Ecology of ranavirus and batrachochytrium dendrobatidis infection : assessing the roles of invasive aquatic species and seasonality

Abstract

La ranavirosis, causada por distintos virus del género Ranavirus, y la quitridiomicosis, causada por el hongo quítrido Batrachochytrium dendrobatidis (Bd), son dos enfermedades emergentes responsables de mortalidades masivas y declinación de poblaciones de anfibios en todo el mundo. A pesar de que se han publicado varios estudios respecto a ambas enfermedades, la mayoría de estudios consideran solo uno de los dos patógenos, dejando interrogantes sobre la situación del otro patógeno y sus impactos en las poblaciones estudiadas. Hasta el momento, la mayoría de estudios sobre ranavirus se han enfocado en especies provenientes de Norte América y Europa, y los datos sobre esta enfermedad en otros continentes, incluido Sudamérica, son escasos. Además, se ha sugerido que varias especies invasoras, como la rana africana (X. laevis) y diferentes especies de peces, actúan como reservorios de ranavirus; sin embargo, se requiere más información para evaluar el role de las especies invasoras de anfibios y peces en la epidemiología de ranavirus. En el 2017, especímenes preservados de 3 especies de anuros (Alytes obstetricans, Rana temporaria, y Bufo bufo) colectados entre 2007–2017 de cuatro lagos del Parque Nacional de los Pirineos (PNP) durante eventos de mortalidad asociados a quitridiomicosis, y muestras de una trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) moribunda encontrada en 2017 en uno de los lagos estudiados, fueron analizadas para detección de ranavirus. Se detectó un virus tipo FV3 en A. obstetricans y R. temporaria de dos de los cuatro lagos muestreados en el PNP, y se confirmó que la trucha arcoíris moribunda había muerto por ranavirosis. Se detectaron casos positivos únicamente en muestras colectadas en 2009 y 2017 en bajas prevalencias, y con bajas cargas virales. Este es el primer reporte de FV3 o un virus tipo FV3 infectando anfibios de Francia, y el primer caso reportado de infección y enfermedad por ranavirus en una O. mykiss silvestre. Todos los individuos positivos a ranavirus estaban coinfectados con Bd, y presumiblemente murieron por quitridiomicosis. El impacto de la infección por ranavirus y de la coinfección con Bd en el desempeño de los anfibios a nivel de hospedero y a nivel poblacional, y el hecho de si los anfibios actúan como reservorio de FV3 o un virus tipo FV3 para O. mykiss y otros peces invasores, o si los peces juegan un rol activo en la transmisión de ranavirus a anfibios aún debe ser estudiado. Desde su introducción a Chile en 1970, X. laevis ha establecido poblaciones ferales, y actualmente se encuentra ampliamente distribuida en Chile central. Recientemente se detectó ranavirus y Bd en X. laevis silvestres de Santiago, y se ha sugerido su rol como reservorio de ambos patógenos. Además, se ha detectado ranavirus infectando individuos de rana chilena (Calyptocephalella gayi), y se sabe que el Bd infecta varias especies nativas de Chile, incluyendo algunas en peligro de extinción. Se sabe que los factores ambientales como la temperatura pueden afectar el desenlace de las enfermedades infecciosas, y varios estudios han sugerido que existe una estacionalidad de las infecciones por ranavirus y Bd; sin embargo, los datos existentes sobre las variaciones naturales en la ocurrencia de ambos patógenos son escasos. Para obtener más información sobre el origen de ranavirus en Chile, su distribución, las especies afectadas, y el rol de X. laevis y varias especies de peces como reservorios de ranavirus, en el periodo 2015–2017 se llevó a cabo un estudio de vigilancia epidemiológica que incluyó anfibios silvestres y criados en cautiverio, y peces silvestres en un amplio rango latitudinal (2,500km). Además, para evaluar las variaciones estacionales en la ocurrencia de ambos patógenos en condiciones naturales, se llevó a cabo un estudio longitudinal de un año de duración, que incluyó X. laevis silvestres de tres poblaciones de Chile central, positivas a ranavirus y Bd, y se evaluó el rol de seis variables ambientales como predictores de la infección por ranavirus y Bd. En total, 1752 anfibios y 526 peces fueron colectados en Chile y muestreados para detección de ranavirus a través de un ensayo de qPCR específico para ranavirus, y se estimaron las cargas virales en las muestras positivas. Se detectó ranavirus en bajas prevalencias en 9 de 1011 X. laevis (0.9%) provenientes de cuatro poblaciones de Chile central. Ninguna otra especie de anfibio o pez fue positiva a ranavirus. También se obtuvieron secuencias parciales de ADN de las muestras positivas, que se identificaron como virus de la rana tipo 3 (FV3). Se encontró que la temperatura ambiental y la temperatura del agua tienen una fuerte influencia en la ocurrencia de ranavirus y Bd. Se detectó ranavirus (en bajas prevalencias de 0–7%) únicamente cuando la temperatura del aire (>28°C) y la temperatura del agua (>22°C) fueron más cálidas, mientras que la ocurrencia de Bd varió de 0%–100% a lo largo del año, alcanzando su punto máximo cuando la temperatura del aire (<10°C) y la temperatura del agua (<15°C) fueron más frías. Se encontró que el ranavirus está ampliamente distribuido en Chile central, pero aparentemente restringido a X. laevis. Los resultados obtenidos sugieren que el FV3 pudo haber ingresado al país junto con X. laevis infectadas, mismas que parecen actuar como un reservorio competente, propagando el virus a medida que invade nuevas áreas. Finalmente, los resultados del monitoreo anual de ranavirus y Bd en X. laevis silvestres de Chile indica que las infecciones por ranavirus y Bd están fuertemente influenciadas por la temperatura, y proporciona evidencia para respaldar el papel de la temperatura como predictor de la presencia de ambos patógenos en la naturaleza. Nuestros hallazgos resaltan la importancia de considerar los factores ambientales al momento de planificar estudios de vigilancia epidemiológica y al diseñar planes de mitigación. Aunque en este estudio no se detectó coinfección por ranavirus y Bd en Chile, el impacto de la infección con uno de los dos patógenos y de la coinfección con ambos patógenos en el desempeño de los hospederos y el impacto a nivel poblacional deberían ser materia de futuros estudios.

