Abstract Assays used to evaluate the transmission-blocking activity of antimalarial drugs are largely focused on their potential to inhibit or reduce the infectivity of gametocytes, the blood stages of the parasite that are responsible for the onward transmission to the mosquito vector. For this purpose, the drug is administered concomitantly with the gametocyte-infected blood, and the results are evaluated as the % reduction in the number of oocysts in the mosquito midgut. We report the results of a series of experiments that explore the transmission blocking potential of two key antimalarial drugs, artesunate (AS) and sulfadoxine-pyrimethamine (SP), when administered to mosquitoes already infected from a previous blood meal. For this purpose, uninfected mosquitoes and mosquitoes carrying a 6-day old Plasmodium relictum infection (early oocyst stages) are allowed to feed either on a drug-treated or an untreated host in a fully factorial experiment. This protocol allows us to bypass the gametocyte stages and establish whether the drugs are able to arrest the ongoing development of oocysts and sporozoites, as would be the case when a mosquito takes a post-infection treated blood meal. In a separate experiment, we also explore whether a drug-treated blood meal impacts key life history traits of the mosquito relevant for transmission, and if this depends on their infection status. Our results show that feeding on an AS- or SP-treated host has no epidemiologically relevant effects on the fitness of infected or uninfected mosquitoes. In contrast, when infected mosquitoes feed on an SP-treated host, we observe both a significant increase in the number of oocysts in the midgut, and a drastic decrease in both sporozoite prevalence (−30%) and burden (−80%) compared to the untreated controls. We discuss the potential mechanisms underlying these seemingly contradictory results and contend that, provided the results are translatable to human malaria, the potential epidemiological and evolutionary consequences of the current preventive use of SP in malaria-endemic countries could be substantial.

A bstract Drug resistance is a major issue in the control of malaria. Mutations linked to drug resistance often target key metabolic pathways and are therefore expected to be associated with biological costs. The spread of drug resistance depends on the balance between the benefits that these mutations provide in the drug-treated host and the costs they incur in the untreated host. The latter may therefore be expressed both in the vertebrate host and in the vector. Research on the costs of drug resistance focusses on interactions with vertebrate host, yet whether they are also expressed in the vector has been overlooked. In this study, we aim to identify the costs and benefits of resistance against artesunate (AS), one of the main artemisinin derivatives used in malaria-endemic countries. For this purpose, we compared different AS-selected lines of the avian malaria parasite Plasmodium relictum to their ancestral (unselected) counterpart. We tested their within host dynamics and virulence both in the vertebrate host and in its natural vector, the mosquito Culex quinquefasciatus . The within-host dynamics of the AS-selected lines in the treated birds was consistent with the phenotype of resistance described in human P. falciparum malaria: a clearance delay during the treatment followed by a recrudescence once the treatment was interrupted. In the absence of treatment, however, we found no significant costs of resistance in the bird. The results of the two experiments to establish the infectivity of the lines to mosquitoes point towards a decreased infectivity of the drug-selected lines as compared to the ancestral, reference one. We discuss the potential implication of these results on the spread of artesunate resistance in the field.

ABSTRACT Plasmodium relictum is the most widespread avian malaria parasite in the world. It is listed as one of the 100 most dangerous invasive species, having been responsible for the extinction of several endemic bird species, and the near-demise of several others. Here we present the first transcriptomic study examining the effect of P. relictum on the immune system of its vector (the mosquito Culex quinquefasciatus ) at different times post-infection. We show that over 50% of immune genes identified as being part of the Toll pathway and 30-40% of the immune genes identified within the Imd pathway are overexpressed during the critical period spanning the parasite’s oocyst and sporozoite formation (8-12 days), revealing the crucial role played by both these pathways in this natural mosquito- Plasmodium combination. Comparison of infected mosquitoes with their uninfected counterparts also revealed some unexpected RNA expression patterns earlier and later in the infection: Significant differences in expression of several immune effectors were observed as early as 30 minutes after the ingestion of the infected blood meal. In addition, in the later stages of the infection (towards the end of the mosquito lifespan), we observed an unexpected increase in immune investment in uninfected, but not in infected, mosquitoes. In conclusion, our work extends the comparative transcriptomic analyses of malaria-infected mosquitoes beyond human and rodent parasites and provides insights into the degree of conservation of immune pathways and into the selective pressures exerted by Plasmodium parasites on their vectors.

