ABSTRACT Due to their ubiquity, management of parasites is a common and important factor for profitable production of poultry. Heterakis gallinarum , the cecal nematode, is the most common nematode parasite of poultry. While typically causing no pathology on its own, H. gallinarum is the vector of Histomonas meleagridis , a protozoan parasite that causes blackhead disease. Histomonas meleagridis is highly pathogenic in turkeys, potentially causing high mortality. In contrast, disease caused by H. meleagridis is much less severe in chickens, where it primarily reduces productivity without manifestations of clinical disease. There are no approved treatments for H. meleagridis , making control reliant on control of the helminth vector through the use of fenbendazole (FBZ) the only drug labeled for treatment of H. gallinarum in the United States We were contacted by an industry veterinarian regarding health-related concerns in a broiler-breeder house due to histomoniasis, despite frequent anthelmintic treatments. Since we had recently diagnosed resistance to FBZ in Ascaridia dissimilis , a closely related nematode of turkeys, we were interested to determine if H. gallinarum had also evolved resistance to FBZ. Heterakis gallinarum eggs were isolated from litter collected from the house and used to infect 108 chickens. Treatment groups included a non-treated control, a label-dose and a 2X-label dose of FBZ, with 36 birds per group divided into two replicate pens of 18 birds each. Birds were placed at 1-day post hatch, and at 3 weeks of age were infected with 150 embryonated eggs via oral gavage. Two weeks post infection, treated birds were administered a minimum of either a label- or 2X label-dose of FBZ in water for 5 days (SafeGuard ® Aquasol, 1mg/kg BW). To ensure that all birds consumed the full intended dose at a minimum, the dosage was calculated using 1.25 times the average body weight. One-week post treatment, birds were euthanized, ceca removed, and parasites enumerated. Efficacy was calculated by comparing the total numbers of worms recovered from each treatment group to the numbers recovered in the non-treated control group. There were no significant differences in worm numbers recovered from any of the three groups (p-value=0.81). There also was no efficacy benefit to treatment with a 2X dose; H. gallinarum worm counts were reduced by 42.7% and 41.4%, for the label and 2X dosages, respectively. These data provide strong evidence that H. gallinarum has developed resistance to FBZ. Consequently, in houses infected with FBZ-resistant H. gallinarum , H. meleagridis will be able to cycle through the birds in an unrestricted manner. Further investigation is needed to determine the prevalence of resistance in H. gallinarum on chicken farms, but it is clear this has the potential to have a large-scale economic impact on the poultry industry. These data when viewed together with our recent findings of FBZ resistance in A. dissimilis , suggest that drug resistance in ascarid nematodes may be an important emerging problem on poultry operations.

ABSTRACT Albendazole and ivermectin are the two most commonly co-administered anthelmintic drugs in mass-drug administration programs worldwide. Despite emerging resistance, we do not fully understand the mechanisms of resistance to these drugs nor the consequences of delivering them in combination. Albendazole resistance has primarily been attributed to variation in the drug target, a beta-tubulin gene. Ivermectin targets glutamate-gated chloride channel (GluCl) genes, but it is unknown whether these genes are involved in ivermectin resistance in nature. Using Caenorhabditis elegans , we defined the fitness costs associated with loss of the drug target genes singly or in combinations of the genes that encode GluCl subunits. We quantified the loss-of-function effects on three traits: (i) multi-generational competitive fitness, (ii) fecundity, and (iii) development. In competitive fitness and development assays, we found that a deletion of the beta-tubulin gene ben-1 conferred albendazole resistance, but ivermectin resistance required loss of two GluCl genes ( avr-14 and avr-15 ) or loss of three GluCl genes ( avr-14 , avr-15 , and glc-1 ). The fecundity assays revealed that loss of ben-1 did not provide any fitness benefit in albendazole and that no GluCl deletion mutants were resistant to ivermectin. Next, we searched for evidence of multi-drug resistance across the three traits. Loss of ben-1 did not confer resistance to ivermectin, nor did loss of any single GluCl subunit or combination confer resistance to albendazole. Finally, we assessed the development of 124 C. elegans wild strains across six benzimidazoles and seven macrocyclic lactones to identify evidence of multi-drug resistance between the two drug classes and found a strong phenotypic correlation within a drug class but not across drug classes. Because each gene affects various aspects of nematode physiology, these results suggest that it is necessary to assess multiple fitness traits to evaluate how each gene contributes to anthelmintic resistance. AUTHOR SUMMARY Control of parasitic nematodes often depends on mass-drug administration (MDA) programs, where combinations of anthelmintics are distributed to at-risk populations. Two commonly co-administered anthelmintic drugs in MDA programs are albendazole and ivermectin, and resistance to both drugs has emerged. Although the mechanism of resistance (MoR) to albendazole has been primarily attributed to variation in a beta-tubulin gene, the MoR to ivermectin remains unknown. Ivermectin acts through pentameric glutamate-gated chloride channels (GluCls). However, it is unclear whether genes that encode GluCls are involved in ivermectin resistance in parasitic nematodes. Using Caenorhabditis elegans , we quantified the fitness costs associated with deletions of the beta-tubulin gene ben-1 and three genes encoding GluCl subunits avr-14 , avr-15 , and glc-1 on three traits: (i) multi-generational competitive fitness, (ii) fecundity, and (iii) development. We found different anthelmintic responses across strains and traits but no evidence of multi-drug resistance. Our results suggest that multiple traits should be considered to understand resistance comprehensively and that the determination of whether a gene plays a role in anthelmintic resistance depends on the trait measured. Understanding the quantitative effects and fitness-associated costs of each GluCl subunit in C. elegans can help explain the costs of mutations in these subunits in parasites.