Ranavirosis caused by different viruses of the genus Ranavirus, and chytridiomycosis caused by the chytrid fungus Batrachochytrium dendrobatidis (Bd), are two emerging infectious diseases causing amphibian mass mortalities and population declines worldwide. While several studies concerning both diseases have been published, most studies consider only one pathogen, leaving interrogations of the situation of coinfections and their impacts on the studied populations. To date, most ranavirus studies have been focused on European or North American species, and data from other continents, including South America, are scarce. In addition, invasive species including the African clawed frog (Xenopus laevis) and different fish species (e.g., salmonids or mosquito fish) have been suggested to act as ranavirus reservoirs; however more information is needed to assess the role of invasive amphibian and fish species in the epidemiology of ranavirus. In 2017, archived specimens from three anuran species (Alytes obstetricans, Rana temporaria, and Bufo bufo) collected between 2007 – 2017 from four lakes of the French Pyrenees national Park (PNP) during chytridiomycosis associated mortality events, and samples from a moribund rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) found in one of the studied lakes in 2017, were analyzed for ranavirus detection. An FV3 – like virus was detected in A. obstetricans and R. temporaria from two of the four sampled lakes from the PNP, and the moribund rainbow trout was confirmed to have died with ranavirosis. Positive cases were detected only in samples collected in 2009 and 2017 at low prevalences, and with low viral loads. This is the first report of FV3 or an FV3-like virus presence in amphibians from France, and the first reported case of ranavirus infection and disease in wild O. mykiss. All ranavirus positive individuals were coinfected with Bd and presumably died because of chytridiomycosis. The impacts of ranavirus infection and coinfection with Bd on amphibian hosts and population fitness, and whether amphibians act as reservoirs of FV3 or FV3-like viruses to O. mykiss and other invasive fish, or if fish play an active role in transmission to amphibians is still to be studied. The effects of ranavirus in these outbreaks remain unclear. Since its introduction to Chile in 1970, X. laevis has established feral populations and is currently widespread in central Chile. Recently, ranavirus and Bd have been detected in wild X. laevis from Santiago, and its role as reservoir of both pathogens has been suggested. In addition, ranavirus was also found infecting native giant Chilean frogs (Calyptocephalella gayi), and Bd is known to infect several Chilean native amphibian species, including some threatened with extinction. It is known that environmental factors such as temperature may affect the outcome of infectious diseases, and different studies have suggested there is a seasonality of ranavirus and Bd infection; however, data on natural variations of the occurrence of either pathogen through the year in wild amphibians are scarce. A surveillance study comprising wild and farmed amphibians and wild fish over a large latitudinal range (2,500 km) was carried out in the period 2015–2017 to obtain more information about the origin of ranavirus in Chile, its distribution, the species affected, and to assess the role of X. laevis and fish as ranavirus reservoirs. In addition, a year-long longitudinal study comprising wild X. laevis from three ranavirus and Bd positive ponds from central Chile, was carried out to assess seasonal variations of both pathogens occurrence under natural conditions, and the role of six environmental variables as predictors of ranavirus and Bd infection were evaluated. In total, 1,752 amphibians and 526 fish were collected in Chile and sampled for ranavirus detection through a ranavirusspecific qPCR assay and viral loads in positive samples were estimated. Ranavirus was detected at low prevalences in 9 of 1,011 X. laevis (0,9%) from four populations in central Chile. No other amphibian or fish tested were positive for ranavirus. Partial DNA sequences were obtained from positive samples and identified as Frog Virus 3 (FV3). Environmental and water temperature were found to strongly influence ranavirus and Bd occurrence. Ranavirus occurred (at low prevalences of 0–7%) only at warmer air (>28°C) and water temperature (>22°C), while Bd occurrence fluctuated from 0%–100% across the year, peaking at cooler air (<10°C) and water temperature (<15°C). Ranavirus was found to be widely distributed in central Chile, but seems to be restricted to X. laevis. Results suggest that FV3 may have entered the country through infected X. laevis, which appears to act as a competent reservoir host, spreading the virus as it invades new areas. Finally, results of year-long monitoring of ranavirus and Bd in wild X. laevis from Chile indicate that ranavirus and Bd infection are strongly influenced by temperature, and provides evidence to support the role of temperature as a predictor for the occurrence of both pathogens. Our findings also highlight the importance of considering environmental factors when planning pathogen surveillance studies and when devising disease mitigation plans. Although coinfection with ranavirus and Bd was not detected in Chilean amphibians from this study, impacts of infection with one of the two studied pathogens and impacts of coinfection with both pathogens on amphibian host fitness and at the population level should be matter of future studies.