Хосе К. Ногера

1 Grupo de Ecología Animal, Universidade de Vigo, Torre CACTI, 36310, Виго, Испания

микробиом

Мануел Айра

1 Grupo de Ecología Animal, Universidade de Vigo, Torre CACTI, 36310, Виго, Испания

Маркос Перес-Лосада

2 Институт по изчислителна биология, Институт Milken School of Public Health, Университет Джордж Вашингтон, Ашбърн, Вирджиния, САЩ

3 CIBIO-InBIO, Centro de Investigação em Biodiversidade e Recursos Genéticos, Universidade do Porto, Португалия

Хорхе Домингес

1 Grupo de Ecología Animal, Universidade de Vigo, Torre CACTI, 36310, Виго, Испания

Алберто Веландо

1 Grupo de Ecología Animal, Universidade de Vigo, Torre CACTI, 36310, Виго, Испания

Свързани данни

ДНК последователностите са достъпни в базата данни на GenBank SRA под номер за присъединяване SRP113238, а физиологичните данни са депозирани в цифровото хранилище на Figshare (http://dx.doi.org/doi:10.6084/m9.figshare.5501587).

Резюме

Наскоро беше изказана хипотезата, че излагането на стрес (напр. Чрез глюкокортикоидна секреция) може да наруши регулирането на микробиома на бактериалните черва, решаващ „орган“ в здравето на животните. Дали обаче излагането на стрес (напр. Чрез глюкокортикоидна секреция) влияе върху микробиома на бактериалните черва на естествените популации е неизвестно. Експериментално сме променили базалното ниво на глюкокортикоиди (кортикостеронови импланти) при див вид птици, жълтокраката чайка Larus michahellis, за да оценим неговите ефекти върху стомашно-чревната микробиота. Нашите резултати показват недостатъчно представяне на няколко микробни таксона при имплантирани кортикостерон птици. Важно е, че такова намаляване включва потенциално патогенни птичи бактерии (напр. Mycoplasma и Microvirga), както и някои коменсални таксони, които могат да бъдат полезни за птиците (напр. Firmicutes). Нашите открития ясно показват тясна връзка между микробиомните общности и нивата на глюкокортикоиди в естествените популации. Освен това те предполагат благоприятен ефект на стреса при намаляване на риска от инфекция, който трябва да бъде изследван в бъдещи проучвания.

1. Въведение

Повечето организми трябва да се справят със стресови събития многократно през целия си живот. При гръбначните животни излагането на стресови фактори задейства оста хипоталамус-хипофиза-надбъбречна жлеза (HPA), невроендокринен път, отговорен за производството и освобождаването на стресови хормони (т.е. глюкокортикоиди) (прегледано в [1]). Активирането на оста HPA има присъща адаптивна стойност, като организира реакция „битка или бягство“, която насърчава краткосрочното оцеляване [1,2]. Интересното е, че отдавна е признато, че чревният микробиом модулира реакциите на стрес и по-специално оста на HPA (често наричан „ос на червата и мозъка“ [3,4]). Изненадващо, въпреки че връзката между микробиома и оста HPA се приема за двупосочна [3] и някои предишни проучвания върху лабораторни животни го подкрепят (напр. [5,6]), дали реакциите на стрес засягат чревния микробиом в естествените популации са пренебрегнати.

Продължителното излагане на стресори може да повлияе на податливостта към инфекциозни агенти [7], както се вижда от някои проучвания при птици и бозайници [8,9]. Въпреки това, въпреки че продължителното излагане на стрес може да навреди, активирането на оста HPA може също така да повиши имунната защита чрез преразпределяне на левкоцити и макрофаги към по-уязвими тъкани и органи (напр. Кожа и стомашно-чревни пътища [7,10,11]). Следователно активирането на оста HPA може да бъде от полза в краткосрочен план, ако например повишените глюкокортикоиди намалят натоварването на опортюнистичните патогенни бактерии, често срещани в червата. Всъщност някои скорошни проучвания показват, че глюкокортикоидите могат да намалят дела на някои микробни таксони [12] и да подобрят устойчивостта на гостоприемника към някои гъбични, вирусни и бактериални патогени [13,14].

Тук изследвахме ефекта на хормоните на стреса върху чревния микробиом при свободно живеещи пилета жълтоноги чайки чрез манипулиране на базалните нива на кортикостерон. Кортикостеронът е основният хормон на стреса, присъстващ при птиците [15]. Експериментално повишихме нивата на кортикостерон в рамките на естествените вариации чрез кортикостеронови импланти и определихме ефектите върху стомашно-чревния бактериален микробиом. След това оценихме дали променената чревна микробиота, присъстваща при имплантирани кортикостерон пилета, включва потенциални патогени и полезни бактериални видове.

2. Материал и методи

2.1. Процедури в областта на изследване и на терен

Полевият експеримент е проведен между април и юни 2016 г. в колония от жълтокраки чайки на остров Салвора, северозападна Испания. Всички птици, използвани в този експеримент, са част от по-голямо проучване [16]. Избрахме 64 гнезда с три яйца (размерът на модалния кладец при този вид) с известна дата на снасяне. По време на снасянето бяха идентифицирани гнезда и маркирани яйца. След завършване на съединителя, ние насърчихме целия съединител между гнездата с подобни дати на снасяне (± 1 ден), нарушавайки потенциалната ковариация на микробиомите на родителите и потомците. След това гнездата бяха разпределени на случаен принцип към „контролна“ или „кортикостеронова“ група. При излюпването пилетата бяха маркирани за идентификация. Пилето, излюпено или от първото, или от второто снасяно яйце, бе разпределено на случаен принцип за експериментално лечение, така че използвахме само по едно пиле на гнездо (вж. [16] за повече подробности).

R пакетът phyloseq е използван за импортиране на данните за последователността [25]. За всяка извадка изчислихме таксономичното α разнообразие като наблюдавания брой OTUs на индивид (богатство на OTU), изчисленото таксономично богатство (богатство Chao1) и филогенетичното разнообразие на Faith (PD), които бяха анализирани чрез линейни модели (LM), включително лечение и сексът като фактори.

Използвахме пакета DESeq2 за извършване на диференциално изобилие на OTU между групите [26]. Накратко, диференциалният анализ на изобилие и богатство в DESeq2 използва обобщен линеен модел на броения след отрицателно биномно разпределение, мащабиран от нормализиращ фактор, който отчита разликите в дълбочината на секвениране между пробите. В моделите включихме експериментално лечение и секс като фактори. Диференциалното изобилие на OTU беше оценено с помощта на тестове на Wald и р-стойности, коригирани от степента на фалшиво откриване (p-adj 0,05) и, следователно, беше отстранено, за да се избегне свръхпараметризацията на модела. Тъй като нашето лечение с кортикостерон имаше значителен ефект върху изобилието на OTU (вж. Резултати), ние също проверихме дали OTU, които се различават значително между експериментални групи (идентифицирани от DESeq2; вж. Резултати), включват потенциално патогенни видове, описани по-рано в клоаката и фекалиите на диви птици [27,28].

Също така нормализирахме данните за общия брой (732 OTU) чрез стабилизираща дисперсия трансформация, както се препоръчва в McMurdie & Holmes [26]. Извършен е анализ на основните компоненти (PCA) върху нормализирани данни. Различията между пробите в резултатите от PC1 бяха анализирани чрез общ линеен модел (lm в R), включващ лечение и пол като фактори. Извършихме също така основен координатен анализ на базата на различия на Брей – Къртис (PCoA).