Eco-Immunology and Oxidative Stress of Neotropical Bats

Abstract

Survival and longevity are two important fitness parameters for species with low reproductive rates, as prolonged survival increases lifetime reproductive success and thus overall fitness. The immune system ensures an individuals ability to fight parasite and pathogens and is therefore of central importance for survival. It is hypothesised that variations in immune components can largely be attributed to the biotic and abiotic environment an animal lives in. Although comparative studies on captive populations found a connection between social and ecological factors with the immune system, evidence from natural populations are scarce. Bats are ideal model organisms to investigate eco-immunological questions, as they are on one hand ecologically highly diverse, covering a wide variety of niches, and are on the other hand known to carry prominent pathogens, and thus their immune system should be adapted accordingly. In Chapter I, I asked if two ecological factors – diet and roost choice – are connected with aspects of the immune system in bats. Applying phylogenetic comparative methods, I found that white blood cell (WBC) counts of 24 Neotropical bat species varied with the species’ diet, and that bacterial killing ability of the plasma (BKA) was connected to the permanence and protection of daytime roosts. Both ecological factors may mirror the pathogenic environment a species lives in, and thus these results suggest that ecology is an important factor in the evolution of immune components. Although the immune system is of central importance for survival, mounting and maintaining immune components is energetically costly and thus can cause trade-offs with other life-history traits, leading to a reduction rather than prolongation of lifespan. In Chapter II, I investigated if survival and age is connected to immune components in the greater sac-winged bat (Saccopteryx bilineata). As this species shows a high roost fidelity, individuals disappearing from colonies after maturation most likely died. I assessed total WBC counts, BKA and immunoglobulin G titers in individuals of various age classes and observed which individuals remained in the colony after sampling. I found individuals with high BKAs and WBC counts to disappear from the colonies and in accordance with this finding, older individuals had lower WBC counts than young ones. This study gives first evidence that elevated levels of immune components may be associated with increased mortality risk in mammals and thus may to a certain extent be selected against. With these results, the question arises what physiological processes connected to mounting an immune response can have negative effects on longevity. One potential candidate is oxidative stress, an imbalance between reactive oxygen species (ROS) produced during normal energy production in aerobial organisms, and antioxidants that mitigate the negative effects of these ROS. During an immune response, the production of ROS should increase, as immune cells produce ROS for signalling and to directly kill pathogens. In Chapter III, I asked if mounting an immune response leads to an increase in measures of oxidative stress in bats. I injected 20 short-tailed fruit bats (Carollia perspicillata) with the antigen lipopolysaccharide, which caused a detectable cellular immune response after 24h. These individuals also showed an increase in reactive oxygen metabolites (ROM) measured in plasma, which are connected to the total ROS produced. The concentration of antioxidants did not change pre- and post-injection, which is why I concluded that even a potential short- term increase of antioxidants is not sufficient to mitigate the negative effects of elevated ROS levels. In control individuals injected with saline solution, I did not find any change in measures of oxidative stress and no cellular immune reaction was detected. I furthermore found that the general number of immune cells is positively correlated with levels of ROM. Therefore, mounting a cellular immune response may indeed increase oxidative stress in bats. Likewise as found for immunological parameters, oxidative stress may be connected to ecological factors. For example, feeding on antioxidant rich diets such as fruits may increase the total antioxidant concentration and thus reduce oxidative stress. In Chapter IV, I therefore asked if measures of oxidative stress are connected to diet in bats. Although plasma antioxidant levels did not differ among feeding habits in 13 Neotropical bat species, the level of ROM was lower in frugivores than in other species. Potentially, frugivorous bats ingest more dietary antioxidants than non-frugivorous bats. I speculate that switching from insectivory to frugivory may have led to a fitness advantage in frugivorous bats, facilitating the radiation of bats to various ecological niches. Furthermore, I found that bats in general have relatively low levels of ROM and high antioxidant concentrations compared to similar-sized terrestrial mammals, which may account for the exceptional longevity of bats. To conclude, these studies provide first insights into eco- immunology and oxidative stress in free-ranging mammals, highlighting the importance of transferring methods that were so far restricted to laboratory organisms or captive mammals to populations under natural selection in order to understand the evolutionary ecology of essential physiological traits.

