Abstract Disease tolerance is an infection phenotype where hosts show relatively high health despite harbouring elevated pathogen loads. Variation in the ability to reduce immunopathology may explain why some hosts can tolerate higher pathogen burdens with reduced pathology. Negative immune regulation would therefore appear to be a clear candidate for a mechanism underlying disease tolerance. Here, we examined how the negative regulation of the immune deficiency (IMD) pathway affects disease tolerance in Drosophila melanogaster when infected with four doses of the gram-negative bacterial pathogen Pseudomonas entomophila . We find that while flies unable to regulate the IMD response exhibited higher expression of antimicrobial peptides and lower bacterial loads as expected, this was not accompanied by a proportional reduction in mortality. Instead, UAS-RNAi knockdown of negative regulators of IMD ( pirk and caudal ) substantially increased the per-pathogen-mortality in both males and females across all tested infectious doses. Our results therefore highlight that in addition to regulating an efficient pathogen clearance response, negative regulators of IMD also contribute to disease tolerance.

ABSTRACT Evolutionary theory predicts a late-life decline in the force of natural selection, possibly leading to late-life deregulations of the immune system. A potential outcome of such immune-deregulation is the inability to produce specific immunity against target pathogens. We tested this possibility by infecting multiple Drosophila melanogaster lines (with bacterial pathogens) across age-groups, where either individual or different combinations of Imd- and Toll-inducible antimicrobial peptides (AMPs) were deleted using CRISPR gene editing. We show a high degree of non-redundancy and pathogen-specificity of AMPs in young flies: in some cases, even a single AMP could confer complete resistance. In contrast, ageing led to a complete loss of such specificity, warranting the action of multiple AMPs across Imd- and Toll-pathways during infections. Moreover, use of diverse AMPs either had no survival benefits, or even accompanied survival costs post-infection. These features were also sexually dimorphic: females expressed a larger repertoire of AMPs than males, but extracted equivalent survival benefits. Finally, age-specific expansion of the AMP-pool was associated with downregulation of negative-regulators of the Imd-pathway and a potential damage to renal function, as features of poorly-regulated immunity, Overall, we could establish ageing as an important driver of nonspecific AMP responses, across sexes and bacterial infections.

Abstract The insect gut is frequently exposed to pathogenic threats and must not only clear these potential infections, but also tolerate relatively high microbe loads. In contrast to the mechanisms that eliminate pathogens, we currently know less about the mechanisms of disease tolerance. We investigated how well-described mechanisms that either prevent, signal, control, or repair damage during infection contribute to the phenotype of disease tolerance. We established enteric infections with the bacterial pathogen Pseudomonas entomophila in transgenic lines of Drosophila melanogaster fruit flies affecting dcy (a major component of the peritrophic matrix), upd3 (a cytokine-like molecule), irc (a negative regulator of reactive oxygen species) and egfr 1 (epithelial growth factor receptor). Flies lacking dcy experienced the highest susceptibility, while loss of function of either irc or upd3 reduced tolerance in both sexes. The disruption of egfr 1 resulted in a severe loss in tolerance in male flies but had no substantial effect on the ability of female flies to tolerate P. entomophila infection, despite carrying greater microbe loads than males. Together, our findings provide evidence for the role of damage limitation mechanisms in disease tolerance and highlight how sex differences in these mechanisms could generate sexual dimorphism in disease tolerance.

ABSTRACT Dietary restriction (DR), limiting calories or specific nutrients, extends lifespan across diverse taxa. This lifespan extension has been explained as diet-mediated changes in the trade-off between lifespan and reproduction, with survival favoured with scarce resources. Another evolutionary hypothesis suggests the selective benefit of the response is the maintenance of reproduction. This hypothesis predicts that lifespan extension is a side effect of benign laboratory conditions, where DR individuals are frailer and unable to deal with additional stressors, and thus lifespan extension should disappear under more stressful conditions. We tested this by rearing outbred female Drosophila melanogaster on 10 different protein:carbohydrate diets. Flies were either infected with a bacterial pathogen ( Pseudomonas entomophila ), injured or unstressed. We monitored lifespan, fecundity and ageing measures. DR extended lifespan and reduced reproduction irrespective of injury and infection. These results do not support lifespan extension under DR being a side effect of benign laboratory conditions.

Abstract Disease tolerance describes an infected host’s ability to maintain health independently of the ability to clear microbe loads. The Jak/Stat pathway plays a pivotal role in humoral innate immunity by detecting tissue damage and triggering cellular renewal, making it a candidate tolerance mechanism. Here, we find that in Drosophila melanogaster infected with Pseudomonas entomophila disrupting ROS -producing dual oxidase (duox ) or the negative regulator of Jak/Stat Socs36E , render male flies less tolerant. Another negative regulator of Jak/Stat, G9a - which has previously been associated with variable tolerance of viral infections – did not affect the rate of mortality with increasing microbe loads compared to flies with functional G9a , suggesting it does not affect tolerance of bacterial infection as in viral infection. Our findings highlight that ROS production and Jak/Stat signalling influence the ability of flies to tolerate bacterial infection sex-specifically and may therefore contribute to sexually dimorphic infection outcomes in Drosophila .

