Abstract Seasonality is a ubiquitous feature of wildlife disease ecology, but is determined by a complex interplay of environmental, parasitological and host factors. Gastrointestinal parasites often exhibit strong seasonal dynamics in wild vertebrate populations due to, for example, environmental influences on free-living or vectored life stages, and variation in the physiological and immune status of hosts across their annual cycle. At the same time, wild populations are typically infected with multiple parasites. The seasonal dynamics of co-infecting parasites may differ depending on age and reproductive status, and associations among parasites may be driven by short-term within-individual changes or longer-term interactions that are consistent among hosts. Here, we used faecal samples and egg counts collected repeatedly from individually marked and monitored wild Soay sheep that were part of a long-term study to investigate seasonal dynamics of six gastrointestinal parasite groups (strongyle nematodes, coccidian protozoa, Capillaria, Strongyloides, Nematodirus , and Moniezia ). Prevalence and abundance generally tended to be higher spring and summer, and burdens were higher in lambs than adults. Within the highly prevalent strongyle nematode group, we found differences in seasonality of egg counts depending on adult reproductive status. Reproductive ewes had increased counts in spring around the time of birth followed by a drop in abundance in summer, while barren ewes showed little evidence of seasonality. Males showed a sustained rise in egg counts through spring and summer, and sex differences were only strongly apparent in summer. In contrast, in similarly prevalent coccidia we found a peak in faecal oocyst counts in spring but no differences in seasonality among males, barren and pregnant ewes. Using multivariate mixed-effects models, we went on to show that both strongyle and coccidia counts are moderately repeatable across seasons among individuals. We further show that apparent positive correlation between strongyle and coccidia counts was driven by short-term within-individual changes in both parasite burdens rather than long-term among-individual covariation. Overall, our results demonstrate that seasonality varies across demographic and parasite groups and highlight the value of investigating fluctuating susceptibility and exposure over time for understanding epidemiology of a population.

ABSTRACT The adaptive immune system is critical to an effective, long-lasting ability to respond to infection in vertebrates and T-helper (Th) cells play a key role in orchestrating the adaptive immune response. Laboratory studies show that functionally distinct Th responses provide protection against different kinds of parasites (i.e., Th1 responses against microparasites and Th2 against macroparasites). Natural populations must deal with challenges from a wide range of infectious agents and co-infection with different types of parasite is the norm, so different Th responses are likely to play an important and dynamic role in maintaining host health and fitness. However, the relationship between T helper immune phenotypes and infection with different types of parasites remains poorly understood in wild animals. In this study, we characterised variation in functionally distinct Th responses (Th1, Th2, Th17 and regulatory responses) in a wild population of Soay sheep using flow cytometry to detect Th-subset specific transcription factors, and ex vivo lymphocyte stimulation to quantify release of Th-associated cytokines. We specifically tested the prediction that raised Th1 and Th2 responses should predict reduced apicomplexan (coccidian) and helminth (nematode) parasite burdens, respectively. Cell counts of different Th subsets measured by flow cytometry did not vary with age or sex. However, all measures of Th-associated ex vivo cytokine production increased with age, and Th17- and regulatory Th-associated cytokine production increased more rapidly with age in males than females. Independent of age and sex, Th2-associated immune measures negatively predicted gastro-intestinal strongyle nematode faecal egg count, while production of the Th1-associated cytokine IFN-γ negatively predicted coccidian faecal oocyst count. Our results provide important support from outside the laboratory that Th1 and Th2 responses confer resistance to different kinds of parasites (micro- and macro-parasites, respectively). They also add to mounting evidence from wild populations that Th1/Th2 trade-offs often observed in controlled laboratory experiments may not readily translate to more complex natural systems. Our study illustrates that harnessing more specific reagents and tools from laboratory immunology has the potential to illuminate our understanding of epidemiology and host-parasite co-evolution in the wild.

