Biting midges (Diptera: Ceratopogonidae) of the genus Culicoides LATREILLE – evaluation of their role as Schmallenberg virus vectors and investigation of their ecological aspects in Germany

Midges are small mosquitoes that can transmit pathogens to susceptible hosts through their blood-sucking act. They are known as biological vectors that can transmit the bluetongue virus (BTV) and the Schmallenberg virus (SBV) to ruminants, among others. Various vector control measures can be used to curtail the spread of the virus during an epidemic. However, for effective vector measures, it is essential to have profound knowledge of the role of biting midges as vectors, as well as their biology and phenology. For several years, midges were not in the focus of research and there are still considerable gaps in knowledge. Therefore, the present work examines various aspects of biting midges of the genus Culicoides, whose function as vectors of the Schmallenberg virus was already proven at the beginning of the project. The aim of the first part of this work was to determine the percentage of infected midges in various German areas in order to determine the influence of Culicoides midges within the virus epidemic. For this purpose, samples, collected during 2011 and 2012 as part of monitoring projects, were analysed. Additionally, in early 2013, various farms in southern and eastern regions of Germany, where SBV was considered to be largely absent, were equipped with UV traps. The small number of virus-positive samples did not allow a more precise assessment of the viral spread in culicoid midges. Instead, it revealed the importance to conduct targeted samplings of its vectors during an acute outbreak. Additionally, the presented results and statements made by several animal owners, gave reason to believe, that SBV must have affected the southern and eastern parts of Germany earlier than actually assumed. This would consequently have led to an increased immunity in host animals, which provides a reasonable explanation for the low positive values and is in agrement with the statements made by various farmers. The second part of this work identifies the conditions and surrounding factors under which acute SBV diseases emerged in ruminants in the cold winter months of 2012/2013. After the diagnosis of several acute SBV infections of sheep in a sheep pen in Mecklenburg-Western Pomerania, culicoid midge activity could be proven. This demonstrates that, suitable conditions for its vectors given, an infection of SBV can also take place during wintertime. A more detailed analysis of the surrounding conditions revealed, that the outdoor temperatures during infection were consistently at values of at least 5-9 ° C for several consecutive days, which enabled the flight and blood-sucking activity of the midges within the shelter. Midge activity during wintertime represents a crucial component in understanding how the virus can outlast the cold season. A constant midge presence could lead to a low but permanent infection rate throughout the cold months, enabling a recurrence of the pathogen the following year. Instead, a longer vector-free timeperiod would point to other mechanisms that allow the virus to re-occur in Germany on a yearly basis. Thus, the acute cases of SBV infections in sheep rose the question of critical threshold temperatures, representing the beginning of midge activity. The investigation of several stables sheltering cattle, horse or sheep addressed potential differences between indoor and outdoor activity and whether the type of host animal has an influence on the beginning of the flight. In the third part of this work, a long vector-free period and several differences in the onset of midge activity between different types of host animals could be detected. It could also be illustrated that the progression of the flight began differently depending on the present type of host animal/type of stable. For all cattle stables and the sheep barn the first midge activity was measured indoors, whereas for horses, culicoid midges were found to become active either at the same time or almost simultaneously inside and outside the animal shelters. This suggests that the horse stables do not represent good breeding sites for midges, which might be attributed to husbandry practices. In addition, it was possible to determine specific threshold temperatures for the different types of host animals and for various midge species. Altogether, the late beginning of flight, measured at the beginning of March, was surprising. This raises more questions of alternative mechanisms enabling the virus to outlast the winter months. The documentation of species-specific threshold temperatures can be a useful tool f.i. within automated large stables to keep indoor temperatures under the threshold value in order to postpone the onset of culicoid activity of various vector species. This may help to prevent virus transmissions during winter or to evoke a delay in spring, making it more difficult for the virus to overwinter. To be able to start instant defense measures during an ongoing virus epidemic, which is transmitted by Culicoides midges, reducing the ground-living midge larvae offers a promising option during the warm season. For targeted vector control measures, it is important to know the breeding sites of culicoid midge species. Therefore, four agriculturally used biotopes were sampled and compared to four biotopes of a forest-dominated area. The results clearly show that meadows per se are not suitable breeding habitats for Culicoides spp. Only the influence of livestock animals induces their potential as developmental sites. The various biotopes of the forest-dominated region were less subject to anthropogenic influences. Although fewer individual midges were found here, it displayed a higher biodiversity than the agricultural habitats. These results demonstrate once more the potential of forests in regards to the preservation of biodiversity. In Particular, the alder on fen site revealed most midge species and also the highest number of collected specimens among the studied biotopes. That illustrates the high impact of this specific humid type of habitat in respect to species diversity and the need of its perpetuation. As part of this work, new breeding sites for a variety of culicoid species were identified and assigned to the usually rather short profiles of known Culicoides species. For one part, previous observations of chosen substrates could be consolidated. Furthermore, new breeding substrates were identified. Additionally, information of abiotic factors such as ph-value, soil moisture or organic compound of all sampled breeding substrates obtained from a soil analysis, extended the knowledge about the species-specific choice of breeding habitats and their characteristical traits. The additional knowledge about potential breeding substrates and their soil factors might be useful for future epidemiological modelling approaches. It can also raise the effectiveness and accuracy of targeted vector control measurements during an epidemic outbreak. Therefore, it may indirectly contribute to the preservation of endangered rare species. However, there is still an enormous need for more research before this goal can be fully achieved.