Whole genome sequencing is being rapidly applied to the study of helminth genomes, including de novo genome assembly, population genetics, and diagnostic applications. Although late-stage juvenile and adult parasites typically produce sufficient DNA for molecular analyses, these parasitic stages are almost always inaccessible in the live host; immature life stages found in the environment for which samples can be collected non-invasively offer a potential alternative, however, these samples are typically yield very low quantities of DNA, can be environmentally resistant, and are susceptible to contamination, often from bacterial or host DNA. Here, we have tested five low-input DNA extraction protocols together with a low-input sequencing library protocol to assess the feasibility of whole genome sequencing of individual immature helminth samples. These approaches do not use whole genome amplification, a common but costly approach to increase the yield of low input samples. We first tested individual parasites from two species spotted onto FTA cards - egg and L1 stages of Haemonchus contortus and miracidia of Schistosoma mansoni - before further testing on an additional six species - Ancylostoma caninum, Ascaridia dissimilis, Dirofilaria immitis, Dracunculus medinensis, Strongyloides stercoralis, and Trichuris muris - with an optimal protocol. Whole genome sequencing followed by analyses to determine the proportion of on- and off-target mapping revealed successful sample preparations for six of the eight species tested with variation between species, and within species but between life stages, described. These results demonstrate the feasibility of whole genome sequencing of individual parasites, and highlight a new avenue towards generating sensitive, specific, and information-rich data for the diagnosis and surveillance of helminths.

Abstract Benzimidazole (BZ) anthelmintics are among the most important treatments for parasitic nematode infections in the developing world. Widespread BZ resistance in veterinary parasites and emerging resistance in human parasites raise major concerns for the continued use of BZs. Knowledge of the mechanisms of resistance is necessary to make informed treatment decisions and circumvent resistance. Benzimidazole resistance has traditionally been associated with mutations and natural variants in the C. elegans beta-tubulin gene ben-1 and orthologs in parasitic species. However, variants in ben-1 alone do not explain the differences in BZ responses across parasite populations. Here, we examine the roles of five C. elegans beta-tubulin genes ( tbb-1 , mec-7 , tbb-4 , ben-1 , and tbb-6 ) to identify the role each gene plays in BZ response. We generated C. elegans strains with a loss of each beta-tubulin gene, as well as strains with a loss of tbb-1 , mec-7 , tbb-4 , or tbb-6 in a genetic background that also lacks ben-1 to test beta-tubulin redundancy in BZ response. We found that only the individual loss of ben-1 conferred a substantial level of BZ resistance, although the loss of tbb-1 was found to confer a small benefit in the presence of albendazole (ABZ). The loss of ben-1 was found to confer an almost complete rescue of animal development in the presence of 30 µM ABZ, likely explaining why no additive effects caused by the loss of a second beta-tubulin were observed. We demonstrate that ben-1 is the only beta-tubulin gene in C. elegans where loss confers substantial BZ resistance. Highlights - Loss of ben-1 provides almost complete rescue of development in albendazole (ABZ) - Loss of different beta-tubulin genes does not confer ABZ resistance - Loss of ben-1 and a second beta-tubulin does not enhance the ben-1 level of ABZ resistance

