A Palearctic Contribution to Bat Fungal Disease Puzzle - Environmental Factors, Host Communities, Overwintering Habitats and Climate Change Contribute to the Manifestation of White-nose Disease

Abstract

White-nose disease (WND) is a fungal disease of hibernating bats, caused by the psychrophilic fungus Pseudogymnoascus destructans. The disease was first discovered in 2006, when hibernating bats in upstate New York were found with white fungal growth around their ears, wings and muzzles. Since then, the disease has spread across North America, killing millions of bats, and resulting in population collapses in many affected areas, earning its reputation as one of the most detrimental wildlife diseases of modern times. The causative agent, P. destructans, is endemic to the Palearctic and was introduced to North America from Europe. The disease does not cause significant mortality in Palearctic bats, likely due to the long coevolution between the pathogen and the hosts, but the mechanisms behind the low mortality have remained largely unknown. It is also unclear, why the disease does not manifest (visible fungal growth, diagnostic cupping erosions on infected skin) throughout the distribution range of the pathogen. The purpose of this thesis is to provide a holistic view of the factors contributing to WND in the Palearctic by taking in to account all aspects of the disease triangle: the pathogen, the host, and the environment. In chapter I, I used hibernation site census data and open-source climate data from across Europe to determine how species composition within hibernacula and local climatic conditions affect the manifestation of the disease. I found three species/species groups that had a positive association with the occurrence of WND (Myotis emarginatus, M. myotis/blythii and M. mystacinus/brandtii), and two species that had a negative association with the disease (Rhinolophus ferrumequinum, R. hipposideros). In addition, I discovered a link between climatic conditions (mean annual surface temperature, annual precipitation) and the probability of disease manifestation, which enabled me to elucidate the potential global distribution of the disease and further create predictions on how climate change may shift these areas. In chapter II, I have illuminated the mechanisms facilitating the survival of the two main hosts, M. myotis in Europe and M. lucifugus in North America. The results show that M. myotis, a species that has coexisted with the pathogen for millennia, does not mount local immune reactions during infection, suggesting that the species is tolerant against WND. In contrast, M. lucifugus from a remnant population with short exposure history with the pathogen, showed signs of immunological resistance mechanisms. In chapters III and IV, I used passive acoustic monitoring to investigate the use of novel hibernation sites in an area that lacks caves and reveal how weather conditions affect the activity of bats during the winter. The results show that rock outcrops with cracks and crevices are likely important hibernacula in areas without available caves, suggesting that these habitats may offer some protection against WND if climate change shifts the distribution range of the disease towards North. In addition, acoustic monitoring revealed new information on the expansion of the overwintering range of Pipistrellus nathusii, providing further evidence of the species’ response to climate change. In addition, the finding highlights the potential future shifts in the distribution ranges of other hibernating bat species, including those that are affected by WND. The findings of this thesis emphasize the importance of host species composition and environmental conditions for the manifestation of the disease and raise concern for multiple areas that may be climatically suitable for the disease and are therefore at risk if the pathogen is introduced. In addition, the results highlight the massive potential that climate change may have for the distribution range of WND, and provide more evidence on the climate change related expansion of one hibernating bat species. The study presents two cost-efficient monitoring methods for WND. Visual assessment of WND (chapter I) is an effective way of monitoring the disease in areas where bats use traditional, accessible hibernacula, and passive acoustic monitoring (chapters III and IV) can be used to detect sickness behaviour in areas with novel hibernation sites such as rock crevices. The results of this thesis also draw attention for the need to gain more information on the mechanisms of tolerance and resistance in Nearctic and Palearctic bats. If the ability to tolerate infection allows bats to cope with WND without apparent costs, further studies could help predict the future of Nearctic and potentially other areas as well, if containing the pathogen in its current ranges fail.

<b> Ympäristötekijöiden, isäntäyhteisöjen, talvehtimisympäristöjen ja ilmastonmuutoksen vaikutukset valkokuonosyndrooman esiintymiseen</b>

