[論文レビュー] On the use of Traveling Waves for Pest/Vector elimination using the Sterile Insect Technique

Roumen Anguelov, Yves Dumont+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2020

Insect behavior and control techniques参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、時間的Sterile Insect Technique（SIT）モデルを、空間的に明示的で部分的に退化した反応拡散系に拡張し、害虫／媒介者制御における進行波ダイナミクスを研究する。モノ安定および二安定進行波の存在を証明し、マス・リリースを空間的コロソリウムで行い、その前線に小規模なリリースを施す「コロソリウム戦略」が、侵入する害虫の前線を遮断し、場合によっては後退させられることを示し、持続可能で空間的に標的化されたSIT戦略を提供する。

ABSTRACT

The development of sustainable vector/pest control methods is of utmost importance to reduce the risk of vector-borne diseases and pest damages on crops. Among them, the Sterile Insect Technique (SIT) is a very promising one. In this paper, using diffusion operators, we extend a temporal SIT model, developed in a recent paper, into a partially degenerate reaction-diffusion SIT model. Adapting some theoretical results on traveling wave solutions for partially degenerate reaction-diffusion equations, we show the existence of mono-stable and bi-stable traveling-wave solutions for our SIT system. The dynamics of our system is driven by a SIT-threshold number above which the SIT control becomes effective and drives the system to elimination, using massive releases. When the amount of sterile males is lower than the SIT-threshold, the SIT model experiences a strong Allee effect such that a bi-stable traveling wave solution can exist and can also be used to derive an effective long term strategy, mixing massive and small releases. We illustrate some of our theoretical results with numerical simulations , and, also explore numerically spatial-localized SIT control strategies, using massive and small releases. We show that this "corridor" strategy can be efficient to block an invasion and eventually can be used to push back the front of a vector/pest invasion.

研究の動機と目的

• 野生および不妊雄昆虫の空間的・時間的ダイナミクスをモデル化するため、部分的に退化した反応拡散系を用いた空間的・時間的SITフレームワークへの拡張。
• 部分的に退化した反応拡散SIT系における進行波解の存在と性質の調査。
• 特にコロソリウムおよびバリア手法を含む、空間的に標的化されたSIT制御戦略の開発と評価、侵入の遮断および逆転のためのもの。
• 特にラ・リュニオンおよびコルシカのような地域における実世界の応用を想定し、SITリリースプロトコルの最適化を理論的および数値的に支援すること。
• 大規模な展開におけるSITの失敗を克服するため、波動ダイナミクスに基づいた動的かつ局所的リリース戦略を導入すること。

提案手法

• 野生および不妊雄昆虫の空間的・時間的ダイナミクスをモデル化する部分的に退化した反応拡散系を構築。
• 退化した反応拡散方程式における進行波解の理論的結果を応用し、波の存在と安定性を分析。
• SIT閾値パラメータ $ M_{T_1} $ を導入し、これより上ではマスリリースによって集団が完全に排除されることを示す。
• 空間的に局所化されたマスリリースを用いた「コロソリウム戦略」を設計し、侵入前線を遮断し、前線に小規模なリリースを実施して抑制を維持。
• 数値シミュレーションを用いて波動行動を検証し、リリース強度および拡散率の変動に応じたコロソリウムベースの制御の効率を評価。
• 実世界のSITプロジェクト（例：ラ・リュニオンにおけるAedes albopictus、コルシカにおけるCeratitis capitata）のパラメータを用い、生態的妥当性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的退化を伴う空間拡張SITモデルにおいて、進行波解が存在する条件は何か？
• RQ2 SIT閾値 $ M_{T_1} $ は、モノ安定波と二安定波の存在にどのように影響するか？
• RQ3 コロソリウムベースのリリース戦略は、侵入する害虫または媒介者前線を効果的に遮断し、逆転させることができるか？
• RQ4 アリー効果は、二安定波動ダイナミクスおよび小規模リリースによる長期的制御を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 拡散率およびリリース強度は、空間的に局所化されたSIT干渉の成功にどのように影響するか？

主な発見

• モデルは、部分的に退化した反応拡散SIT系において、モノ安定および二安定進行波解の両方の存在を証明した。
• $ M_T < M_{T_1} $ の場合、単調な波フロントが無病状態（0）から正の平衡状態へ接続され、集団の持続を示唆する。
• $ M_T > M_{T_1} $ の場合、数値シミュレーションによりマスリリースによって集団が完全に排除可能であることが確認された。
• コロソリウム戦略（27 kmまたは40 km幅のコロソリウムでマスリリース、その前線に小規模リリース）は、侵入前線を効果的に遮断し、後退を引き起こした。
• $ M_T = 1.8 imes M_{T_1} $、$ d_M = 0.05 $、$ d_F = 0.1 $、$ ho = 0.08 $ の条件下で、シミュレーションは時間経過とともに効果的な波の遮断と逆転を示した。
• コロソリウム戦略は、Ceratitis capitata や Bactrocera dorsalis などの他の害虫に対しても理論的に拡張可能であり、中央アメリカのメドフライバリアントなど実世界の類似事例がある。