Was prägt die Zusammensetzung der Mikroben im Darm eines Grasmückens?

Unterschiede in der Ansammlung von Bakterien und anderen Mikroorganismen, die im Verdauungstrakt von Vögeln leben – ihren Darmmikrobiomen – sind entgegen einer kürzlich vorgeschlagenen Hypothese nicht in erster Linie auf die Ernährungsvielfalt zurückzuführen. Stattdessen hat ein Forscherteam von Penn State herausgefunden, dass die Evolution möglicherweise eine größere Rolle bei der Erklärung dieser Unterschiede spielt, was möglicherweise Auswirkungen darauf haben könnte, wie sich diese Arten an neue Lebensräume anpassen.

Je nach Art kann das Mikrobiom eines Tieres die Verdauung, die Immunfunktion und die Reaktion auf Krankheiten, die Entwicklung, den Stoffwechsel und das Verhalten des Wirts beeinflussen. Bei Landsäugetieren gibt es ein klares Signal dafür, dass die Evolutionsgeschichte eine wichtige Rolle bei der Bestimmung ihrer Mikrobiome spielt, wobei Arten, die am stärksten miteinander verwandt sind, tendenziell die ähnlichsten Mikrobiome aufweisen, und diejenigen, die weiter entfernt miteinander verwandt sind, tendenziell mehr unterschiedliche Mikrobiome aufweisen .

„Im Gegensatz dazu sind die Unterschiede zwischen den Darmmikrobiomen der Arten bei Vögeln und Fledermäusen viel weniger ausgeprägt, und die Treiber dieser unterschiedlichen Muster sind unklar geblieben“, sagte Marcella Baiz, Postdoktorandin an der Penn State, die die Forschung leitete.

„Vor kurzem wurde vermutet, dass die weniger ausgeprägten Unterschiede zwischen den Darmmikrobiomen von Vögeln und Fledermäusen auf Veränderungen des Verdauungssystems als Anpassungen für den Motorflug zurückzuführen sein könnten. In dieser Studie haben wir diese Hypothese untersucht, indem wir die relativen Auswirkungen der Evolutionsgeschichte eines Vogels untersucht haben und ihre Umgebung, einschließlich Ernährung, auf die Darmmikrobiome von 15 Arten von Waldsängern.“

Vögel und Fledermäuse haben im Vergleich zu Landsäugetieren ein kürzeres und einfacheres Verdauungssystem, was bedeutet, dass die Nahrung schneller durchgeht, was letztendlich das Gewicht beim Fliegen reduziert. Eine kürzlich durchgeführte Studie hatte nahegelegt, dass aufgrund dieses höheren Umsatzes in der Nahrung möglicherweise auch ein höherer Umsatz in der mikrobiellen Gemeinschaft im Darm stattfindet und die Ernährung daher einen stärkeren Einfluss auf das Darmmikrobiom hätte. Jüngste Studien, die das Darmmikrobiom bei Vögeln untersuchten, betrachteten jedoch entweder in Gefangenschaft gehaltene Tiere, die sich künstlich ernähren, oder charakterisierten die Ernährung anhand breiter Kategorien von Ernährungstypen, was ein unvollständiges Bild liefert.

In der aktuellen Studie, veröffentlicht in einem Artikel, der am 21. November online in der Zeitschrift erscheint Molekulare Ökologiesammelte das Forschungsteam Kotproben von mehr als 400 Vögeln von 15 Arten Waldlaubsänger aus Zentral-Pennsylvania und aus der Adirondack-Region von New York.

