Abstract Insecticide resistance provides both an increasingly pressing threat to the control of vector-borne diseases and insights into the remarkable capacity of natural populations to show rapid evolutionary responses to contemporary selection. Malaria control remains heavily dependent on deployment of pyrethroid insecticides, primarily in long lasting insecticidal nets (LLINs), but resistance in the major malaria vectors has increased over the last 15 years in concert with dramatic expansion of LLIN distributions. Identifying genetic mechanisms underlying high-level resistance in mosquitoes, which may almost entirely overcome pyrethroid efficacy, is crucial for the development and deployment of potentially resistance-breaking tools. Using the Anopheles gambiae 1000 genomes (Ag1000g) data we identified a very recent selective sweep in mosquitoes from Uganda which localized to a cluster of cytochrome P450 genes, including some commonly implicated in resistance. Further interrogation revealed a haplotype involving a trio of mutations, a nonsynonymous point mutation in Cyp6p4 (I236M), an upstream insertion of a partial Zanzibar-like transposable element (TE) and a duplication of the Cyp6aa1 gene. The mutations appear to have originated recently in An. gambiae from the Kenya-Uganda border region around Lake Victoria, with stepwise replacement of the double-mutant (Zanzibar-like TE and Cyp6p4-236M ) with the triple-mutant haplotype (including Cyp6aa1 duplication), which has spread into the Democratic Republic of Congo and Tanzania. The triple-mutant haplotype is strongly associated with increased expression of genes able to metabolise pyrethroids and is strongly predictive of resistance to pyrethroids most notably deltamethrin, a commonly-used LLIN insecticide. Importantly, there was increased mortality in mosquitoes carrying the triple-mutation when exposed to nets co-treated with the synergist piperonyl butoxide (PBO). Frequencies of the triple-mutant haplotype remain spatially variable within countries, suggesting an effective marker system to guide deployment decisions for limited supplies of PBO-pyrethroid co-treated LLINs across African countries. Duplications of the Cyp6aa1 gene are common in An. gambiae across Africa and, given the enzymes metabolic activity, are likely to be a useful diagnostic for high levels of pyrethroid resistance.

ABSTRACT The recent detection of the South Asian malaria vector Anopheles stephensi in the Horn of Africa (HOA) raises concerns about the impact of this mosquito on malaria transmission in the region. The mode and history of introduction is important for predicting the likelihood of continued introduction and future spread. Analysis of An. stephensi genetic diversity and population structure can provide insight into the history of the mosquito in the HOA. We investigated genetic diversity of An. stephensi in eastern Ethiopia where detection suggests a range expansion to this region to understand the history of this invasive population. We sequenced the cytochrome oxidase subunit I ( COI ) and cytochrome B gene ( CytB ) in 187 An. stephensi collected from 10 sites in Ethiopia in 2018. Phylogenetic analyses using a maximum-likelihood approach and minimum spanning network were conducted for Ethiopian sequences. Molecular identification of bloodmeal sources was also performed using universal vertebrate CytB sequencing. Six COI-CytB haplotypes were observed based on five segregating sites, with the highest number of haplotypes in the northeastern sites (Semera, Bati, and Gewana towns) relative to the southeastern sites (Kebridehar, Godey, and Degehabur) in eastern Ethiopia. In the phylogenetic and network analysis, we observed population differentiation based on the distribution of the haplotypes across the northeastern and central sites (Erer Gota, Dire Dawa, and Awash Sebat Kilo) compared to the southeastern sites and evidence of a South Asian origin of the HOA An. stephensi lineages. The presence of the putative South Asian haplotype of origin at sites closest to Ethiopia’s northeastern borders support route of introductions into Ethiopia from the northeast. Finally, molecular bloodmeal analysis revealed evidence of feeding on bovines, goats, dogs, and humans, as well as evidence of multiple (mixed) blood meals. In conclusion, we find support for the hypothesis for the recent expansion of An. stephensi into southeastern Ethiopia with multiple introductions. We also find evidence that supports the hypothesis that HOA An. stephensi populations originate from South Asia rather than the Arabian Peninsula. The evidence of both zoophagic and anthropophagic feeding support the potential for livestock movement to play a role in vector spread in this region.

