У каждого млекопитающего есть скрытое сообщество других организмов - микробиом. Их кишечник кишит сложными микробными популяциями, которые имеют решающее значение для питания, борьбы с болезнями и разложения вредных токсинов. На протяжении всей своей жизни млекопитающие подвергаются воздействию бесчисленных микробов через пищу и окружающую среду, но лишь небольшая их часть постоянно проживает в организме хозяина. Хотя ученые согласны с тем, что диета, география и история эволюции формируют микробиом, относительное влияние каждого фактора остается загадкой. Ни одно тщательное исследование не изучало все три сразу в популяциях диких млекопитающих. До сих пор.
Группа биологов из Университета штата Юта проанализировала бактерии в микробиоме кишечника лесных крыс (вид Neotoma), группы близкородственных травоядных грызунов, обитающих на юго-западе США. Животные предоставили уникальную возможность проверить, как диета, география и история эволюции влияют на структуру микробиома. Многие виды лесных крыс морфологически похожи, но популяции живут в различных средах обитания и имеют разные диеты. Вудраты известны тем, что едят чрезвычайно токсичные растения и делают это при поддержке специализированных кишечных бактерий.
«Лесные крысы удивительны - у них невероятно разнообразный рацион. Люди одного и того же вида едят разную пищу в разных местах, так что получается естественный эксперимент», - сказала ведущий автор Сара Вайнштейн, научный сотрудник Университета США.«Трудно сказать, что движет их разными микробиомами - то, что они едят? Это где они живут? Или это они?»
Исследователи использовали методы штрих-кодирования ДНК, чтобы охарактеризовать рацион и кишечные бактерии семи видов лесных крыс из 25 популяций в 19 местах на юго-западе США. месяц, а затем провели повторную выборку их микробиома. Результаты показывают, что как у диких, так и у содержащихся в неволе особей эволюционная история была самым важным предиктором структуры микробиома - больше, чем диета и география.
«Существует большой интерес к количественной оценке относительного вклада факторов, которые управляют микробиомами животных в природе. Наше исследование - настоящая командная работа - устранило пробел в наших знаниях путем одновременного изучения трех ключевых факторов, которые, как считается, влияют на кишечные микробные сообщества диких животных», - сказала старший автор Дениз Диринг, выдающийся профессор биологии Университета США.«Учитывая разнообразную и токсичную диету лесных крыс, я думал, что диета окажет наибольшее влияние. Вместо этого мы узнали, что эволюционная история играет наибольшую роль в структурировании кишечных микробных сообществ лесных крыс. Подобные неожиданные результаты подчеркивают важность проведения научных исследований».
Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 15 ноября 2021 года.
Вудраты - это не только то, что они едят
В диких популяциях диета и география действительно влияли на состав и разнообразие микробиома.
Диета способствовала естественной структуре микробиома. Авторы собирали фекалии каждого грызуна во время отлова, чтобы получить представление об их рационе. Используя эти образцы, они обнаружили, что животные с более разнообразным питанием имели более разнообразные микробиомы, а животные, которые питались схожими растениями, также демонстрировали сходство в своих микробных сообществах.
География тоже сыграла свою роль. Авторы обнаружили, что люди в одном и том же месте имели более схожие микробиомы, и эти сообщества становились все более непохожими по мере того, как образцы животных отбирали в более удаленных местах.
Однако родство с хозяином по-прежнему было наиболее важным фактором, определяющим микробный состав этих диких млекопитающих. И эти эффекты только усиливались, когда животные находились в неволе.
Авторы держали животных в неволе, чтобы уменьшить воздействие на них различных микробов из их рациона и окружающей среды. Они предсказали, что, если влияние диеты и местного местоположения в первую очередь определяет состав микробиома, микробиомы лесных крыс сойдутся в неволе. В качестве альтернативы, если бы различия были в первую очередь связаны с генетикой хозяина, виды лесных крыс сохранили бы разные микробиомы.
«Хотя каждый человек испытал большой сдвиг, микробиом каждого человека все еще был ближе к своему дикому я, чем к любому другому виду лесных крыс», - сказал Вайнштейн.«Мы не видели, чтобы микробиомы сливались в один и тот же состав; виды сохранили отчетливые бактериальные сообщества. Устранив различия в питании и среде обитания, вы еще яснее увидите, в какой степени родство с хозяином влияет на структуру микробиома».
Исследовательская группа также обнаружила, что реакция микробиома на содержание в неволе была видоспецифичной, предполагая, что эволюционная история хозяина влияет не только на структуру микробиома, но и на его стабильность.
Другими соавторами исследования являются Тесс Э. Стэплтон, Дилан М. Клур, Роберт Гринхал и Колин Дейл из Школы биологических наук Университета Юты; Родольфо Мартинес-Мота из U и Centro de Investigaciones Tropicales в Университете Веракрусана; Тери Дж. Орр с факультета биологии Университета штата Нью-Мексико; и Кевин Д. Коль с факультета биологических наук Питтсбургского университета.
Финансирование предоставлено NSF Dimensions DEB 1342615, NSF IOS 1656497; Премия Рут Л. Киршштейн Национальной исследовательской службы NIH T32AI055434; Грант на обучение генетике NIH 5T32GM007464-38; и стипендия Smithsonian-Mpala.