[논문 리뷰] On the use of Traveling Waves for Pest/Vector elimination using the Sterile Insect Technique

Roumen Anguelov, Yves Dumont외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 02.

Insect behavior and control techniques참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 시간적 퇴치형 유전자 기반 방제 기법(SIT) 모델을 공간적으로 명시적이고 부분적으로 탈구된 반응-확산 시스템으로 확장하여 해충/모기 벡터 방제에서의 진행파 역학을 연구한다. 연구는 단안정성 및 双안정성 진행파의 존재를 증명하고, 대규모 방출을 통한 통로 전략—즉, 공간적으로 통로에 대규모로 방출하고 그 앞에 소규모로 방출함으로써 침입 해충 전면을 차단하고 심지어 후퇴시킬 수 있음을 보여주며, 지속 가능하고 공간적으로 목표를 정한 SIT 전략을 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시간적 SIT 모델을 해충/모기의 성체 이동을 고려한 공간-시간 반응-확산 프레임워크로 확장하기.
• 부분적으로 탈구된 반응-확산 SIT 시스템에서 진행파 해의 존재성과 성질을 조사하기.
• 특히 통로 및 장벽 접근법을 포함한 공간적으로 목표를 정한 SIT 통제 전략을 개발하고 평가하여 해충 침입을 차단하고 역전시키기.
• 실제 적용 사례, 특히 라 레위니옹과 코르시카 지역에서 SIT 방출 프rotocol 최적화를 위한 이론적 및 수치적 근거 제공하기.
• 대규모 배포에서 SIT 실패 문제를 해결하기 위해 진행파 역학 기반의 동적이고 국소화된 방출 전략 도입하기.

제안 방법

• 해충/모기의 야생 및 불임 수컷의 공간-시간 역학을 모델링하기 위해 부분적으로 탈구된 반응-확산 시스템을 수립한다.
• 탈구된 반응-확산 방정식에 대한 진행파 해에 관한 이론적 결과를 적용하여 진행파 존재성과 안정성 분석을 수행한다.
• 모든 개체군을 제거하는 데 기여하는 임계값인 SIT-임계값 매개변수 $ M_{T_1} $ 를 도입한다.
• 침입 전면을 차단하고 억제를 유지하기 위해 공간적으로 국소화된 대규모 방출과 앞선 소규모 방출을 조합한 '통로 전략'을 설계한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 진행파 행동을 검증하고, 다양한 방출 강도 및 확산 계수에서 통로 기반 통제의 효율성을 평가한다.
• 실제 SIT 프로젝트의 매개변수(예: 라 레위니옹의 Aedes albopictus, 코르시카의 Ceratitis capitata)를 활용하여 생태학적 타당성 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부분적으로 탈구된 공간 확장 SIT 모델에서 진행파 해가 존재하기 위한 조건은 무엇인가?
• RQ2 SIT-임계값 $ M_{T_1} $ 이 단안정성과 이안정성 진행파의 존재에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 통로 기반의 방출 전략은 침입 해충 또는 모기 전면을 효과적으로 차단하고 역전시킬 수 있는가?
• RQ4 알리 효과는 이안정성 진행파 역학과 소규모 방출을 통한 장기적 통제를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 확산 계수와 방출 강도는 공간적으로 국소화된 SIT 간섭의 성공에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 부분적으로 탈구된 반응-확산 SIT 시스템에서 단안정성 및 이안정성 진행파 해의 존재를 증명한다.
• $ M_T < M_{T_1} $ 일 때, 단조적 파면이 질병 없는 상태(0)와 양의 평형 상태를 연결하며, 이는 개체군 지속 가능성의 징후이다.
• $ M_T > M_{T_1} $ 일 때, 수치 시뮬레이션을 통해 대규모 방출을 통해 시스템이 완전히 제거될 수 있음을 확인한다.
• 통로 전략—27 km 또는 40 km 너비의 통로에서 대규모로 방출하고 그 앞에 소규모로 방출함—은 침입 전면을 성공적으로 차단하고 후퇴시킨다.
• $ M_T = 1.8 imes M_{T_1} $, $ d_M = 0.05 $, $ d_F = 0.1 $, $ ho = 0.08 $ 조건에서 시뮬레이션 결과 시간이 지남에 따라 효과적인 진행파 차단 및 역전이 관찰된다.
• 이 통로 전략은 Ceratitis capitata 및 Bactrocera dorsalis 외 다른 해충에도 이론적으로 적용 가능하며, 중미의 메드파이프 장벽과 같은 실제 사례와 유사하다.