Could some vaccines drive the evolution of more virulent pathogens? Conventional wisdom is that natural selection will remove highly lethal pathogens if host death greatly reduces transmission. Vaccines that keep hosts alive but still allow transmission could thus allow very virulent strains to circulate in a population. Here we show experimentally that immunization of chickens against Marek's disease virus enhances the fitness of more virulent strains, making it possible for hyperpathogenic strains to transmit. Immunity elicited by direct vaccination or by maternal vaccination prolongs host survival but does not prevent infection, viral replication or transmission, thus extending the infectious periods of strains otherwise too lethal to persist. Our data show that anti-disease vaccines that do not prevent transmission can create conditions that promote the emergence of pathogen strains that cause more severe disease in unvaccinated hosts.

Abstract Current strategies to understand the molecular basis of Marek’s disease virus (MDV) virulence primarily consist of cataloguing divergent nucleotides between strains with different phenotypes. However, each MDV strain is typically represented by a single consensus genome despite the confirmed existence of mixed viral populations. To assess the reliability of single-consensus interstrain genomic comparisons, we obtained two additional consensus genomes of vaccine strain CVI988 (Rispens) and two additional consensus genomes of the very virulent strain Md5 by sequencing viral stocks and cultured field isolates. In conjunction with the published genomes of CVI988 and Md5, this allowed us to perform 3-way comparisons between consensus genomes of the same strain. We found that consensus genomes of CVI988 can vary in as many as 236 positions involving 13 open reading frames (ORFs). In contrast, we found that Md5 genomes varied only in 11 positions involving a single ORF. Phylogenomic analyses showed all three Md5 consensus genomes clustered closely together, while also showing that CVI988 GenBank.BAC diverged from CVI988 Pirbright.lab and CVI988 USDA.PA.field . Comparison of CVI988 consensus genomes revealed 19 SNPs in the unique regions of CVI988 GenBank.BAC that were not present in either CVI988 Pirbright.lab or CVI988 USDA.PA.field . Finally, we evaluated the genomic heterogeneity of CVI988 and Md5 populations by identifying positions with >2% read support for alternative alleles in two ultra-deeply sequenced samples. We were able to confirm that both populations of CVI988 and Md5 were mixed, exhibiting a total of 29 and 27 high-confidence minor variant positions, respectively. We did not find any evidence of minor variants in the positions corresponding to the 19 SNPs in the unique regions of CVI988 GenBank.BAC . Taken together, our findings confirm that consensus genomes of the same strain of MDV can vary and suggest that multiple consensus genomes per strain are needed in order to maximize the accuracy of interstrain genomic comparisons.

Marek's disease virus is a herpesvirus of chickens that costs the worldwide poultry industry over 1 billion USD annually. Two generations of Marek's disease vaccines have shown reduced efficacy over the last half century due to evolution of the virus. Understanding where the virus is present may give insight into whether continued reductions in efficacy are likely. We conducted a three-year surveillance study to assess the prevalence of Marek's disease virus on commercial poultry farms, determine the effect of various factors on virus prevalence, and document virus dynamics in broiler chicken houses over short (weeks) and long (years) timescales. We extracted DNA from dust samples collected from commercial chicken and egg production facilities in Pennsylvania, USA. Quantitative polymerase chain reaction (qPCR) was used to assess wild-type virus detectability and concentration. Using data from 1018 dust samples with Bayesian generalized linear mixed effects models, we determined the factors that correlated with virus prevalence across farms. Maximum likelihood and autocorrelation function estimation on 3727 additional dust samples were used to document and characterize virus concentrations within houses over time. Overall, wild-type virus was detectable at least once on 36 of 104 farms at rates that varied substantially between farms. Virus was detected in 1 of 3 broiler-breeder operations (companies), 4 of 5 broiler operations, and 3 of 5 egg layer operations. Marek's disease virus detectability differed by production type, bird age, day of the year, operation (company), farm, house, flock, and sample. Operation (company) was the most important factor, accounting for between 12% and 63.4% of the variation in virus detectability. Within individual houses, virus concentration often dropped below detectable levels and reemerged later. These data characterize Marek's disease virus dynamics, which are potentially important to the evolution of the virus.