Abstract Coccidiosis, caused by Eimeria species parasites, has long been recognised as an economically significant disease of chickens. As the global chicken population continues to grow, and its contribution to food security intensifies, it is increasingly important to assess the impact of diseases that compromise chicken productivity and welfare. In 1999, Williams published one of the most comprehensive estimates for the cost of coccidiosis in chickens, featuring a compartmentalised model for the costs of prophylaxis, treatment and losses, indicating a total cost in excess of £38 million in the United Kingdom (UK) in 1995. In the 25 years since this analysis the global chicken population has doubled and systems of chicken meat and egg production have advanced through improved nutrition, husbandry and selective breeding of chickens, and wider use of anticoccidial vaccines. Using data from industry representatives including veterinarians, farmers, production and health experts, we have updated the Williams model and estimate that coccidiosis in chickens cost the UK £99.2 million in 2016 (range £73.0–£125.5 million). Applying the model to data from Brazil, Egypt, Guatemala, India, New Zealand, Nigeria and the United States resulted in estimates that, when extrapolated by geographical region, indicate a global cost of ~ £10.4 billion at 2016 prices (£7.7–£13.0 billion), equivalent to £0.16/chicken produced. Understanding the economic costs of livestock diseases can be advantageous, providing baselines to evaluate the impact of different husbandry systems and interventions. The updated cost of coccidiosis in chickens will inform debates on the value of chemoprophylaxis and development of novel anticoccidial vaccines.

Eimeria maxima is a common cause of coccidiosis in chickens, a disease which has a huge economic impact on poultry production. Knowledge of immunity to E. maxima and the specific mechanisms that contribute to differing levels of resistance observed between chicken breeds and between congenic lines derived from a single breed of chickens is required. This study aimed to define differences in the kinetics of the immune response of two inbred lines of White Leghorn chickens that exhibit differential resistance (line C.B12) or susceptibility (line 15I) to infection by E. maxima . Line C.B12 and 15I chickens were infected with E. maxima and transcriptome analysis of infected jejunal tissue was carried out at 2, 4, 6 and 8 days post-infection (dpi). RNA-Seq analysis revealed differences in the rapidity and magnitude of cytokine transcription responses post-infection between the two lines. In particular, IFN-γ and IL-10 transcripts in the jejunum accumulated earlier in line C.B12 (at 4 dpi) compared to line 15I (at 6 dpi). Line C.B12 chickens exhibited increases of IFNG and IL10 mRNA in the jejunum at 4 dpi, whereas in line 15I transcription was delayed but increased to a greater extent. RT-qPCR and ELISAs confirmed the results of the transcriptomic study. Higher serum IL-10 correlated strongly with higher E. maxima replication in line 15I compared to line C.B12 chickens. Overall, the findings suggest early induction of the IFN-γ and IL-10 responses, as well as immune-related genes at 4 dpi identified by RNA-Seq, may be key to resistance to E. maxima .

Cell culture systems have long been recognised as great resources to mitigate the use of animals in research, offering effective solutions for replacement or reduction with benefits commonly including lower costs, shorter duration and improved reproducibility. The use of in vitro culture methods has been extensively explored for many apicomplexan parasites, supporting significant research advances, but studies with Eimeria are often limited since they still depend on the animal host. In this study we have used 2.5D and 3D culture systems for the first time to evaluate the growth of Eimeria tenella parasites using a panel of cell lines (MDBK, HD11, COLO-680N and HCC4006). Results were compared to growth in 2D monolayers following established protocols. Observations using the fluorescent transgenic strain Et-dYFP showed invasion and development of parasites inside cells suspended in a collagen matrix (2.5D or 3D), supporting the development of asexual stages with the release of first-generation merozoites. Similar findings were observed when Scaffold-free 3D cell spheroids of HD11 cells were infected with sporozoites. No subsequent developmental stages were identified while evaluating these cell lines and further work will be required to improve in vitro culture systems to a point where reduction and replacement of animal use becomes routine.

The distribution of farm locations and sizes is paramount to characterize patterns of disease spread. With some regions undergoing rapid intensification of livestock production, resulting in increased clustering of farms in peri-urban areas, measuring changes in the spatial distribution of farms is crucial to design effective interventions. However, those data are not available in many countries, their generation being resource-consuming. Here, we develop a farm distribution model (FDM), which allows the prediction of locations and sizes of poultry farms in countries with scarce data. The model combines (i) a Log-Gaussian Cox process model to simulate the farm distribution as a spatial Poisson point process, and (ii) a random forest model to simulate farm sizes (i.e. the number of animals per farm). Spatial predictors were used to calibrate the FDM on intensive broiler and layer farm distributions in Bangladesh, Gujarat (Indian state) and Thailand. We found that the FDM yielded realistic farm distributions in terms of spatial clustering, farm locations and sizes, while providing insights on the factors influencing these distributions. Finally, we illustrate the relevance of modelling realistic farm distributions in the context of epidemic spread by simulating pathogen transmission on an array of spatial distributions of farms. We found that farm distributions generated from the FDM yielded spreading patterns consistent with simulations using observed data, while random point patterns underestimated vulnerability to epidemics. Indeed, spatial clustering increases vulnerability to epidemics, highlighting the relevance of spatial clustering and farm sizes to study epidemic spread. As the FDM maintains a realistic distribution of farms and their size, its use to inform mathematical models of disease transmission is very relevant for regions where these data are not available.