Gnitzen sind kleine Mücken, die durch ihren Blutsaugeakt Krankheitserreger auf empfängliche Wirte übertragen können. Sie sind als biologische Vektoren bekannt, die u.a. das Blauzungen Virus (BTV) und das Schmallenberg Virus (SBV) auf Wiederkäuer übertragen können. Um während einer Epidemie die Virusverbreitung einzudämmen, können verschiedene Maßnahmen im Rahmen der Vektorkontrolle eingesetzt werden. Für eine effektive Bekämpfung der Überträger ist es jedoch unbedingt erforderlich, eingehende Kenntnisse über die Rolle der Gnitzen als Vektoren sowie ihre Biologie und Phänologie zu besitzen. Gnitzen standen jedoch lange Zeit nicht im Fokus der Forschung und nach wie vor gibt es erhebliche Wissenslücken. Die vorliegende Arbeit untersucht daher verschiedene Aspekte von Gnitzen der Gattung Culicoides, deren Funktion als Überträger des Schmallenberg Virus bereits zu Beginn des Projektes als bewiesen galt. Der erste Teil dieser Arbeit hatte zum Ziel, den prozentualen Anteil an infizierten Gnitzen in einigen Gebieten Deutschlands zu ermitteln, um die Bedeutung der Mücken am Virusgeschehen zu erfassen. Dazu wurden Proben analysiert, die 2011 und 2012 im Rahmen von Monitoringprojekten gesammelt worden waren. Zudem wurden im Frühjahr 2013 diverse Betriebe in südlichen und östlichen Regionen Deutschlands, die bis dahin noch als relative freie SBV-Zone galten, mit UV-Fallen ausgestattet. Die geringe Anzahl an viruspositiven Proben ließen eine genaue Einschätzung der Viruslast in Gnitzen zwar nicht zu, zeigte aber stattdessen, wie wichtig eine gezielte, frühzeitige Probenahme der Vektoren während eines akuten Ausbruchs ist. Zudem lieferten die Ergebnisse und Erfahrungen insbesondere durch Aussagen der Tierwirte wichtige Hinweise darauf, dass auch die südlichen und östlichen Teile Deutschlands schon früher als vermutet mit dem Schmallenberg Virus durchseucht worden sein müssen. Dies hätte folglich eine erhöhte Immunität der Wirtstiere hinterlassen, was eine schlüssige Erklärung für die geringen Positivwerte liefert und mit den Aussagen diverser Landwirte übereinstimmt. Im zweiten Teilprojekt konnte gezeigt werden, unter welchen Bedingungen es in den kalten Wintermonaten des Jahres 2012/2013 zu SBV-Erkrankungen von Widerkäuern kam. Nach dem Auftreten einiger akuter SBV-Infektionen mehrerer Schafe in einem Schafstall in Mecklenburg-Vorpommern, konnte die Präsenz und Flugaktivität von Gnitzen nachgewiesen werden. Dies zeigt, dass, sofern für die Vektoren passende Bedingungen herrschen, Übertragungen von SBV auch im Winter durchaus möglich sind. Die in eingehenderen Analysen ermittelten Temperaturen lagen für den Zeitraum der Übertragung für einige Tage durchgehend bei Werten von mindestens 5-9 °C, was die Flug- und Blutsaugaktivität der Gnitzen ermöglichte. Die Gnitzenaktivität im Winter ist ein wichtiger Baustein im Verständnis darüber, wie das Virus die kalten Monate überdauern kann. Eine durchgängige Präsenz der blutsaugenden Insekten könnte das Infektionsgeschehen auf niedrigem Niveau über den Winter hinweg aufrecht erhalten und für ein erneutes Aufflammen in der kommenden Saison führen. Eine längere vektorfreie Zeit würde jedoch auf andere Mechanismen hindeuten, die es dem Virus ermöglichen, jährlich erneut in Deutschland aufzutreten. Somit ergab sich aus dem akuten Infektionsgeschehen an Schafen die Frage nach den kritischen Grenzwert-Temperaturen, ab denen mit einer Gnitzenaktivität zu rechnen ist. Es wurde