Langlebigkeit ist speziell für Tierarten mit langsamen Reproduktionsraten wichtig, da bei längerer Lebensdauer mehr Jungtiere produziert werden können, was die allgemeine Fitness steigert. Das Immunsystem ist dabei von zentraler Bedeutung, da es ein Individuum mit potenten Abwehrmechanismen gegen Pathogene ausstattet und so das Überleben bei Infektionen sichert. Verschiedene biotische und abiotische Faktoren spielen bei der Variabilität von Immunkomponenten eine wichtige Rolle, was durch Studien an Labor- und Zootieren bereits gezeigt werden konnte. Jedoch ist bisher nahezu unbekannt, inwiefern sich diese Erkenntnisse auf freilebende Säugetierpopulationen unter natürlicher Selektion ausweiten lassen. Fledermäuse sind besonders geeignete Modelorganismen um öko-immunologische Fragestellungen anzugehen. Sie sind einerseits ökologisch höchst divers und andererseits dafür bekannt, Träger diverser Pathogene zu sein, gegen welche das Immunsystem entsprechend angepasst sein sollte. In Kapitel I beschäftigte ich mich mit der Frage, ob zwei ökologische Faktoren – Nahrungsnische und Hangplatz – mit Aspekten des Immunsystems von Fledermäusen verbunden sind. Mithilfe phylogenetisch korrigierter statistischer Methoden fand ich heraus, dass die Anzahl an Immunzellen zwischen Arten, die unterschiedliche Nahrungsnischen besetzen, variiert. Zudem gab es eine Verbindung zwischen der bakterizide Wirkung des Plasmas und Merkmalen der artspezifischen Hangplätze. Aufgrund meiner Ergebnisse schlussfolgere ich, dass diese ökologischen Faktoren womöglich eng mit dem Vorkommen bestimmter Pathogene verknüpft sind, und die evolutionäre Anpassung von zellulären und humoralen Immunkomponenten bei Säugetieren entsprechend durch deren jeweilige Ökologie beeinflusst wird. Obwohl sich das Immunsystem einerseits positiv auf das Überleben auswirken kann, so ist es andererseits auch mit energetischen Kosten verbunden. Dies kann zu Konflikten mit anderen energieintensiven fitnessbestimmenden „Life-history“-Merkmalen führen und die Lebensspanne potenziell eher reduzieren statt verlängern. In Kapitel II untersuchte ich, wie verschiedene Immunkomponenten mit dem Überleben und Alter bei der großen Sackflügelfledermaus (Saccopteryx bilineata) zusammenhängen. Ich fand heraus, dass Tiere mit einer besonders hohen bakteriziden Wirkung des Plasmas und einer hohen Anzahl an Immunzellen aus den Populationen verschwanden. Entsprechend hatten ältere Tiere weniger Immunzellen als junge Tiere, woraus ich schließe, dass übermäßig erhöhte Immunfunktionen einer negativen Selektion unterliegen könnten. Es stellte sich die Frage, welche Aspekte so negativ mit einer Immunantwort verbunden sein könnten, dass sie die Lebensspanne reduzieren. Eine Möglichkeit ist, dass eine Immunantwort vermehrt zu Schäden durch oxidativen Stress führen kann. Oxidativer Stress ist ein Ungleichgewicht zwischen reaktiven Sauerstoffspezies, die als schädliche Nebenprodukte während der aeroben Atmung produziert werden, und neutralisierenden Antioxidantien. Immunzellen produzieren Sauerstoffspezies zu Signalzwecken und um Pathogene direkt abzutöten. In Kapitel III testete ich daher, ob eine zelluläre Immunantwort den oxidativen Stress bei Fledermäusen verstärkt. Ich injizierte Lipopolysaccheride in 20 Brillenblattnasen (Carollia perspicillata) und konnte nach 24 Stunden eine zelluläre Immunantwort feststellen. Damit verbunden war eine erhöhte Konzentrationen reaktiver Sauerstoffmetabolite im Plasma, wobei die Konzentration von Antioxidantien gleich blieb. Bei Tieren, welche Kochsalzlösung injiziert bekamen, ergab sich keine Änderung in der Konzentration von Sauerstoffmetaboliten oder Antioxidantien. Zusätzlich stellte ich einen positiven generellen Zusammenhang zwischen der Anzahl an Immunzellen und reaktiven Sauerstoffmetaboliten fest. Daraus schließe ich, dass eine zelluläre Immunantwort den oxidativen Stress bei Fledermäusen erhöhen kann. Oxidativer Stress kann ebenso wie Immunkomponenten mit ökologischen Faktoren zusammenhängen. Im Speziellen sollte die Konzentration von Antioxidantien bei einer antioxidantienreichen Nahrung ansteigen. Davon ausgehend verglich ich in Kapitel IV den oxidativen Stress von Fledermäusen mit unterschiedlicher Ernährungsweise und fand heraus, dass Früchtefresser eine geringere Konzentration reaktiver Sauerstoffspezies aufweisen als Arten, welche sich nicht von Früchten ernähren, obwohl die gemessen Antioxidantienkonzentration bei allen Arten ähnlich war. Womöglich haben Früchtefresser einen evolutionären Vorteil gegenüber Nicht-Früchtefressern, was teilweise die frühe Ausbreitung von Fledermausarten auf verschiedene Nahrungsnischen erklären könnte. Verglichen mit ähnlich großen, terrestrischen Säugetieren wiesen Fledermäuse in meiner Studie zudem einen geringeren oxidativen Stress auf. Da oxidativer Stress als Hauptgrund für Alterungsprozesse angesehen wird, könnte ein geringer oxidativer Stress die außergewöhnliche Langlebigkeit von Fledermäusen erklären. Zusammenfassend betonen meine Studien, dass es wichtig ist, Methodiken, welche man bisher hauptsächlich bei Labor- und Zootieren angewandt hat, auf freilebende Populationen auszuweiten, um weitreichende Erkenntnisse über die evolutionäre Ökologie physiologischer Merkmale zu erhalten.