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鸟类和蝙蝠不依赖肠道微生物群

来源:ASM作者:Rob Knight

鸟类和蝙蝠有奇怪的肠道微生物群——可能是因为它们能飞

微生物群有助于抵抗疾病和帮助消化,在许多生物的健康中发挥着关键作用,从犬科动物到灵长类动物再到啮齿动物。

事实证明,并不是所有的物种都如此依赖肠道微生物。

事实上,鸟类和蝙蝠有着奇怪的相似微生物群,似乎两者都不太依赖它们。为什么?

芝加哥野外博物馆的博士后研究员Holly Lutz说:“如果你的肠道中携带了大量细菌,那么它可能会相当重,并可能夺走你的资源。”

因此,如果你是一种对能量要求很高的动物,比如说因为你在飞行,你可能负担不起携带所有这些细菌,也可能负担不起喂养或处理它们。”

“当我们第一次开始这个项目的时候,我认为当动物共享相似的食物时,它们的肠道微生物之间应该有相似的联系。飞行可能会给微生物动物带来类似的选择。令人震惊的是,我们没有发现鸟类和蝙蝠本身具有相似的微生物群,而是两者都缺乏与微生物的特定关系,”来自加州大学圣地亚哥分校的研究合著者Se Jin Song说。

为了弄清肠道微生物群与这些截然不同的物种之间的关系,Lutz和她的同事们进行了深入的研究,他们分析了大约900种有脊梁的动物的粪便样本,评估了饮食、系统发育和生理学对构建肠道微生物群的贡献。这是首次在全球范围内分析哺乳动物和鸟类微生物多样性的同类研究。

这是一项庞大的合作项目,汇集了来自世界各地的研究人员、博物馆藏品和动物园负责人。

Lutz带着手电筒冒险进入遥远的乌干达和肯尼亚洞穴的黑暗地带,爬上岩石墙,从非洲蝙蝠身上采集样本。

一旦收集到所有的样本,科学家们就用高通量的基因测序来处理它们。用专门的洗涤剂和过滤方法从单个细胞中提取出DNA之后,科学家可以针对所有细菌共有的特定基因,用条形码技术标记每个样本中的细菌群落。

通过汇集来自个体宿主的样本库,对样本进行序列集合,并进行广泛的比较,从而形成了研究的基础。

科学家们希望看到肠道微生物按照它们所属的动物家谱排列。一般来说,彼此关系密切的动物有相似的肠道微生物群,因为它们是一起进化的,即系统共生。

他们惊讶地发现蝙蝠的肠道微生物群与其他哺乳动物几乎没有共同之处。蝙蝠的肠道微生物群实际上比其他任何一组都更类似于鸟类。

在鸟类和蝙蝠中,物种之间的亲缘关系和它们的微生物群之间的相似性几乎没有关系。

鸟类和蝙蝠之间的联系不在于它们的祖先,而在于它们的生活方式。

鸟类和蝙蝠有着天壤之别,只有一些远房的亲缘关系,但它们都是独立进化而来的飞行能力。

Lutz有一种预感,鸟类和蝙蝠需要轻盈,因为飞行改变了它们的胆量。它们的肠道比同等大小的陆地哺乳动物要短得多,携带的细菌也要少得多,这就使得飞行动物携带的东西更少。

还有一种可能性是,它们的肠子并没有为细菌提供必要的食物来维持共生(互利)交换,使生活在那里的细菌受益。

除了肠子短、细菌少之外,鸟类和蝙蝠身上的细菌也有很大的不同。除蝙蝠外,所有哺乳类动物中都有在密切相关的类群中发现的特定细菌。

然而,在鸟类和蝙蝠身上,你可以看到几乎是随意散布的各种细菌。他们并不真的需要微生物来帮助他们。

科学家们希望通过更多地了解其他动物的微生物群的细微差别,告诉我们更多关于我们自己的信息。不太依赖肠道微生物群的物种可以提供一个特别的见解。

如果我们把自己置身于某种极端的环境中,破坏我们的微生物群,我们可以从那些不太需要微生物群的动物身上学到一些东西。

在野外博物馆的收藏资源中心,藏在装满液氮的低温室内的鸟类和蝙蝠肠子的样本被取出,以帮助提供这种规模的研究所需的广泛样本。

Lutz指出,如果没有来自世界各地的博物馆收藏全力合作,这一发现是不可能的。

在这项对900多种动物的微生物群的综合调查中,研究人员发现鸟类和飞行动物的微生物群有着惊人的趋同。

在非哺乳类动物中,饮食和短期的进化关系驱动着微生物群,许多微生物物种都是特定于某一种哺乳动物的,但是飞行的哺乳动物和鸟类打破了这种模式,许多微生物在不同物种之间共享,与宿主的饮食或关系几乎没有关系。