Abstract Anopheles stephensi is an efficient malaria vector commonly found in South Asia and the Arabian Peninsula, but in recent years it has established as an invasive species in the Horn of Africa (HoA). In this region, An. stephensi was first detected in a livestock quarantine station near a major seaport in Djibouti in 2012, in Ethiopia in 2016, in Sudan in 2018 and Somalia in 2019. Anopheles stephensi often uses artificial containers as larval habitats, which may facilitate introduction through maritime trade as has been seen with other invasive container breeding mosquitoes. If An. stephensi is being introduced through maritime traffic, prioritization exercises are needed to identify locations at greatest risk of An. stephensi introduction for early detection and rapid response, limiting further invasion opportunities. Here, we use UNCTAD maritime trade data to 1) identify coastal African countries which were most highly connected to select An. stephensi endemic countries in 2011, prior to initial detection in Africa, 2) develop a ranked prioritization list of countries based on likelihood of An. stephensi introduction for 2016 and 2020 based on maritime trade alone and maritime trade and habitat suitability, and 3) use network analysis to describe intracontinental maritime trade and eigenvector centrality to determine likely paths of further introduction on the continent if An. stephensi is detected in a new location. Our results show that in 2011, Sudan and Djibouti were ranked as the top two countries with likelihood of An. stephensi introduction based on maritime trade alone, and these were indeed the first two coastal countries in the HoA where An. stephensi was detected. Trade data from 2020 with Djibouti and Sudan included as source populations identify Egypt, Kenya, Mauritius, Tanzania, and Morocco as the top five countries with likelihood of An. stephensi introduction. When factoring in habitat suitability, Egypt, Kenya, Tanzania, Morocco, and Libya are ranked highest. Network analysis revealed that the countries with the highest eigenvector centrality scores, and therefore highest degrees of connectivity with other coastal African nations were South Africa (0.175), Mauritius (0.159), Ghana (0.159), Togo (0.157), and Morocco (0.044) and therefore detection of An. stephensi in any one of these locations has a higher potential to cascade further across the continent via maritime trade than those with lower eigenvector centrality scores. Taken together, these data could serve as tools to prioritize efforts for An. stephensi surveillance and control in Africa. Surveillance in seaports of countries at greatest risk of introduction may serve as an early warning system for the detection of An. stephensi , providing opportunities to limit further introduction and expansion of this invasive malaria vector in Africa.

Abstract Background Resistance to major public health insecticides in Côte d’Ivoire has intensified and now threatens the long-term effectiveness of malaria vector control interventions. Methods This study evaluated the bioefficacy of conventional and next-generation long-lasting insecticidal nets (LLINs), determined resistance profiles, and characterized molecular and metabolic mechanisms in wild Anopheles coluzzii from South-East Côte d’Ivoire in 2019. Results Phenotypic resistance was intense: more than 25% of mosquitoes survived exposure to ten times the doses of pyrethroids required to kill susceptible populations. Similarly, 24-hour mortality to deltamethrin-only LLINs was very low and not significantly different to an untreated net. Sub-lethal pyrethroid exposure did not induce significant delayed vector mortality 72 hours later. In contrast, LLINs containing the synergist piperonyl butoxide (PBO), or new insecticides, clothianidin and chlorfenapyr, were highly toxic to An. coluzzii . Pyrethroid-susceptible An. coluzzii were significantly more likely to be infected with malaria, compared to those that survived insecticidal exposure. Pyrethroid resistance was associated with significant over-expression of CYP6P4, CPY6Z1 and CYP6P3 . Conclusions Study findings raise concerns regarding the operational failure of standard LLINs and support the urgent deployment of vector control interventions incorporating PBO, chlorfenapyr or clothianidin in areas of high resistance intensity in Côte d’Ivoire.