untersucht, ob sich die Aktivität vorerst nur auf die wärmeren Innenbereiche der Tierstallungen beschränkt und ob die Art des Wirtstieres einen Einfluss auf den Flugbeginn nimmt. Im dritten Teil konnten eine längere vektorfreie Zeit und diverse Unterschiede bezüglich der beginnenden Gnitzenaktivität zwischen verschiedenen Wirtstieren festgestellt werden. Auch konnte gezeigt werden, dass der Flugverlauf je nach Wirtstier/Stalltyp verschieden begann: sowohl bei Rinderställen wie auch beim Schafstall erfolgte die erste Gnitzenaktivität innerhalb der Stallungen, bei Pferden entweder zeitgleich oder zumindest zeitnah innerhalb wie auch außerhalb der Behausung. Dies deutet darauf hin, dass Pferdeställe keine guten Brutstätten für Gnitzen darstellen, was auf die Art der Säuberung zurückgeführt werden könnte. Zudem konnten sowohl für die unterschiedlichen Wirtstierställe als auch für die verschiedenen Gnitzenarten spezifische Grenzwerte ermittelt werden, ab denen mit einer Aktivität gerechnet werden muss. Insgesamt überraschte der recht späte Flugbeginn Anfang März, was die Frage nach alternativen Überwinterungsmechanismen weiter öffnet. Die Erfassung artspezifischer Aktivitätsgrenzwerte kann u.a. dafür genutzt werden, um die Innenbereiche von automatisierten Großställen unter dem kritischen Temperaturwert zu halten und so eine Verzögerung des Aktivitätsbeginns entsprechender Vektorarten herbeizuführen. Dies könnte dazu beitragen Virusübertragungen im Winter zu verhindern oder im Frühjahr zumindest für einige weitere Wochen hinauszuzögern, um dem Virus die Überwinterung zu erschweren. Um im Zuge einer Virusepidemie zügig reagieren zu können, bietet die Bekämpfung der bodenlebenden Gnitzenlarven während der Vegetationsperiode eine gute Möglichkeit. Für gezielte Bekämpfungsmaßnahmen ist es jedoch wichtig die potentiellen Bruthabitate von Gnitzen zu kennen. Daher wurden vier Biotope im Agrarbereich beprobt und vier Biotopen einer forstdominierten Region gegenübergestellt. Die Ergebnisse zeigen sehr deutlich, dass Weideflächen a nicht als Bruthabitat für Culicoides-Arten geeignet sind. Lediglich der Einfluss durch die Wirtstiere bewirkt ihr Potential als Entwicklungsort. Die unterschiedlichen Biotope der forstdominierten Region unterlagen weniger anthropogenen Einflüssen. Hier wurden zwar insgesamt weniger Gnitzen gefunden, dafür jedoch eine höhere Artenvielfalt als in den beweideten Flächen. Dieses Ergebnis zeigt einmal mehr die große Bedeutung des Waldes zum Erhalt der Biodiversität auf. Unter den forstdominierten Biotopen wies der Erlenbruch die meisten Gnitzen sowie die höchste Artenvielfalt auf und stellt neben seinem Beitrag zur Artenvielfalt auch die Wichtigkeit seines Erhaltes dar. Im Rahmen dieser Arbeit konnten zudem neue Bruthabitate ausfindig gemacht und den meist sehr kurzen Profilen entsprechender Gnitzenarten zugeordnet werden. Zum Teil konnten die Funde frühere Ergebnisse festigen oder mittels der durchgeführten Bodenanalyse die Erkenntnisse über Ansprüche, die Gnitzen an „ihr“ Brustsubstrat stellen, erweitern. Die neuen Informationen können für zukünftige epidemiologische Ausbreitungsmodelle genutzt werden und dazu beitragen, dass Vektorarten im Zuge einer Bekämpfung zielgerichteter bekämpft werden können ohne dabei seltene Arten zu gefährden. Nach wie vor ist bis zum Erreichen dieses Ziels jedoch noch ein enormer Forschungsbedarf gegeben.

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