Abstract High density should drive greater parasite exposure. However, evidence linking density with infection generally uses density proxies, rather than of individuals per space within a continuous population. We used a long-term study of wild sheep to link within-population spatiotemporal variation in host density with individual parasite counts. Although four parasites exhibited strong positive relationships with local density, these relationships were mostly restricted to juveniles and faded in adults. Further, one ectoparasite showed strong negative relationships across all age classes. In contrast, population size – a measure of global density – had limited explanatory power, and its effects did not remove those of spatial density, but were complementary. These results indicate that local and global density can exhibit diverse and contrasting effects on infection within populations. Spatial measures of within-population local density may provide substantial additional insight to temporal metrics based on population size, and investigating them more widely could be highly revealing.

Abstract Organisms have evolved diverse strategies to manage parasite infections. Broadly, hosts may avoid infection by altering behaviour, resist infection by targeting parasites or tolerate infection by repairing associated damage. The effectiveness of a strategy depends on interactions between, for example, resource availability, parasite traits (virulence, life‐history) and the host itself (nutritional status, immunopathology). To understand how these factors shape host parasite‐mitigation strategies, we developed a mathematical model of within‐host, parasite‐immune dynamics in the context of helminth infections. The model incorporated host nutrition and resource allocation to different mechanisms of immune response: larval parasite prevention; adult parasite clearance; damage repair (tolerance). We also considered a non‐immune strategy: avoidance via anorexia, reducing intake of infective stages. Resources not allocated to immune processes promoted host condition, whereas harm due to parasites and immunopathology diminished it. Maximising condition (a proxy for fitness), we determined optimal host investment for each parasite‐mitigation strategy, singly and combined, across different environmental resource levels and parasite trait values. Which strategy was optimal varied with scenario. Tolerance generally performed well, especially with high resources. Success of the different resistance strategies (larval prevention or adult clearance) tracked relative virulence of larval and adult parasites: slowly maturing, highly damaging larvae favoured prevention; rapidly maturing, less harmful larvae favoured clearance. Anorexia was viable only in the short term, due to reduced host nutrition. Combined strategies always outperformed any lone strategy: these were dominated by tolerance, with some investment in resistance. Choice of parasite mitigation strategy has profound consequences for hosts, impacting their condition, survival and reproductive success. We show that the efficacy of different strategies is highly dependent on timescale, parasite traits and resource availability. Models that integrate such factors can inform the collection and interpretation of empirical data, to understand how those drivers interact to shape host immune responses in natural systems.

Summary Monitoring the prevalence and abundance of parasites over time is important for addressing their potential impact on host life-histories, immunological profiles, and their influence as a selective force. Only long-term ecological studies have the potential to shed light on both the temporal trends in infection prevalence and abundance and the drivers of such trends, because of their ability to dissect drivers that may be confounded over shorter time scales. Despite this, only a relatively small number of such studies exist. Here, we analysed changes in the prevalence and abundance of gastrointestinal parasites in the wild Soay sheep population of St Kilda across 31 years. The host population density has increased across the study, and population density is known to increase parasite transmission, but we found that density and year explained temporal variation in parasite prevalence and abundance independently. Prevalence of both strongyle nematodes and coccidian microparasites increased during the study, and this effect varied between lambs, yearlings and adults. Meanwhile, abundance of strongyles was more strongly linked to host density than to temporal (yearly) dynamics, while abundance of coccidia showed a strong temporal trend without any influence of density. Strikingly, coccidian abundance increased threefold across the course of the study in lambs, while increases in yearlings and adults were negligible. Our decades-long, intensive, individual-based study will enable the role of environmental change and selection pressures in driving these dynamics to be determined, potentially providing unparalleled insight into the drivers of temporal variation in parasite dynamics in the wild. Key findings We studied temporal trends in gastrointestinal parasites of wild sheep over 31 years Year and host population density explained temporal variation in parasites independently Prevalence of both strongyle nematodes and coccidia varied across the study period Abundance of strongyles was more closely linked to host density than year Abundance of coccidia increased threefold over time in lambs, but did not vary in adults