„Eine der Stärken unserer Studie ist, dass wir Proben von vielen Individuen jeder Art an zwei verschiedenen Orten sammeln konnten“, sagte Baiz. „Während einige frühere Studien möglicherweise eine größere Anzahl von Arten umfassten, haben sie möglicherweise nur wenige Individuen von jeder Art beprobt, sodass unklar ist, ob die Probenahme für die Art als Ganzes repräsentativ ist.“

Die Forscher extrahierten und sequenzierten DNA aus den Kotproben, um die im Darm eines Vogels vorhandenen Bakterienarten sowie die Insektenarten zu identifizieren, die jeder Vogel gefressen hatte. Die häufigsten Bakterienarten, die sie identifiziert haben, kommen auch in anderen Vogelarten vor.

Als die Forscher die Bakterienvielfalt im Mikrobiom der Vögel untersuchten, war die Identität der Vogelart der größte Erklärungsfaktor. Die Vielfalt der Insekten in ihrer Ernährung war nicht stark mit der Vielfalt der Bakterien in ihrem Darm verbunden. Als die Forscher die Grasmücken nach ihrer Darmmikrobiom-Ähnlichkeit gruppierten, stimmten diese Beziehungen außerdem besser mit dem Lebensbaum der Grasmücken überein – einem Baum, der die Grasmücken nach evolutionärer Verwandtschaft zwischen den Arten gruppiert – als mit einem Baum, der die Grasmücken nach ihrer Ernährungsähnlichkeit gruppierte.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Ernährungsvielfalt möglicherweise nicht der wichtigste Faktor ist, der das Darmmikrobiom dieser Vögel prägt, so dass die Hypothese, dass ein schneller Darmumsatz und die Entwicklung eines verkürzten Verdauungstrakts Umwelteinflüsse bei der Steuerung der Zusammensetzung des Darmmikrobioms begünstigen, möglicherweise so ist zu einfach“, sagte Baiz.

„Wir planen, weiter zu untersuchen, wie die Wirtsevolution die Darmmikrobiome von Grasmücken prägen könnte, einer sehr vielfältigen Gruppe von mehr als 100 Singvogelarten, die sich in den letzten 7 Millionen Jahren schnell voneinander getrennt haben. Wenn es eine Evolutionssignatur gibt, könnten wir das tun Erwarten Sie, dass das Mikrobiom eine Rolle dabei spielt, wie sich Vögel an neue Lebensräume anpassen, wenn sie kolonisiert werden, oder – wenn sich zwei verschiedene Arten paaren und einen Hybridvogel produzieren, was bei Grasmücken üblich ist – könnte es die Kompatibilität des Mikrobioms und letztendlich beeinflussen Erfolg des Hybrid-Nachwuchses.“

Die Forscher erkennen an, dass ein Großteil der Unterschiede zwischen den Mikrobiomen der Vögel unerklärt bleibt und dass zukünftige Studien die Evolution und andere ökologische Faktoren weiter untersuchen sollten. Als nächstes plant das Team zu untersuchen, ob bestimmte Lebensmittel mit bestimmten Bakterien im Darm in Verbindung stehen.

„Wir würden gerne wissen, ob das Mikrobiom von Vögeln von Bakterien beeinflusst wird, die mit den Organismen in Verbindung stehen, die sie fressen, oder ob sie Bakterien aufnehmen, die mit der Umgebung in Verbindung stehen, in der sie nach Nahrung suchen“, sagte Baiz.

„Wir möchten auch den gesamten Migrationszyklus des Vogels betrachten, da die Migration mit einer ganzen Reihe physiologischer Veränderungen einhergeht, die die Darmchemie beeinflussen könnten. Was die Vögel essen, wenn sie nach Süden ziehen, wäre auch völlig anders als das, was sie essen.“ essen dort, wo wir im Osten Nordamerikas Proben genommen haben.“

Neben Baiz gehören zum Forschungsteam der Penn State Andrea Benavides Castaño, eine Studentin zum Zeitpunkt der Forschung; Andrew Wood, Forschungstechnologe; und David Toews, Assistenzprofessor für Biologie. Zum Team gehört auch Eliot Miller, Sammlungsentwicklungsmanager am Cornell Lab of Ornithology.