加拉帕戈斯岛嗜血达尔文地雀(Geospiza septentrionalis)肠道微生物的独特之处

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背景

1835年,著名生物学家达尔文乘坐英国皇家海军“贝格尔”号来到了加拉帕戈斯群岛,这是一个位于太平洋赤道附近的群岛,每一个岛屿上的生物都与众不同,达尔文收集了岛上的鸟类标本后惊奇地发现,它们的多样化简直让人不可思议,而这些不起眼的小鸟也为达尔文的“物种起源”和“生物进化”猜想奠定了重要基础。

达尔文雀(Darwin’sfinches),原产于加拉帕戈斯群岛的19种雀形目鸟类,由于生态地域隔离、特异喙结构以及摄食习性(种子、虫子及血液)差异,导致他们形成了“适应辐射”(adaptive radiation)。尽管人们对这些标志性鸟类进行过调查,但它们的肠道菌群结构及影响菌群结构的因素尚未被探索。本文作者从达尔文雀的种类差异、生态地理位置以及摄食习性3方面进行调查,研究成果于2018年发表在国际著名微生物TOP期刊Microbiome,该期刊的近五年影响因子为10.9分。

研究方法

采样:9个地缘隔离岛,12种达尔文雀,114个粪便样本,2个季度(旱季+雨季)。

微生物多样性:16S rRNA V4(515F/806R),IlluminaPE 250。

影响因素:季度、岛、食性和雀种类。

鸟类食性:羽毛蛋白质同位素标记(δ13C、δ15N和δ34S)。

图1. 加拉帕戈斯群岛达尔文雀肠道微生物样本采集地图

饼状图:不同岛屿上每种达尔文雀粪便样本的数量;系统发育树状图:目标达尔文雀的进化关系。

研究结果

 达尔文雀的核心肠道微生物为厚壁菌门(Firmicutes )、变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)

研究发现,3种核心肠道微生物:厚壁菌、变形菌和放线菌(门水平)分别占总丰度的50%、40%和8%,与其他热带地区鸟类的肠道微生物(门水平)结构一致。肠杆菌属(Enterobacter)和肠球菌属(Enterococcus)分布于所有样本,志贺氏杆菌(Shigella)仅出现于Darwin 岛的达尔文雀(图2)。

图2. 达尔文雀的肠道微生物群落结构

横坐标:红色表示旱季;蓝色表示雨季。每个样品平均2.5W条reads,组成297个OUT(97%相似度聚类),截取每个样品前1%的物种丰度。

表1. 达尔文雀的样本大小、食性分类以及α多样性

● 嗜血达尔文雀(Geospiza septentrionalis)具有独特的肠道微生物结构

嗜血达尔文雀:以鲣鸟(一种热带海鸟)血液和卵为食,而鲣鸟以鱼类为食,因此嗜血达尔文雀与海洋肉食动物δ15N结果相似,而其他岛上的达尔文雀以种子和昆虫为主。δ15N结果显示:嗜血达尔文雀与G. fortisG.fuliginosa食性差异显著(p<0.0001),但与海洋食肉动物(北极熊、海狮)更近(图. 3A)。NMDS结果显示:嗜血达尔文雀肠道微生物结构明显区别于G.fortis和G. fuliginosa(图. 3B)。

图3. A:同位素δ15N 和 δ13C研究wolf与San Cristóba岛上嗜血达尔文雀(Geospizaseptentrionalis)、小地雀(G. fortis)和中地雀(G.fuliginosa)食性,3者分别以红三角、绿方形和绿圆形表示,其他动物(人类、狐狸和海鸥等)以灰圆形表示(来源于公开数据);B:基于OUT的非度量多维尺度(NMDS)。不同食性(嗜血、食种子)的3种达尔文雀肠道微生物β多样性。

● 季节变化(旱、雨季)显著影响达尔文雀肠道微生物结构

图4. NMDS:达尔文雀种类(A)、摄食习性(B)、岛屿(C)以及旱、雨季度(D)对达尔文雀肠道微生物的影响。(基于97%相似度OUT聚类,椭圆置信度90%)

图5. 聚类热图:不同季度(旱、雨)和不同种类(12种)的达尔文雀肠道微生物结构。

横坐标:红色为旱季,蓝色为雨季。

 总 结

除嗜血达尔文雀(Geospiza septentrionalis),其他达尔文雀肠道微生物结构差异较小,前者具有FusobacteriumCetobacterium等6种食肉鸟类或爬行动物特有肠道微生物。通过δ15N同位素标记,发现嗜血达尔文雀与海洋食肉动物的食性相似。季节变化对达尔文雀肠道微生物的影响较大。

 

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