Stochastic Metapopulation Dynamics of Plague Virulence Evolution
Recent genomic analyses of ancient DNA show that bubonic plague
(Yersinia pestis) has repeatedly evolved a mutation that reduces its
virulence. Due to plague's transmission mode this trait cannot be explained by the dominant
virulence-transmission tradeoff theory, and seems difficult to explain
based on standard single-population stochastic epidemic dynamics.
We propose a metapopulation-level, eco-evolutionary explanation. As rat populations
become smaller and more fragmented over the course of a pandemic, a
virulence-reducing trait that reduces the chance of local disease
extinction at the end of an epidemic can become competitively superior,
at the metapopulation level, to the full-virulence wild type. We leverage
recent analytical results about local disease extinction
('burnout') probability to develop a patch-level stochastic model and
use simulations to show the plausibility of this mechanism for ecologically realistic parameter values.
(Yersinia pestis) has repeatedly evolved a mutation that reduces its
virulence. Due to plague's transmission mode this trait cannot be explained by the dominant
virulence-transmission tradeoff theory, and seems difficult to explain
based on standard single-population stochastic epidemic dynamics.
We propose a metapopulation-level, eco-evolutionary explanation. As rat populations
become smaller and more fragmented over the course of a pandemic, a
virulence-reducing trait that reduces the chance of local disease
extinction at the end of an epidemic can become competitively superior,
at the metapopulation level, to the full-virulence wild type. We leverage
recent analytical results about local disease extinction
('burnout') probability to develop a patch-level stochastic model and
use simulations to show the plausibility of this mechanism for ecologically realistic parameter values.
Dynamique stochastique de métapopulation dans l’évolution de la virulence de la peste
Des analyses génomiques récentes d'ADN ancien montrent que la peste bubonique (Yersinia pestis) a développé à plusieurs reprises une mutation réduisant sa virulence. Compte tenu du mode de transmission de la peste, ce trait ne peut être expliqué par la théorie dominante du compromis virulence-transmission, et semble difficile à expliquer par la dynamique stochastique épidémique standard d'une seule population. Nous proposons une explication écoévolutive à l'échelle de la métapopulation. À mesure que les populations de rats deviennent plus petites et plus fragmentées au cours d'une pandémie, un trait réduisant la virulence et diminuant la probabilité d'extinction locale de la maladie à la fin d'une épidémie peut devenir supérieur en matière de concurrence, à l'échelle de la métapopulation, par rapport au type agressif à virulence maximale. Nous exploitons des résultats analytiques récents concernant la probabilité d'extinction locale de la maladie (ou « burnout ») pour développer un modèle stochastique à l'échelle de la parcelle et utilisons des simulations pour démontrer la plausibilité de ce mécanisme pour des valeurs de paramètres écologiquement réalistes.
Date and Time
-
Language of Oral Presentation
English
Language of Visual Aids
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