Background: In recent years, the scale-up of long-lasting insecticidal nets (LLINs) and indoor residual spraying (IRS) has greatly reduced malaria transmission. However, malaria remains a global public health concern with the majority of disease burden in sub-Saharan Africa. Insecticide resistance is a growing problem among Anopheles vector populations, with potential implications for the continued effectiveness of available control interventions. Improved understanding of current resistance levels and underlying mechanisms is essential to design appropriate management strategies and to mitigate future selection for resistance. Methods: Anopheles gambiae s.l. mosquitoes were collected from three villages in Faranah Prefecture, Guinea and their levels of susceptibility to seven insecticides were measured using CDC resistance intensity bioassays. Synergist assays with piperonyl butoxide (PBO) were also undertaken to assess the role of elevated mixed-function oxidases in resistance. RNA was extracted from 563 individuals and PCR was performed on cDNA to determine vector species, presence of target site mutations (L1014F kdr, N1575Y and G119S Ace-1), Plasmodium falciparum infection, and relative expression of three metabolic genes (CYP6M2, CYP6P3 and GSTD3). Results: In Faranah, resistance to permethrin and deltamethrin was observed, as well as possible resistance to bendiocarb. All assayed vector populations were fully susceptible to alpha-cypermethrin, pirimiphos-methyl, clothianidin and chlorfenapyr. Plasmodium falciparum infection was detected in 7.3% (37/508) mosquitoes tested. The L1014F kdr mutation was found in 100% of a sub-sample of 60 mosquitoes, supporting its fixation in the region. The N1575Y mutation was identified in 20% (113/561) of individuals, with ongoing selection evidenced by significant deviations from Hardy-Weinberg equilibrium. The G119S Ace-1 mutation was detected in 62.1% (18/29) of mosquitoes tested and was highly predictive of bendiocarb bioassay survival. The metabolic resistance genes, CYP6M2, CYP6P3 and GSTD3, were found to be overexpressed in wild resistant and susceptible An. gambiae s.s. populations, compared to a susceptible G3 colony. Furthermore, CYP6P3 was significantly overexpressed in bendiocarb survivors, implicating its potential role in carbamate resistance in Faranah. Conclusions: Identification of intense resistance to permethrin and deltamethrin in Faranah, is of concern, as the Guinea National Malaria Control Program (NMCP) relies exclusively on the distribution of pyrethroid-treated LLINs for vector control. Study findings will be used to guide current and future control strategies in the region.

The Anopheles mosquito microbiome contains resident bacteria that can influence Plasmodium malaria parasite development. The endosymbiotic bacterium Wolbachia resides in ~40% of insect species but historically was considered absent from Anopheles species (with competing endosymbiotic bacteria such as Asaia postulated to prevent establishment). Recently, Wolbachia strains in wild An. gambiae populations was discovered, suggesting this endosymbiont may be more widespread in malaria vectors. In this study, Anopheles species from five malaria-endemic countries were analysed and Wolbachia strains were discovered in Anopheles coluzzii, Anopheles gambiae s.s., Anopheles moucheti and Anopheles species A. These novel Wolbachia strains are phylogenetically diverse, and high density infections in An. moucheti and Anopheles species A dominated the microbiota. We found no evidence of Wolbachia/Asaia co-infections, or for either of these two endosymbionts having any significant effect on malaria prevalence. We discuss the importance of novel Wolbachia strains in Anopheles species and potential implications for disease control.

Abstract Background Arboviral diseases including dengue and chikungunya are major public health concern in Bangladesh, with unprecedented levels of transmission reported in recent years. The primary approach to control these diseases is control of Aedes aegypti using pyrethroid insecticides. Although chemical control is long-practiced, no comprehensive analysis of Ae. aegypti susceptibility to insecticides has previously been conducted. This study aimed to determine the insecticide resistance status of Ae. aegypti in Bangladesh and investigate the role of detoxification enzymes and altered target site sensitivity as resistance mechanisms. Methods Aedes eggs were collected using ovitraps from five districts across the country and in eight neighborhoods of the capital city Dhaka from August to November 2017. CDC bottle bioassays were conducted for permethrin, deltamethrin, malathion, and bendiocarb using 3-5-day old F 0 -F 2 non-blood fed female mosquitoes. Biochemical assays were conducted to detect metabolic resistance mechanisms and real-time PCR was performed to determine the frequencies of the knockdown resistance ( kdr ) mutations Gly1016, Cys1534, and Leu410. Results High levels of resistance to permethrin were detected in all Ae. aegypti populations, with mortality ranging from 0 – 14.8% at the diagnostic dose. Substantial resistance continued to be detected against higher (2X) doses of permethrin (5.1 – 44.4% mortality). Susceptibility to deltamethrin and malathion varied between populations while complete susceptibility to bendiocarb was observed in all populations. Significantly higher levels of esterase and oxidase activity were detected in most of the test populations as compared to the susceptible reference Rockefeller strain. A significant association was detected between permethrin resistance and the presence of Gly1016 and Cys1534 homozygotes. The frequency of kdr alleles varied across the Dhaka populations, and Leu410 was not detected in any of the tested populations. Conclusions The detection of widespread pyrethroid resistance and multiple mechanisms highlights the urgency for implementing alternate Ae. aegypti control strategies. In addition, implementing routine monitoring of insecticide resistance in Ae. aegypti in Bangladesh will lead to a greater understanding of susceptibility trends over space and time, thereby enabling the development of improved control strategies.