Valkokuonosyndrooma on horrostavien lepakoiden sienitauti, jonka aiheuttaa kylmiin olosuhteisiin sopeutunut sieni Pseudogymnoascus destructans. Vuonna 2006 tutkijat löysivät New Yorkin osavaltiossa sijaitsevassa luolasta lepakoita, joiden korvat, siivet ja kuono olivat valkoisen sienirihmaston peitossa. Tauti nimettiin valkokuonosyndoroomaksi, ja se on sittemmin levinnyt läpi Pohjois-Amerikan tappaen miljoonia lepakoita ja romahduttaen talvehtivien lepakoiden populaatioita useilla alueilla. Nykyään valkokuonosyndrooma tunnetaankin yhtenä aikamme tuhoisimmista villieläimiä kohtaavista taudeista. Taudinaiheuttaja P. destructans on endeeminen Palearktiselle alueelle, ja se levisi Pohjois-Amerikkaan ihmisen siirtämänä Euroopasta. Tauti ei aiheuta palearktisissa lepakoissa merkittävää kuolleisuutta, mikä todennäköisesti johtuu taudinaiheuttajan ja lepakoiden välisestä pitkästä koevoluutiosta. Selviytymisen taustalla vaikuttavat mekanismit ovat kuitenkin edelleen pitkälti hämärän peitossa. On myös epäselvää, miksi taudin näkyviä merkkejä (valkoista sienikasvusta ja sienen aiheuttamia ihovaurioita) ei ilmaannu lepakoihin taudinaiheuttajan koko levinneisyysalueella. Tämän väitöskirjan tarkoituksena on muodostaa kokonaiskuva valkokuonosyndroomaan vaikuttavien tekijöiden välisistä suhteista Palearktisella alueella ottaen huomioon tautikolmion kaikki kolme osaa: taudinaiheuttajan, isännän ja ympäristön. Osatyössä I käytin euroopanlaajuista horroslaskenta-aineistoa sekä avointa ilmastoaineistoa tutkiakseni horrospaikkojen lajikoostumuksen ja paikallisten ilmasto-olosuhteiden merkitystä taudin esiintymiselle. Tulokset paljastivat positiivisen yhteyden taudin esiintymisen ja kolmen lajin/lajiryhmän välillä (ruskosiippa (Myotis emarginatus); isosiippa (M. myotis) ja hiirenkorvasiippa (M. blythii); viiksisiippa (M. mystacinus) ja isoviiksisiippa (M. brandtii)) sekä negatiivisen yhteyden kahden lajin kanssa (isohevosenkenkäyökkö (Rhinolophus ferrumequinum); pikkuhevosenkenkäyökkö (R. hipposideros)). Lisäksi löysin yhteyden ilmasto-olosuhteiden (vuoden keskilämpötila, vuotuinen sademäärä) sekä taudin esiintymisen kanssa, minkä avulla laadin ennusteen taudin nykyiselle mahdolliselle maailmanlaajuiselle levinneisyydelle, sekä sovitin mallin ilmastonmuutoskenaarioon osoittaakseni miten levinneisyys voi mahdollisesti muuttua tulevaisuudessa. Osatyössä II selvitimme valkokuonosyndrooman kahden pääasiallisen isännän, pohjoisamerikkalaisen pikkurusksiipan (Myotis lucifugus) sekä eurooppalaisen isosiipan, selviytymisen taustalla vaikuttavia mekanismeja. Tulokset osoittavat, että isosiippa, joka on jakanut elinympäristönsä taudinaiheuttajan kanssa vuosituhansia, ei käynnistä paikallisia immuunipuolustusreaktioita infektion seurauksena, mikä viittaa lajin olevan taudille tolerantti. Sen sijaan Pennsylvaniassa sijaitsevaan selviytyjäpopulaatioon kuuluvat pikkuruskosiipat, jotka ovat olleet kontaktissa patogeenin kanssa vasta vähän aikaa, osoittivat merkkejä paikallisesta immunologisesta resistanssista. Osatöissä III ja IV käytin akustista seurantaa tutkiakseni lepakoiden käyttämiä luonnonhorrospaikkoja alueilla, joilta luolat puuttuvat, sekä selvittääkseni miten säätekijät vaikuttavat lepakoiden aktiivisuuteen talvella. Tulokset paljastivat, että halkeilleet kalliopaljastumat ovat todennäköisesti lepakoille tärkeitä horrospaikkoja luolattomilla alueilla. Onkin mahdollista, että nämä elinympäristöt saattavat suojata lepakoita luoliin sopeutuneelta taudinaiheuttajalta, mikäli ilmastonmuutoksen myötä valkokuonosyndrooman esiintymisalue siirtyy pohjoiseen. Lisäksi osatyössä IV paljastui, että pikkulepakko (Pipistrellus nathusii) on laajentanut maantieteellistä talviaikaista levinneisyysaluettaan pohjoiseen, mikä viittaa siihen, että ilmastonmuutoksen aiheuttamat vaikutukset boreaalisten lepakoiden horroskäyttäytymiseen ovat jo käynnissä. Tämän väitöskirjan löydökset korostavat horrospaikan isäntälajikoostumuksen sekä ympäristöolosuhteiden merkitystä valkokuonosyndrooman esiintymiselle. Lisäksi tulokset paljastavat eteläiseltä pallonpuoliskolta useita alueita, joiden ilmasto on suotuisa taudin ilmenemiselle. Näillä alueilla horrostaviin lepakoihin kohdistuu suuria riskejä, mikäli patogeeni jälleen ihmisen toiminnan seurauksena siirtyy niille. Lisäksi tulokset osoittavat, että ilmastonmuutoksella saattaa olla valtava vaikutus taudin maantieteelliseen esiintymiseen, ja antavat viitteitä siitä, että muutokset lepakoiden käyttämissä talvehtimisalueissa ovat jo käynnissä. Tämä väitöskirja esittelee kaksi tehokasta valkokuonosyndrooman seurantaan sopivaa menetelmää. Taudin näkyvien merkkien seuranta, jota sovelsin osatyössä I, soveltuu alueille, joilla lepakot horrostavat luolissa tai muissa sisäänpääsyn mahdollistavissa horrospaikoissa. Osatöissä III ja IV käyttämäni passiivinen akustinen seuranta sen sijaan mahdollistaa sairauskäyttäytymisen, kuten epänormaalin talviaktiivisuuden, havaitsemisen. Lisäksi tämän väitöskirjan tulokset korostavat tarvetta selvittää tarkemmin toleranssi- ja resistenssimekanismeja, jotka mahdollistavat nearktisten ja palearktisten lepakoiden selviytymisen valkokuonosyndroomasta. Mikäli toleranssi mahdollistaa lepakoiden yhteiselon patogeenin kanssa ilman selviä kustannuksia lepakolle, lisätutkimukset voivat auttaa ennustamaan Nearktisen, ja mahdollisesti tulevaisuudessa myös muiden valkokuonosyndrooman esiintymisalueiden lepakoiden tulevaisuutta.