Abstract Ancylostoma caninum is an important zoonotic gastrointestinal nematode of dogs worldwide and a close relative of human hookworms. We recently reported that racing greyhounds in the USA are infected with A. caninum that are commonly resistant to multiple anthelmintics. Benzimidazole resistance in A. caninum in greyhounds was associated with a high frequency of the canonical F167Y(TTC>TAC) isotype-1 β-tubulin mutation. In this work, we show that benzimidazole resistance is remarkably widespread in A. caninum from domestic dogs across the USA. First, we identified and showed the functional significance of a novel benzimidazole isotype-1 β-tubulin resistance mutation, Q134H(CAA>CAT). Several benzimidazole resistant A. caninum isolates from greyhounds with a low frequency of the F167Y(TTC>TAC) mutation had a high frequency of a Q134H(CAA>CAT) mutation not previously reported from any eukaryotic pathogen in the field. Structural modeling predicted that the Q134 residue is directly involved in benzimidazole drug binding and that the 134H substitution would significantly reduce binding affinity. Introduction of the Q134H substitution into the C. elegans β-tubulin gene ben-1, by CRISPR-Cas9 editing, conferred similar levels of resistance as a ben-1 null allele. Deep amplicon sequencing on A. caninum eggs from 685 hookworm positive pet dog fecal samples revealed that both mutations were widespread across the USA, often at high frequency, with prevalences of 49.7% (overall frequency 54.0%) and 31.1% (overall frequency 16.4%) for F167Y(TTC>TAC) and Q134H(CAA>CAT), respectively. Canonical codon 198 and 200 benzimidazole resistance mutations were absent. The F167Y(TTC>TAC) mutation had a significantly higher prevalence and frequency in Western USA than in other regions, which we hypothesize is due to differences in refugia. This work has important implications for companion animal parasite control and the potential emergence of drug resistance in human hookworms. Author Summary Although increasingly common in livestock, no reports of widespread anthelmintic resistance are confirmed in any companion animal or human gastrointestinal nematode parasite to date. The canine hookworm is a common intestinal zoonotic parasite of dogs with severe clinical impacts in young dogs, and for which control is dependent on regular anthelmintic use. We recently reported multiple anthelmintic drug resistance in A. caninum isolates from greyhounds derived from multiple locations in the USA likely caused by long standing intensive treatment regimens in kennels. In this study, we investigated benzimidazole resistance in A. caninum in pet dogs across the USA. We also identified and showed the functional significance of a novel benzimidazole isotype-1 β-tubulin resistance mutation in A. caninum from greyhounds that has not been previously reported in the field for any organism. We then determined that this novel mutation, as well as a previously characterized resistance mutation, were present, often at high frequency, in many A. caninum populations across the USA. This study reports the first evidence of widespread drug resistance for any parasitic nematode of companion animals and illustrates the power of molecular approaches to rapidly assess anthelmintic resistance in a region.

ABSTRACT Feed conversion efficiency is among the most important factors affecting profitable production of poultry. Infections with parasitic nematodes can decrease efficiency of production, making parasite control through the use of anthelmintics an important component of health management. In ruminants and horses, anthelmintic resistance is highly prevalent in many of the most important nematode species, which greatly impacts their control. Recently, we identified resistance to fenbendazole in an isolate of Ascaridia dissimilis , the most common intestinal helminth of turkeys. Using this drug-resistant isolate, we investigated the impact that failure to control infections has on weight gain and feed conversion in growing turkeys. Birds were infected on Day 0 with either a fenbendazole-susceptible or -resistant isolate, and then half were treated with fenbendazole (SafeGuard ® Aquasol) at 4- and 8-weeks post infection. Feed intake and bird weight were measured for each pen weekly throughout the study, and feed conversion rate was calculated. Necropsy was performed on birds from each treatment group to assess worm burdens at weeks 7 and 9 post infection. In the birds infected with the susceptible isolate, fenbendazole-treated groups had significantly better feed conversion as compared to untreated groups. In contrast, there were no significant differences in feed conversion between the fenbendazole-treated and untreated groups in the birds infected with the resistant isolate. At both weeks 7 and 9, worm burdens were significantly different between the treated and untreated birds infected with the drug-susceptible isolate, but not in the birds infected with the drug-resistant isolate. These significant effects on feed conversion were seen despite having a rather low worm establishment in the birds. Overall, these data indicate that A. dissimilis can produce significant reductions in feed conversion, and that failure of treatment due to the presence of fenbendazole-resistant worms can have a significant economic impact on turkey production. Furthermore, given the low worm burdens and an abbreviated grow out period of this study, the levels of production loss we measured may be an underestimate of the true impact that fenbendazole-resistant worms may have on a commercial operation.