Tsetse flies (Glossina spp.) vector pathogenic trypanosomes (Trypanosoma spp.) in sub-Saharan Africa. These parasites cause human and animal African trypanosomiases, which are debilitating diseases that inflict an enormous socio-economic burden on inhabitants of endemic regions. Current disease control strategies rely primarily on treating infected animals and reducing tsetse population densities. However, relevant programs are costly, labor intensive and difficult to sustain. As such, novel strategies aimed at reducing tsetse vector competence require development. Herein we investigated whether an Enterobacter bacterium (Esp_Z), which confers Anopheles gambiae with resistance to Plasmodium, is able to colonize tsetse and induce a trypanosome refractory phenotype in the fly. Esp_Z established stable infections in tsetse’s gut, and exhibited no adverse effect on the survival of individuals from either group. Flies with established Esp_Z infections in their gut were significantly more refractory to infection with two distinct trypanosome species (T. congolense, 6% infection; T. brucei, 32% infection) than were age-matched flies that did not house the exogenous bacterium (T. congolense, 36% infected; T. brucei, 70% infected). Additionally, 52% of Esp_Z colonized tsetse survived infection with entomopathogenic Serratia marcescens, compared with only 9% of their wild-type counterparts. These parasite and pathogen refractory phenotypes result from the fact that Esp_Z acidifies tsetse’s midgut environment, which inhibits trypanosome and Serratia growth and thus infection establishment. Finally, we determined that Esp_Z infection does not impact the fecundity of male or female tsetse, nor the ability of male flies to compete with their wild-type counterparts for mates. We propose that Esp_Z could be used as one component of an integrated strategy aimed at reducing the ability of tsetse to transmit pathogenic trypanosomes.

Tsetse flies (Glossina spp.) are vectors of parasitic trypanosomes, which cause human (HAT) and animal African trypanosomiasis (AAT) in sub-Saharan Africa. In Uganda, Glossina fuscipes fuscipes (Gff) is the main vector of HAT, where it transmits Gambiense disease in the northwest and Rhodesiense disease in central, southeast and western regions. Endosymbionts can influence transmission efficiency of parasites through their insect vectors via conferring a protective effect against the parasite. It is known that the bacterium Spiroplasma is capable of protecting its Drosophila host from infection with a parasitic nematode. This endosymbiont can also impact its host's population structure via altering host reproductive traits. Here, we used field collections across 26 different Gff sampling sites in northern and western Uganda to investigate the association of Spiroplasma with geographic origin, seasonal conditions, Gff genetic background and sex, and trypanosome infection status. We also investigated the influence of Spiroplasma on Gff vector competence to trypanosome infections under laboratory conditions. Generalized linear models (GLM) showed that Spiroplasma probability was correlated with the geographic origin of Gff host and with the season of collection, with higher prevalence found in flies within the Albert Nile (0.42 vs 0.16) and Achwa River (0.36 vs 0.08) watersheds and with higher prevalence detected in flies collected in the intermediate than wet season. In contrast, there was no significant correlation of Spiroplasma prevalence with Gff host genetic background or sex once geographic origin was accounted for in generalized linear models. Additionally, we found a potential negative correlation of Spiroplasma with trypanosome infection, with only 2% of Spiroplasma infected flies harboring trypanosome co-infections. We also found that in a laboratory line of Gff, parasitic trypanosomes are less likely to colonize the midgut in individuals that harbor Spiroplasma infection. These results indicate that Spiroplasma infections in tsetse may be maintained by not only maternal but also via horizontal transmission routes, and Spiroplasma infections may also have important effects on trypanosome transmission efficiency of the host tsetse. Potential functional effects of Spiroplasma infection in Gff could have impacts on vector control approaches to reduce trypanosome infections.

Arthropod vectors have multiple physical and immunological barriers that impede the development and transmission of parasites to new vertebrate hosts. These barriers include the peritrophic matrix (PM), a chitinous barrier that separates the blood bolus from the midgut epithelia and inturn, modulates vector-microbiota interactions. In tsetse flies, a sleeve-like PM is continuously produced by the cardia organ located at the fore- and midgut junction. African trypanosomes, Trypanosoma brucei, must bypass the PM twice; first to colonize the midgut and secondly to reach the salivary glands (SG), to complete their transmission cycle in tsetse. However, not all flies with midgut infections develop mammalian transmissible SG infections - the reasons for which are unclear. Here, we used transcriptomics, microscopy and functional genomics analyses to understand the factors that regulate parasite migration from midgut to SG. In flies with midgut infections only, parasites fail to cross the PM as they are eliminated from the cardia by reactive oxygen intermediates (ROIs) - albeit at the expense of collateral cytotoxic damage to the cardia. In flies with midgut and SG infections, expression of genes encoding components of the PM is reduced in the cardia, and structural integrity of the PM barrier is compromised. Under these circumstances trypanosomes traverse through the newly secreted and compromised PM. The process of PM attrition that enables the parasites to re-enter into the midgut lumen is apparently mediated by components of the parasites residing in the cardia. Thus, a fine-tuned dialogue between tsetse and trypanosomes at the cardia determines the outcome of PM integrity and trypanosome transmission success.