamber experiment was investigated if the effects of a future climate change in Germany will lead to a higher selection pressure of GI parasites. For this purpose two new methods were developed to recover L3 from herbage and soil samples. Both methods showed a higher recovery with a smaller variance than previously used methods and they were feasible fast and without the use of hazardous substances. The greenhouse experiment proved the negative influence of drought stress on the occurrence of C. oncophora L3 on herbage while a higher legume content has a positive effect. The greenhouse experiment raised the suspicion that a big part of the L3 population is located in soil. This hypothesis was confirmed in the climate chamber experiment. In this experiment it was also shown how higher temperatures affect negatively the fitness of L3 on herbage and in soil and that the combination of higher temperatures and long lasting drought stress has an even stronger impact on L3 fitness and occurrence. The development of a resistance against BZ was examined using a partly resistant O. ostertagi isolate in a field experiment. Although this was not under laboratory conditions and calves also infected themselves by grazing with C. oncophora, H. contortus and T. colubriformis the part of resistant O. ostertagi could be increased by only five sub-therapeutic treatments. Sub- therapeutic treatments are common in practice and they are one of the main reasons for the increase of anthelmintic resistance. Using pyrosequencing the increase of the alleles associated with resistance could be exactly monitored. It was shown that the faecal egg count reduction test (FECRT), which is mainly used in the field to detect AR, is not accurate enough for an early detection of AR, because FECRT allows no species differentiation, and additionally the number of eggs is also dependent on the sampling date. All experiments show that it is important for German livestock farmers to adapt their anthelminthic treatment management since climate change will possibly increase the AR problem. A possibility to estimate the infection pressure of MDS on pasture may lay in the development of models. For detailed models the obtained data from the greenhouse and the climate chamber experiment could be important, but more experiments should be performed to generate larger data sets. For example the survival and fitness of L3 after the winter months on pasture and also if there are differences between the sensitivity against environmental conditions between anthelmintic susceptible or resistant L3 are poorly examined.