ABSTRACT Coccidiosis, caused by Eimeria parasites, poses significant economic and welfare challenges in poultry farming. Beyond its direct impact on health, Eimeria infection disrupts enteric microbial populations leading to dysbiosis and increases vulnerability to secondary diseases such as necrotic enteritis, caused by Clostridium perfringens . The impact of Eimeria infection or anticoccidial vaccination on host gastrointestinal phenotypes and enteric microbiota remains understudied. In this study, the metabolomic profiles and microbiota composition of chicken caecal tissue and contents were evaluated concurrently during a controlled experimental vaccination and challenge trial. Cobb500 broilers were vaccinated with a Saccharomyces cerevisiae -vectored anticoccidial vaccine and challenged with 15,000 Eimeria tenella oocysts. Assessment of caecal pathology and quantification of parasite load revealed correlations with alterations to caecal microbiota and host metabolome linked to infection and vaccination status. Infection heightened microbiota richness with increases in potentially pathogenic species, while vaccination elevated beneficial Bifidobacterium . Using a multi-omics factor analysis (MOFA) machine learning model, data on caecal microbiota and host metabolome were integrated and distinct profiles for healthy, infected, and recovering chickens were identified. Healthy and recovering chickens exhibited higher vitamin B metabolism linked to short-chain fatty acid-producing bacteria, whereas essential amino acid and cell membrane lipid metabolisms were prominent in infected and vaccinated chickens. Notably, vaccinated chickens showed distinct metabolites related to the enrichment of sphingolipids, important components of nerve cells and cell membranes. Our integrated multi-omics model revealed latent biomarkers indicative of vaccination and infection status, offering potential tools for diagnosing infection, monitoring vaccination efficacy, and guiding the development of novel treatments or controls.

Abstract Obligate blood-sucking arthropods rely on symbiotic bacteria to provision essential B vitamins that are either missing or at sub-optimal amounts in their nutritionally challenging blood diet. The poultry red mite Dermanyssus gallinae , an obligate blood-feeding ectoparasite, is primarily associated with poultry and a serious threat to the hen egg industry. Thus far, the identity and biological role of nutrient provisioning bacterial mutualists from D. gallinae are little understood. Here, we demonstrate that a Rickettsiella Gammaproteobacteria in maternally transmitted in D. gallinae and universally present in D. gallinae mites collected at different sites throughout Europe. In addition, we report the genome sequence of uncultivable endosymbiont “ Candidatus Rickettsiella rubrum” from D. gallinae eggs. The endosymbiont has a circular 1. 89 Mbp genome that encodes 1973 protein. Phylogenetic analysis confirms the placement R. rubrum within the Rickettsiella genus, closely related to a facultative endosymbiont from the pea aphid and Coxiella -like endosymbionts from blood feeding ticks. Analysis of the R. rubrum genome reveals many protein-coding sequences are either pseudogenized or lost, but R. rubrum has retained several B vitamin biosynthesis pathways, confirming the importance of these pathways in evolution of its nutritional symbiosis with D. gallinae. In silico metabolic pathway reconstruction revealed that R. rubrum is unable to synthesise protein amino acids and therefore these nutrients are likely provisioned by the host. In contrast R. rubrum retains biosynthetic pathways for B vitamins: thiamine (vitamin B1) via the salvage pathway; riboflavin (vitamin B2) and pyridoxine (vitamin B6) and the cofactors: flavin adenine dinucleotide (FAD) and coenzyme A (CoA) that likely provision these nutrients to the host. We propose that bacterial symbionts which are essential to blood-feeding arthropod survival provide attractive targets for the development of novel control methods.

Abstract The use of antibiotics in human medicine and livestock production has contributed to the widespread occurrence of antimicrobial resistance (AMR). Recognizing the relevance of AMR to human and livestock health, it is important to assess the occurrence of genetic determinants of resistance in medical, veterinary, and public health settings in order to understand risks of transmission and treatment failure. Advances in Next Generation Sequencing (NGS) technologies have had a significant impact on research in microbial genetics and microbiome analyses. Now, strategies for high throughput sequencing from panels of PCR amplicons representing known AMR genes offer opportunities for targeted characterization of complex microbial populations. Aim of the present study was to compare the Illumina MiSeq and Ion Torrent S5 Plus sequencing platforms for use with the Ion AmpliSeq ™ AMR Research Panel in a veterinary/public health setting. All samples were processed in parallel for the two sequencing technologies, subsequently following a common bioinformatics workflow to define the occurrence and abundance of AMR gene sequences. Regardless of sequencing platform, the results were closely comparable with minor differences. The Comprehensive Antibiotic Resistance Database (CARD), QIAGEN Microbial Insight - Antimicrobial Resistance (QMI-AR), Antimicrobial resistance database (AR), and CARD-CLC databases were compared for analysis, with the most genes identified using CARD. Drawing on these results we describe an end-to-end workflow for AMR gene analysis using NGS.

