Recent epidemics of Zika, dengue, and chikungunya have heightened the need to understand the seasonal and geographic range of transmission by Aedes aegypti and Ae. albopictus mosquitoes. We use mechanistic transmission models to derive predictions for how the probability and magnitude of transmission for Zika, chikungunya, and dengue change with mean temperature, and we show that these predictions are well matched by human case data. Across all three viruses, models and human case data both show that transmission occurs between 18–34°C with maximal transmission occurring in a range from 26–29°C. Controlling for population size and two socioeconomic factors, temperature-dependent transmission based on our mechanistic model is an important predictor of human transmission occurrence and incidence. Risk maps indicate that tropical and subtropical regions are suitable for extended seasonal or year-round transmission, but transmission in temperate areas is limited to at most three months per year even if vectors are present. Such brief transmission windows limit the likelihood of major epidemics following disease introduction in temperate zones.

Abstract Recent epidemics of Zika, dengue, and chikungunya have heightened the need to understand the seasonal and geographic range of transmission by Aedes aegypti and Ae. albopictus mosquitoes. We use mechanistic transmission models to derive predictions for how the probability and magnitude of transmission for Zika, chikungunya, and dengue change with mean temperature, and we show that these predictions are well matched by human case data. Across all three viruses, models and human case data both show that transmission occurs between 18-34°C with maximal transmission occurring in a range from 26-29°C. Controlling for population size and two socioeconomic factors, temperature-dependent transmission based on our mechanistic model is an important predictor of human transmission occurrence and incidence. Risk maps indicate that tropical and subtropical regions are suitable for extended seasonal or year-round transmission, but transmission in temperate areas is limited to at most three months per year even if vectors are present. Such brief transmission windows limit the likelihood of major epidemics following disease introduction in temperate zones. Author Summary Understanding the drivers of recent Zika, dengue, and chikungunya epidemics is a major public health priority. Temperature may play an important role because it affects mosquito transmission, affecting mosquito development, survival, reproduction, and biting rates as well as the rate at which they acquire and transmit viruses. Here, we measure the impact of temperature on transmission by two of the most common mosquito vector species for these viruses, Aedes aegypti and Ae. albopictus . We integrate data from several laboratory experiments into a mathematical model of temperature-dependent transmission, and find that transmission peaks at 26-29°C and can occur between 18-34°C. Statistically comparing model predictions with recent observed human cases of dengue, chikungunya, and Zika across the Americas suggests an important role for temperature, and supports model predictions. Using the model, we predict that most of the tropics and subtropics are suitable for transmission in many or all months of the year, but that temperate areas like most of the United States are only suitable for transmission for a few months during the summer (even if the mosquito vector is present).

ABSTRACT The temperature-dependence of many important mosquito-borne diseases has never been quantified. These relationships are critical for understanding current distributions and predicting future shifts from climate change. We used trait-based models to characterize temperature-dependent transmission of 10 vector–pathogen pairs of mosquitoes ( Culex pipiens , Cx. quinquefascsiatus , Cx. tarsalis , and others) and viruses (West Nile, Eastern and Western Equine Encephalitis, St. Louis Encephalitis, Sindbis, and Rift Valley Fever viruses), most with substantial transmission in temperate regions. Transmission is optimized at intermediate temperatures (23–26°C) and often has wider thermal breadths (due to cooler lower thermal limits) compared to pathogens with predominately tropical distributions (in previous studies). The incidence of human West Nile virus cases across US counties responded unimodally to average summer temperature and peaked at 24°C, matching model-predicted optima (24–25°C). Climate warming will likely shift transmission of these diseases, increasing it in cooler locations while decreasing it in warmer locations.

Abstract The capacity of arthropod populations to adapt to long-term climatic warming is uncertain. Here, we combine theory and extensive data on diverse arthropod taxa to show that their rate of thermal adaptation to climatic warming will be constrained in two fundamental ways. First, the rate of thermal adaptation is predicted to be limited by the rate of shift in the temperature of peak performance of four life-history traits in a specific order: juvenile development, adult fecundity, juvenile mortality, and adult mortality. Second, thermal adaptation will be constrained due to differences in the temperature of peak performance among these four traits, which are expected to persist because of trade-offs. By compiling a new global dataset of 61 diverse arthropod species, we find strong evidence that contemporary populations have indeed evolved under these constraints. Our results provide a basis for using relatively feasible trait measurements to predict the adaptive capacity of diverse arthropod populations to climatic warming.

Abstract All else equal, parasites that harm host fitness should depress densities of their hosts. However, parasites that alter host traits may increase host density via indirect ecological interactions. Here, we show how depression of infected host foraging rate can produce such a hydra effect. Using a foraging assay, we quantified reduced foraging rates of a zooplankton host infected with a virulent fungal parasite. We then parameterized a dynamical model of hosts, parasites, and resources with this foraging function, showing how foraging depression can create a hydra effect. Mathematically, the hydra arose when increased resource productivity exceeded any increase in resource consumption per host. Therefore, the foraging-mediated hydra effect more likely emerged (1) for hosts which strongly control logistic-like resources and (2) during larger epidemics of moderately virulent parasites. We then analyzed epidemics from 13 fungal epidemics in nature. We found evidence for a foraging-mediated hydra effect: large outbreaks depressed foraging rate and correlated with increased densities of both algae and hosts. Therefore, depression of foraging rate of infected hosts can produce higher host densities even during epidemics of parasites that increase host mortality. Such hydras might prevent collapse of host populations but also could produce higher densities of infected hosts.