Avian malaria parasites are prevalent around the world, and infect a wide diversity of bird species. Here we report the sequencing and analysis of high quality draft genome sequences for two avian malaria species, Plasmodium relictum and Plasmodium gallinaceum. We identify 50 genes that are specific to avian malaria, located in an otherwise conserved core of the genome that shares gene synteny with all other sequenced malaria genomes. Phylogenetic analysis suggests that the avian malaria species form an outgroup to the mammalian Plasmodium species and using amino acid divergence between species, we estimate the avian and mammalian-infective lineages diverged in the order of 10 million years ago. Consistent with their phylogenetic position, we identify orthologs of genes that had previously appeared to be restricted to the clades of parasites containing P. falciparum and P. vivax, the species with the greatest impact on human health. From these orthologs, we explore differential diversifying selection across the genus and show that the avian lineage is remarkable in the extent to which invasion related genes are evolving. The subtelomeres of the P. relictum and P. gallinaceum genomes contain several novel gene families, including an expanded surf multigene family. We also identify an expansion of reticulocyte binding protein homologs in P. relictum and within these proteins, we detect distinct regions that are specific to non-human primate, humans, rodent and avian hosts. For the first time in the Plasmodium lineage we find evidence of transposable elements, including several hundred fragments of LTR-retrotransposons in both species and an apparently complete LTR-retrotransposon in the genome of P. gallinaceum.

Abstract The malaria parasite Plasmodium relictum is one of the most widespread species of avian malaria. As is the case in its human counterparts, bird Plasmodium undergoes a complex life cycle infecting two hosts: the arthropod vector and the vertebrate host. In this study, we examine the transcriptome of P. relictum (SGS1) during crucial timepoints within its natural vector, Culex pipiens quinquefasciatus . Differential gene-expression analyses identified genes linked to the parasites life-stages at: i) a few minutes after the blood meal is ingested, ii) during peak oocyst production phase, iii) during peak sporozoite phase and iv) during the late-stages of the infection. A large amount of genes coding for functions linked to host-immune invasion and multifunctional genes was active throughout the infection cycle. One gene associated with a conserved Plasmodium membrane protein with unknown function was upregulated throughout the parasite development in the vector, suggesting an important role in the successful completion of the sporogonic cycle. Transcript annotation further revealed novel genes, which were significantly differentially expressed during the infection in the vector as well as upregulation of reticulocyte-binding proteins, which raises the possibility of the multifunctionality of these RBPs. We establish the existence of highly stage-specific pathways being overexpressed during the infection. This first study of gene-expression of a non-human Plasmodium species in its natural vector provides a comprehensive insight into the molecular mechanisms of the common avian malaria parasite P. relictum and provides essential information on the evolutionary diversity in gene regulation of the Plasmodium’s vector stages.

Temporal variations in the activity of arthropod vectors can dramatically affect the epidemiology and evolution of vector-borne pathogens. Here we explore the Hawking hypothesis stating that these pathogens may evolve the ability to time investment in transmission to match the activity of their vectors. First, we use a theoretical model to identify the conditions promoting the evolution of time-varying transmission strategies in pathogens. Second, we experimentally test the Hawking hypothesis by monitoring the within-host dynamics of Plasmodium relictum throughout the acute and the chronic phases of the bird infection. To explore the periodicity in the host parasite density, we develop a new methodology to correct for non-stationarities in the host parasitaemia. We detect a periodic increase of parasitaemia and mosquito infection in the late afternoon that coincides with an increase in the biting activity of its natural vector. We also detect a positive effect of mosquito bites on Plasmodium replication in the birds both in the acute and in the chronic phases of the infection. This study highlights that Plasmodium parasites use two different strategies to increase the match between transmission potential and vector availability. We discuss the adaptive nature of these unconditional and plastic transmission strategies with respect to the time-scale and the predictability of the fluctuations in the activity of the vector.

A pervasive characteristic of malaria parasite infection in mosquito vector populations is their tendency to be overdispersed. Understanding the mechanisms underlying the overdispersed distribution of parasites is of key importance as it may drastically impact the transmission dynamics of the pathogen. The small fraction of heavily infected individuals might serve as superspreaders and cause a disproportionate number of subsequent infections. Although multiple factors ranging from environmental stochasticity to inter-individual heterogeneity may explain parasite overdispersion, Plasmodium infection has also been observed to be highly overdispersed in inbred mosquito population maintained under standardized laboratory conditions, suggesting that other mechanisms may be at play. Here, we show that the aggregated distribution of Plasmodium within mosquito vectors is partially explained by a temporal heterogeneity in parasite infectivity triggered by the bites of blood-feeding mosquitoes. Several experimental blocks carried out with three different Plasmodium isolates have consistently shown that the transmission of the parasite increases progressively with the order of mosquito bites. Surprisingly the increase in transmission is not associated with an increase in Plasmodium replication rate or higher investment in the production of the transmissible stage (gametocyte). Adjustment of the physiological state of the gametocytes could be, however, an adaptive strategy to respond promptly to mosquito bites. Overall our data show that malaria parasite appears to be able to respond to the bites of mosquitoes to increase its own transmission at a much faster pace than initially thought (hours rather than days). Further work needs to be carried out to elucidate whether these two strategies are complementary and, particularly, what are their respective underlaying mechanisms. Understanding the processes underlying the temporal fluctuations in Plasmodium infectivity throughout vertebrate host-to-mosquito transmission is essential and could lead to the development of new approaches to control malaria transmission.### Competing Interest Statement