Abstract Cheap, easy-to-produce oral vaccines are needed for control of coccidiosis in chickens to reduce the impact of this disease on welfare and economic performance. Saccharomyces cerevisiae yeast expressing three Eimeria tenella antigens were developed and delivered as heat-killed, freeze-dried whole yeast oral vaccines to chickens in four separate studies. After vaccination, E. tenella replication was reduced following low dose challenge (250 oocysts) in Hy-Line Brown layer chickens (p<0.01). Similarly, caecal lesion score was reduced in Hy-Line Brown layer chickens vaccinated using a mixture of S. cerevisiae expressing EtAMA1, EtIMP1 and EtMIC3 following pathogenic-level challenge (4,000 E. tenella oocysts; p<0.01). Mean body weight gain post-challenge with 15,000 E. tenella oocysts was significantly increased in vaccinated Cobb500 broiler chickens compared to mock-vaccinated controls (p<0.01). Thus, inactivated recombinant yeast vaccines offer cost-effective and scalable opportunities for control of coccidiosis, with relevance to broiler production and chickens reared in low-and middle-income countries (LMICs).

Abstract The rapid intensification of poultry production raises important concerns about the associated risks of zoonotic infections. Here, we introduce EPINEST (EPI-demic NEtwork Simulation in poultry Transportation systems): an agent-based modelling designed to simulate pathogen transmission within realistic poultry production and distribution networks. The modular structure of the model allows for easy parameterization to suit specific countries and system configurations. Moreover, the framework enables the replication of a wide range of eco-epidemiological scenarios by incorporating diverse pathogen life-history traits, modes of transmission and interactions between multiple strains and/or pathogens. EPINEST was developed in the context of an interdisciplinary multicentre study conducted in Bangladesh, India, Vietnam and Sri Lanka, and will facilitate the investigation of the spreading patterns of various health hazards such as avian influenza, Campylobacter, Salmonella and antimicrobial resistance in these countries. Furthermore, this modelling framework holds potential for broader application in veterinary epidemiology and One Health research, extending its relevance beyond poultry to encompass other livestock species and disease systems.

ABSTRACT Coccidiosis, caused by Eimeria parasites, significantly impacts poultry farm economics and animal welfare. Beyond its direct impact on health, Eimeria infection disrupts enteric microbial populations leading to dysbiosis and increases vulnerability to secondary diseases such as necrotic enteritis, caused by Clostridium perfringens . The impact of Eimeria infection or anticoccidial vaccination on host gastrointestinal phenotypes and enteric microbiota remains understudied. In this study, the metabolomic profiles and microbiota composition of chicken caecal tissue and contents were evaluated concurrently during a controlled experimental vaccination and challenge trial. Cobb500 broilers were vaccinated with a Saccharomyces cerevisiae -vectored anticoccidial vaccine and challenged with 15,000 Eimeria tenella oocysts. Assessment of caecal pathology and quantification of parasite load revealed correlations with alterations to caecal microbiota and caecal metabolome linked to infection and vaccination status. Infection heightened microbiota richness with increases in potentially pathogenic species, while vaccination elevated beneficial Bifidobacterium . Using a multi-omics factor analysis, data on caecal microbiota and metabolome were integrated and distinct profiles for healthy, infected, and recovering chickens were identified. Healthy and recovering chickens exhibited higher vitamin B metabolism linked to short-chain fatty acid-producing bacteria, whereas essential amino acid and cell membrane lipid metabolisms were prominent in infected and vaccinated chickens. Notably, vaccinated chickens showed distinct metabolites related to the enrichment of sphingolipids, important components of nerve cells and cell membranes. Our integrated multi-omics model revealed latent biomarkers indicative of vaccination and infection status, offering potential tools for diagnosing infection, monitoring vaccination efficacy, and guiding the development of novel treatments or controls. IMPORTANCE Advances in anticoccidial vaccines have garnered significant attention in poultry health management. However, the intricacies of vaccine-induced alterations in the chicken gut microbiome and its subsequent impact on host metabolism remain inadequately explored. This study delves into the metabolic and microbiotic shifts in chickens post-vaccination, employing a multi-omics integration analysis. Our findings highlight a notable synergy between the microbiome composition and host-microbe interacted metabolic pathways in vaccinated chickens, differentiating them from infected or non-vaccinated cohorts. These insights pave the way for more targeted and efficient approaches in poultry disease control, enhancing both the efficacy of vaccines and the overall health of poultry populations.