Thermal acclimation can provide an essential buffer against heat stress for host populations, while acting simultaneously on various life-history traits that determine population growth. In turn, the ability of a pathogen to invade a host population is intimately linked to these changes via the supply of new susceptible hosts, as well as the impact of warming on its immediate infection dynamics. Acclimation therefore has consequences for hosts and pathogens that extend beyond simply coping with heat stress-governing both population growth trajectories and, as a result, an inherent propensity for a disease outbreak to occur. The impact of thermal acclimation on heat tolerances, however, is rarely considered simultaneously with metrics of both host and pathogen population growth, and ultimately fitness. Using the host Daphnia magna and its bacterial pathogen, we investigated how thermal acclimation impacts host and pathogen performance at both the individual and population scales. We first tested the effect of maternal and direct thermal acclimation on the life-history traits of infected and uninfected individuals, such as heat tolerance, fecundity, and lifespan, as well as pathogen infection success and spore production. We then predicted the effects of each acclimation treatment on rates of host and pathogen population increase by deriving a host's intrinsic growth rate (r

Abstract Phenotypic plasticity in response to shifts in temperature, known as thermal acclimation, is an essential component of the ability of a species to cope with environmental change. Not only does this process potentially improve an individual’s thermal tolerance, it will also act simultaneously on various fitness related traits that determine whether a population increases or decreases in size. In light of global change, thermal acclimation therefore has consequences for population persistence that extend beyond simply coping with heat stress. This particularly important when we consider the additional threat of parasitism associated with global change, as the ability of a pathogen to invade a host population depends on both its capacity to proliferate within a host and spread between hosts, and thus the supply of new susceptible hosts in a population. Here, we use the host Daphnia magna and its bacterial pathogen Pasteuria ramosa to investigate how thermal acclimation may impact various aspects of host and pathogen performance at the scale of both an individual and the population. We independently test the effect of maternal thermal acclimation and direct thermal acclimation on host thermal tolerance, measured as knockdown times, as well as host fecundity and lifespan, and pathogen infection success and spore production. We find that direct thermal acclimation enhances host thermal tolerance and intrinsic rates of population growth, despite a decline observed for host fecundity and lifespan. Pathogens, on the other hand, faired consistently worse at warmer temperatures at the within-host scale, and also in their potential to invade a host population. Our results suggest that hosts could benefit more from warming than their pathogens, but highlight that considering both within- and between-host thermal performance, including thermal tolerance and fitness traits, is needed to fully appreciate how increasing thermal variability will impact host and pathogen populations.

1. unimodally to temperature, i.e., be maximized at intermediate temperatures and constrained at extreme low and high temperatures. However, empirical evidence linking hot temperatures to decreased transmission in nature remains limited.2. We tested the hypothesis that hot temperatures constrain transmission in a zooplankton-fungus ( Daphnia dentifera-Metschnikowia bicuspidata ) disease system where autumnal epidemics typically start after lakes cool from their peak summer temperatures. This pattern suggested that maximally hot summer temperatures could be inhibiting disease spread.3. Using a series of lab experiments, we examined the effects of high temperatures on five mechanistic components of transmission. We found that (1) high temperatures increased exposure to parasites by speeding up foraging rate but (2) did not alter infection success post-exposure. (3) High temperatures lowered parasite production (due to faster host death and an inferred delay in parasite growth). (4) Parasites made in hot conditions were less infectious to the next host (instilling a parasite ‘rearing’ or ‘trans-host’ effect of temperature during the prior infection). (5) High temperatures in the free-living stage also reduce parasite infectivity, either by killing or harming parasites.4. We then assembled the five mechanisms into an index of disease spread. The resulting unimodal thermal response was most strongly driven by the rearing effect. Transmission peaked at intermediate-hot temperatures (25-26°C) and then decreased at maximally hot temperatures (30-32°C). However, transmission at these maximally hot temperatures only trended slightly lower than the baseline control (20°C), which easily sustains epidemics in laboratory conditions and in nature. Overall, we conclude that while exposure to hot epilimnetic temperatures does somewhat constrain disease, we lack evidence that this effect fully explains the lack of summer epidemics in this natural system. This work demonstrates the importance of experimentally testing hypothesized mechanisms of thermal constraints on disease transmission. Furthermore, it cautions against drawing conclusions based on field patterns and theory alone.

Understanding ecological drivers of mosquito-borne disease is an ongoing public health priority. Previous experiments and mechanistic models suggest mosquito-borne disease transmission involves complex nonlinear interactions between climate and population dynamics. This makes detecting environmental disease drivers at the population level challenging. By analyzing incidence data, estimated susceptible population size, and climate data with methods based on nonlinear time series analysis, collectively referred to as empirical dynamic modeling (EDM), we identified drivers and their interactive effects on dengue dynamics in San Juan, Puerto Rico. Estimated susceptible population size was the strongest causal driver of dengue incidence, and climatic forcing became important above a certain susceptible population size (temperature and rainfall having net positive and negative effects, respectively). Our EDM protocol for measuring and predicting how climate and population dynamics interact to drive epidemics adds to a growing body of empirical studies of complex, nonlinear systems embedded in changing environments.

Thermal biology predicts that vector-borne disease transmission peaks at intermediate temperatures and declines at high and low temperatures. However, thermal optima and limits remain unknown for most vector-borne pathogens. We built a mechanistic model for the thermal response of Ross River virus, an important mosquito-borne pathogen in Australia, Pacific Islands, and potentially emerging worldwide. Transmission peaks at moderate temperatures (26.4°C) and declines to zero at thermal limits (17.0°C and 31.5°C). The model accurately predicts that transmission is year-round endemic in the tropics but seasonal in temperate areas, and matches the nationwide seasonal peak in human cases. Climate warming will likely increase transmission in temperate areas (where most Australians live) but decrease transmission in tropical areas where mean temperatures are already near the thermal optimum. These results illustrate the importance of nonlinear models for inferring the role of temperature in disease dynamics and predicting responses to climate change.