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.

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 Resistance in malaria vectors to pyrethroids, the most widely used class of insecticides for malaria vector control, threatens the continued efficacy of vector control tools. Target-site resistance is an important genetic resistance mechanism caused by mutations in the voltage-gated sodium channel ( Vgsc ) gene that encodes the pyrethroid target-site. Understanding the geographic distribution of target-site resistance, and temporal trends across different vector species, can inform strategic deployment of vector control tools. Here we develop a Bayesian statistical spatiotemporal model to interpret species-specific trends in the frequency of the most common resistance mutations, Vgsc -995S and Vgsc -995F, in three major malaria vector species Anopheles gambiae, An. coluzzii , and An. arabiensis . For nine selected countries, we develop annual predictive maps which reveal geographically-structured patterns of spread of each mutation at regional and continental scales. The results show associations, as well as stark differences, in spread dynamics of the two mutations across the three vector species. The coverage of ITNs was an influential predictor of Vgsc allele frequencies in our models. Our mapped Vgsc allele frequencies are a significant partial predictor of phenotypic resistance to the pyrethroid deltamethrin in An. gambiae complex populations, highlighting the importance of molecular surveillance of resistance mechanisms.