ABSTRACT Early-life conditions have profound effects on many life-history traits. In particular, early-life diet affects both juvenile development, and adult survival and reproduction. Early-life diet also has consequences for the ability of adults to withstand stressors such as starvation, temperature and desiccation. However, it is less well known how early-life diet influences the ability of adults to respond to infection. Here we test whether varying the larval diet of female Drosophila melanogaster (through altering protein to carbohydrate ratio, P:C) influences the long-term response to injury and infection with the bacterial pathogen Pseudomonas entomophila . Given previous work manipulating adult dietary P:C, we predicted that adults from larvae raised on higher P:C diets would be more likely to survive infection and have increased reproduction, but shorter lifespans and an increased rate of ageing. For larval development, we predicted that low P:C would lead to a longer development time and lower viability. We found that early-life and lifetime egg production were highest at intermediate to high larval P:C diets, but there was no effect of larval P:C on adult survival. Larval diet had no effect on survival or reproduction post-infection. Larval development was quickest on intermediate P:C and egg-to-pupae and egg-to-adult viability were higher on higher P:C. Overall, despite larval P:C affecting several traits measured in this study, we saw no evidence that larval P:C altered the consequence of infection or injury for adult survival and early-life and lifetime reproduction. Taken together, these data suggest that larval diets appear to have a limited impact on adult response to infection.

Abstract Genetic variation for both resistance and disease tolerance has been described in a range of species infected with bacterial, viral and fungal pathogens. In Drosophila melanogaster , genetic variation in mortality following systemic Drosophila C Virus (DCV) infection has been shown to be driven by large effect polymorphisms in the viral restriction factor pastrel (pst) . However, it is unclear if pst impacts variation in DCV titres (i.e. resistance), or if it also contributes to disease tolerance. We investigated systemic infection across a range of DCV challenge doses spanning nine orders of magnitude, in males and females of ten Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP) lines carrying either a susceptible (S) or resistant (R) pst allele. Our results uncover among-line variation in fly survival, viral titers, and disease tolerance measured both as the ability to maintain survival (mortality tolerance) and reproduction (fecundity tolerance). We confirm the role of pst in resistance, as fly lines with the resistant (R) pst allele experienced lower viral titers, and we uncover novel effects of pst on host vigor, as flies carrying the R allele exhibited higher survival and fecundity even in the absence of infection. Finally, we found significant variation in the expression of the JAK-STAT ligand upd3 and the epigenetic regulator of JAK-STAT G9a . While G9a has been previously shown to mediate tolerance of DCV infection, we found no correlation between the expression of either upd3 or G9a on fly tolerance or resistance. Our work highlights the importance of both resistance and tolerance in viral defence.

Invertebrates lack the immune machinery underlying vertebrate-like acquired immunity. However, in many insects past infection by the same pathogen can prime the immune response, resulting in improved survival upon reinfection. Here, we investigated the generality, specificity and mechanistic basis of innate immune priming in the fruit fly Drosophila melanogaster when infected with the gram-negative bacterial pathogen Providencia rettgeri. We find that priming in response to P. rettgeri infection is a long-lasting and pathogen-specific response. We further explore the epidemiological consequences of immune priming and find it has the potential to curtail pathogen transmission by reducing pathogen shedding and spread. The enhanced survival of individuals previously exposed to a non-lethal, heat-killed bacterial challenge coincided with a transient decrease in bacterial loads, and we provide strong evidence that the effect of priming requires the IMD-responsive antimicrobial-peptide Diptericin-B in the fat body. Further, we show that while Diptericin B is the main effector of bacterial clearance, it is not sufficient for immune priming, which requires regulation of IMD by peptidoglycan recognition proteins. This work underscores the plasticity and complexity of invertebrate responses to infection, providing novel experimental evidence for the effects of innate immune priming on population-level epidemiological outcomes.

Invertebrates lack the immune machinery underlying vertebrate-like acquired immunity. However, in many insects past infection by the same pathogen can ‘prime’ the immune response, resulting in improved survival upon reinfection. Here, we investigated the mechanistic basis and epidemiological consequences of innate immune priming in the fruit fly Drosophila melanogaster when infected with the gram-negative bacterial pathogen Providencia rettgeri . We find that priming in response to P . rettgeri infection is a long-lasting and sexually dimorphic response. We further explore the epidemiological consequences of immune priming and find it has the potential to curtail pathogen transmission by reducing pathogen shedding and spread. The enhanced survival of individuals previously exposed to a non-lethal bacterial inoculum coincided with a transient decrease in bacterial loads, and we provide strong evidence that the effect of priming requires the IMD-responsive antimicrobial-peptide Diptericin-B in the fat body. Further, we show that while Diptericin B is the main effector of bacterial clearance, it is not sufficient for immune priming, which requires regulation of IMD by peptidoglycan recognition proteins. This work underscores the plasticity and complexity of invertebrate responses to infection, providing novel experimental evidence for the effects of innate immune priming on population-level epidemiological outcomes.

Abstract Parental care is a key component of an organism’s reproductive strategy that is thought to trade-off with allocation towards immunity. Yet it is unclear how caring parents respond to pathogens: do infected parents reduce their amount of care as a sickness behaviour or simply from being ill, or do they prioritise their offspring by maintaining high levels of care? Here we explored the consequences of infection by the pathogen Serratia marcescens on mortality, time spent providing care, reproductive output, and expression of immune genes of female parents in the burying beetle Nicrophorus vespilloides . We compared untreated control females with infected females that were inoculated with live bacteria, immune-challenged females that were inoculated with heat-killed bacteria, and injured females that were injected with buffer. We found that infected and immune-challenged females mounted an immune response and that infected females suffered increased mortality. Nevertheless, infected and immune-challenged females maintained their normal level of care and reproductive output. There was thus no evidence that infection led to either a decrease or an increase in parental care or reproductive output. Our results show that parental care, which is generally highly flexible, can remain remarkably robust and consistent despite the elevated mortality caused by infection by pathogens. Overall, these findings suggest that infected females maintain a high level of parental care; a strategy that may ensure that offspring receive the necessary amount of care but that might be detrimental to the parents’ own survival or that may even facilitate disease transmission to offspring.