这一发现表明,对飞行的适应打破了宿主与其微生物之间长期保持的关系。

越来越多的人认识到,在非脊椎动物中,宿主与其共生群落关系的基本方面在分类群之间会发生巨大的变化:许多昆虫完全依赖微生物来获取关键的代谢产物,而其他昆虫似乎缺乏常驻的肠道微生物。

研究人员使用地球微生物项目标准方法组装了一个大样本集,以识别脊椎动物之间的系统共生模式和宿主特异性。

科学家首次分析了完整的数据集,包括315种哺乳动物、491种鸟类和代表其他脊椎动物类别的86种物种的样本(图1)。

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图1


完整微生物组数据集的主坐标分析(PCoA)揭示了一个显著的模式:蝙蝠与鸟类的关系比与其他哺乳动物或任何其他脊椎动物类的关系更密切(图2)。

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图2

此外,这两个类杆菌的类杆菌比例相对较低,但蛋白质细菌的比例较高,这是一个与鸟类和飞行高度相关的细菌门,在大多数非蝙蝠哺乳动物宿主中减少。然而,尽管在鸟类和蝙蝠的肠道微生物群中存在这些成分上的相似性,我们发现这些分支之间最大的相似性是缺乏与特定微生物群的紧密联系(图1)。

在鸟类中,我们发现肠道微生物群通常只与宿主系统发育弱相关,而与宿主饮食无关。

研究结果表明,动力飞行的进化影响了鸟类和蝙蝠体内宿主和微生物之间的相互作用:动力飞行的鸟类和哺乳动物都表现出明显低于大多数非飞行哺乳动物的特异性,也略低于非飞行鸟类。

有几个潜在的接近解释的收敛性损失的微生物特异性在鸟类和蝙蝠,可以分解成生态,进化和技术因素。

宿主微生物与动力飞行的进化有显著的趋同性丧失,打破了在非发光哺乳动物中观察到的一种保守而一致的系统共生模式。

我们认为,微生物组群特异性的丧失不仅意味着中性暴露于微生物多样性中的被动变化,而且还意味着负责维持宿主特异性肠道微生物组群的生理机制的根本性和会聚性变化。

虽然这些机制尚未被很好地理解,但蝙蝠和鸟类之间的趋同假说通过比较的方法为它们的发现和验证提供了新的机会。

飞行不一定是这种依赖减少的唯一媒介;事实上,这里显示的其他哺乳动物类群具有相对较低的特异性微生物群为这种比较提供了额外的机会。

我们的发现也提出了一个不常被提及的问题:维持一个特定微生物群的进化和代谢成本是多少?


样本收集。

通过一个由研究人员和动物园负责人组成的大型协作网络,从博物馆收藏、动物园、保护区和自然栖息地的种群中收集样本。

从动物园和动物保护区的动物粪便中取样,包括在排泄后几分钟到几小时内,用无菌拭子收集多至2?g的新鲜粪便,立即冷冻,并在-20°C下保存,直到提取DNA。

博物馆收藏的标本,用无菌器具或拭子从冷冻标本中提取的粪便或肠道内容物。


测序

从洗脱的DNA中,用515f/806r-EMP引物扩增16srRNA基因的V4区,并在Illumina-MiSeq和HiSeq仪器上进行测序。



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参考文献



Comparative Analyses of Vertebrate Gut Microbiomes Reveal Convergence between Birds and Bats

Se Jin Song, Jon G. Sanders, Frédéric Delsuc, Jessica Metcalf, Katherine Amato, Michael W. Taylor, Florent Mazel, Holly L. Lutz, Kevin Winker, Gary R. Graves, Gregory Humphrey, Jack A. Gilbert, Shannon J. Hackett, Kevin P. White, Heather R. Skeen, Sarah M. Kurtis, Jack Withrow, Thomas Braile, Matthew Miller, Kevin G. McCracken, James M. Maley, Vanessa O. Ezenwa, Allison Williams, Jessica M. Blanton, Valerie J. McKenzie, Rob Knight


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