[论文解读] Community interactions determine role of species in parasite spread amplification: the ecomultiplex network model

Massimo Stella, Sanja Selaković+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2017

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 48被引用 6

一句话总结

本文提出了生态多层网络模型（ecomultiplex network model），这是一种将生态互作网络与多层流行病学传播机制相结合的新框架，用于模拟多宿主寄生虫的传播。研究结果表明，捕食者-猎物动态可放大寄生虫传播，特别是通过顶级捕食者（如南美灰枭）实现，为识别传播网络中的关键物种提供了一种无需昂贵实地感染率测量的拓扑学替代方法。

ABSTRACT

Most of zoonoses are multi-host parasites with multiple transmission routes that are usually investigated separately despite their potential interplay. As a unifying framework for modelling parasite spread through different paths of infection, we suggest "ecomultiplex" networks, i.e. multiplex networks representing interacting animal communities with (i) spatial structure and (ii) metabolic scaling. We exploit this ecological framework for testing potential control strategies for $T. cruzii$ spread in two real-world ecosystems. Our investigation highlights two interesting results. Firstly, the ecomultiplex topology can be as efficient as more data-demanding epidemiological measures in identifying which species facilitate parasite spread. Secondly, the interplay between predator-prey and host-parasite interactions leads to a phenomenon of parasite amplification in which top predators facilitate $T. cruzii$ spread, offering theoretical interpretation of previous empirical findings. Our approach is broadly applicable and could provide novel insights in designing immunisation strategies for pathogens with multiple transmission routes in real-world ecosystems.

研究动机与目标

• 为填补多宿主寄生虫多条传播途径建模的空白，通过整合生态网络与流行病学网络，提出新方法。
• 开发一种数据高效的方法，替代基于实地的感染率测量，以识别寄生虫传播网络中的关键物种。
• 探究捕食者-猎物相互作用与宿主-寄生虫动态如何共同影响现实生态系统中寄生虫的传播。
• 评估基于网络拓扑结构、生态角色与流行病学数据的各类免疫策略在控制寄生虫传播中的有效性。
• 探索顶级捕食者在何种条件下会放大而非抑制寄生虫传播。

提出的方法

• 构建包含两层的生态多层网络：(1) 食物网层，表示捕食关系；(2) 传播媒介传播层，用于模拟通过媒介传播的寄生虫传播。
• 引入代谢尺度理论以估算物种频率，该频率影响传播概率。
• 采用空间结构设计，所有物种均设定统一的相互作用半径，以模拟现实群落中的接触模式。
• 应用平均场易感-感染（SI）模型，在多层网络中模拟寄生虫传播过程。
• 利用巴西两个生态系统的实证数据——Canastra与Pantanal——对模型进行参数化，并检验传播动态。
• 比较基于分类学、相互作用模式（如摄食媒介）及流行病学角色（如高感染率物种）的免疫策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 生态互作（如捕食）如何影响具有多条传播途径的多宿主系统中的寄生虫传播？
• RQ2 仅依靠网络拓扑结构能否像基于实地感染率测量一样有效识别寄生虫传播中的关键物种？
• RQ3 在何种条件下，顶级捕食者会作为寄生虫传播的放大器而非调节者？
• RQ4 基于拓扑结构、生态角色或流行病学数据的各类免疫策略，在控制寄生虫传播方面有何差异？
• RQ5 食物网结构与媒介传播之间的相互作用在维持寄生虫持续存在方面发挥何种作用？

主要发现

• 生态多层网络模型识别关键寄生虫促进物种的准确性与基于实地的感染率测量相当，显著降低了对昂贵数据采集的依赖。
• 顶级捕食者（如南美灰枭）可通过捕食感染宿主，进而将寄生虫传播给媒介，从而作为寄生虫传播的放大器，提高整体传播效率。
• 只有当同时建模食物网层与媒介传播层时，寄生虫放大现象才会出现，凸显了整合生态-流行病学框架的必要性。
• 基于生态多层网络拓扑结构的免疫策略——特别是针对高暴露度或中心性高的物种——其控制效果与基于实际寄生虫感染率的策略相当。
• 在Canastra与Pantanal两个生态系统中，基于生态多层网络的免疫策略在控制寄生虫传播方面效果与基于流行病学数据的策略相当，尤其在寄生虫丰度较高时表现更优。
• 该模型证实，物种的传播风险由其在网络中的位置与代谢频率共同决定，二者可共同替代显式的传播率参数。