Vector-borne pathogens cause many human infectious diseases and are responsible for high mortality and morbidity throughout the world. They can also cause livestock epidemics with dramatic social and economic consequences. Due to the high costs, vector-borne disease surveillance is often limited to current threats, and the investigation of emerging pathogens typically occur after the reports of clinical cases. Here, we use high-throughput sequencing to detect and identify a wide range of parasites and viruses carried by mosquitoes from Cambodia, Guinea, Mali and Maryland. We apply this approach to individual Anopheles mosquitoes as well as pools of mosquitoes captured in traps; and compare the outcomes of this assay when applied to DNA or RNA. We identified known human and animal pathogens and mosquito parasites belonging to a wide range of taxa, insect Flaviviruses, and novel DNA sequences from previously uncharacterized organisms. Our results also revealed that analysis of the content of an entire trap is an efficient approach to monitor and identify potential vector-borne pathogens in large surveillance studies, and that analyses of RNA extracted from mosquitoes is preferable, when possible, over DNA-based analyses. Overall, we describe a flexible and easy-to-customize assay that can provide important information for vector-borne disease surveillance and research studies to efficiently complement current approaches.

Abstract The development of insecticide resistance in malaria vectors is of increasing concern in Ethiopia because of its potential implications for vector control failure. To better elucidate the specificity of resistance mechanisms and to facilitate the design of control strategies that minimize the likelihood of selecting for cross-resistance, a whole transcriptomic approach was used to explore gene expression patterns in a multi-insecticide resistant population of Anopheles arabiensis from Oromia Region, Ethiopia. This field population was resistant to the diagnostic doses of malathion (average mortality of 71.9%) and permethrin (77.4%), with pools of survivors and unexposed individuals analyzed using Illumina RNA-sequencing, alongside insecticide susceptible reference strains. This population also demonstrated deltamethrin resistance but complete susceptibility to alpha-cypermethrin, bendiocarb and propoxur, providing a phenotypic basis for detecting insecticide-specific resistance mechanisms. Transcriptomic data revealed overexpression of genes including cytochrome P450s, glutathione-s-transferases and carboxylesterases (including CYP4C36, CYP6AA1, CYP6M2, CYP6M3, CYP6P4, CYP9K1, CYP9L1, GSTD3, GSTE2, GSTE3, GSTE4, GSTE5, GSTE7 and two carboxylesterases) that were shared between malathion and permethrin survivors. We also identified nineteen highly overexpressed cuticular-associated proteins (including CYP4G16, CYP4G17 and chitinase) and eighteen salivary gland proteins (including D7r4 short form salivary protein), which may be contributing to a non-specific resistance phenotype by either enhancing the cuticular barrier or promoting binding and sequestration of insecticides, respectively. These findings provide novel insights into the molecular basis of insecticide resistance in this lesser well-characterized major malaria vector species. Importance Insecticide-resistant mosquito populations remain a significant challenge to global malaria vector control. While substantial progress has been made unraveling resistance mechanisms in major vector species, such as Anopheles gambiae and An. funestus , comparatively less is known about An. arabiensis populations. Using a whole transcriptomic approach, we investigated genes associated with resistance to insecticides used to control An. arabiensis in Ethiopia. Study findings revealed shared detoxification genes between organophosphate- and pyrethroid-resistant vectors and highly overexpressed cuticular-associated proteins and salivary gland proteins, which may play a role in enhancing insecticide resistance. The whole transcriptomic analysis detected novel resistance-associated genes, which warrant functional validation to determine their specificity to particular insecticides and their potential to confer cross-resistance between different insecticides with the same mode of action. These genes may contribute to the development of diagnostic markers to monitor insecticide resistance dynamics in the field.

Anopheles stephensi, an efficient Asian malaria vector, recently spread into the Horn of Africa and may increase malaria receptivity in African urban areas. We assessed occurrence, genetic complexity, blood meal source and infection status of An. stephensi in Awash Sebat Kilo town, Ethiopia. We used membrane feeding assays to assess competence of local An. stephensi to P. vivax and P. falciparum isolates from clinical patients. 75.3% of the examined waterbodies were infested with An. stephensi developmental stages that were genetically closely related to isolates from Djibouti and Pakistan. Both P. vivax and P. falciparum were detected in wild-caught adult An. stephensi. Local An. stephensi was more receptive to P. vivax compared to a colony of An. arabiensis. We conclude that An. stephensi is an established vector in this part of Ethiopia, highly permissive for local P. vivax and P. falciparum isolates and presents an important new challenge for malaria control.