Κατανόηση των μικροβιακών κοινοτήτων που ζουν σε δέρμα αμφιβίων

Για τους περισσότερους ανθρώπους, τα αμφίβια (π.χ. βάτραχοι και σαλαμάνδρες) δεν αποτελούν μέρος της καθημερινής ζωής. Τείνουν να είναι κρυπτικά τόσο στη μορφή όσο και στη συμπεριφορά και επομένως είναι κάπως δύσκολο να συναντηθούν. Όμως τα αμφίβια παίζουν σημαντικό ρόλο στην οικολογία πολλών οικοσυστημάτων. Οι ερπετολόγοι μελετούν την οικολογία και την εξέλιξη αυτών των ζώων για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις έχουν ανοίξει έναν νέο κλάδο της έρευνας των αμφιβίων, για τον οποίο λίγα είναι γνωστά – συγκεκριμένα, το μικροβίωμα.

Η μελέτη ολόκληρων μικροβιακών κοινοτήτων χρησιμοποιώντας αλληλουχία DNA ή μικροβιομική , είναι ένα ταχέως αναπτυσσόμενο επιστημονικό πεδίο. Στους ανθρώπους, η μικροβιακή κοινότητα που ζει μέσα μας έχει αποδειχθεί ότι επηρεάζει την υγεία, τις ασθένειες και τη συμπεριφορά, και μπορεί ακόμη και να αποκαλύψει ενδείξεις για το παρελθόν μας (τόσο πρόσφατο όσο και αρχαίο). Το μικροβίωμα πιθανότατα παίζει σημαντικό ρόλο στη ζωή των αμφιβίων και άλλων ζώων, αλλά μόλις αρχίζουμε να κατανοούμε τη λειτουργία του.

Για τα αμφίβια, το κύριο επίκεντρο της τρέχουσας μικροβιωμικής έρευνας είναι το δέρμα. Σε αντίθεση με τα θηλαστικά ή τα ερπετά, τα αμφίβια δεν έχουν τις προστατευτικές δομές των μαλλιών, της γούνας ή των φτερών και ως εκ τούτου βρίσκονται σε άμεση επαφή με το περιβάλλον τους. Τα αμφίβια ανταλλάσσουν νερό, άλατα και αέρια απευθείας μέσω του δέρματος. Επιπλέον, το δέρμα είναι η πρώτη γραμμή άμυνας έναντι πολλών παθογόνων, συμπεριλαμβανομένων των αναδυόμενων μολυσματικών ασθενειών όπως η καταστροφική μυκητιακή χυτριδιομυκητίαση. Γνωρίζουμε ότι οι μικροβιακές κοινότητες μικροβίων που ζουν στο δέρμα των αμφιβίων είναι ποικίλες, αλλά ακόμα δεν καταλαβαίνουμε πλήρως τι τις διαμορφώνει. Καθοδηγούνται από τη φυσιολογία του οικοδεσπότη; Ο βιότοπός τους; Η ιστορία τους;

Αντιμετωπίσαμε αυτά τα ερωτήματα χρησιμοποιώντας μια μελέτη περίπτωσης μιας Καλιφορνέζικης σαλαμάνδρας, της κιτρινομάτινης Ensatina (Ensatina eschscholtzii xanthoptica ). Αυτή η σαλαμάνδρα έχει μια χωριστή περιοχή που περιλαμβάνει την περιοχή του κόλπου του Σαν Φρανσίσκο καθώς και τις δυτικές πεδιάδες των βουνών της Σιέρα Νεβάδα. Ο πληθυσμός στη Σιέρα Νεβάδα χωρίστηκε από τους άλλους πληθυσμούς πριν από περίπου 15.000 χρόνια, ενώ εκείνοι στην περιοχή του κόλπου χωρίστηκαν πιο πρόσφατα. Ένα τέτοιο σενάριο παρέχει ένα καλό «φυσικό πείραμα» για να ελεγχθεί εάν το μικροβίωμα του δέρματος ακολουθεί το ίδιο μοτίβο με το βιογεωγραφικό ιστορικό του ξενιστή ή αντ' αυτού καθορίζεται από το περιβάλλον ή τη φυσιολογία του ξενιστή. Εάν τα μικροβιώματα του δέρματος του πληθυσμού της Σιέρα Νεβάδα είναι τα πιο ανόμοια με τους άλλους πληθυσμούς, ένα τέτοιο μοτίβο θα υποδηλώνει ότι η μικροβιακή κοινότητα αποκλίνει στο ίδιο μοτίβο με τον ξενιστή. Αν αντίθετα, οι κοινότητες του δέρματος είναι παρόμοιες σε μακρινούς πληθυσμούς, αυτό θα υποδηλώνει ότι το μικροβίωμα διατηρείται σχετικά στο χώρο και στο χρόνο.

Επομένως, κάναμε δείγμα ατόμων από κάθε έναν από τους τέσσερις πληθυσμούς, έναν στους πρόποδες της Σιέρα Νεβάδα και τρεις στην περιοχή του κόλπου. Όποτε βρίσκαμε μια σαλαμάνδρα, συλλέγαμε επίσης ένα δείγμα εδάφους, το οποίο χρησίμευε ως αναπαράσταση του διαθέσιμου μικροβιώματος που υπάρχει στον βιότοπο. Συμπεριλάβαμε επίσης άνδρες, γυναίκες και νεαρούς στη μελέτη μας για να ελέγξουμε εάν η φυσιολογία του ξενιστή (είτε φύλο είτε ανάπτυξη) επηρεάζει το μικροβίωμα.

Πώς η ιστορία του πληθυσμού της Σαλαμάνδρας επηρεάζει τις μικροβιακές κοινότητες

Αυτό που βρήκαμε ήταν μάλλον περίεργο. Περιμέναμε ότι το μικροβίωμα θα αποκλίνονταν με τον ίδιο τρόπο όπως οι πληθυσμοί ξενιστές, έτσι ώστε οι πληθυσμοί σαλαμάνδρας που σχετίζονται με τη μεγαλύτερη απόσταση να έχουν τα πιο ανόμοια μικροβιώματα. Ωστόσο, βρήκαμε ότι δύο από τους πιο ξεχωριστούς πληθυσμούς είχαν στην πραγματικότητα τις πιο παρόμοιες μικροβιακές κοινότητες δέρματος! Το ιστορικό του πληθυσμού των ίδιων των σαλαμάνδρων δεν φάνηκε να επηρεάζει τη μικροβιακή κοινότητα, υποδηλώνοντας ότι η σχέση μεταξύ των σαλαμάνδρων και των μικροβιωμάτων τους έχει σχετικά διατηρηθεί. Ωστόσο, λέγοντας αυτό, κάθε πληθυσμός είχε το δικό του σύνολο μοναδικών βακτηριακών ειδών. Αν και αυτά τα μοναδικά είδη δεν κυριαρχούσαν στα μικροβιώματα, δείχνουν ότι οι μικροβιακές κοινότητες αυτών των τεσσάρων πληθυσμών δεν είναι πανομοιότυπες και επομένως δεν καθοδηγούνται εξ ολοκλήρου από την ταυτότητα του είδους ξενιστή.

Ομοίως, ο βιότοπος δεν είχε μεγάλη επίδραση ούτε στα μικροβιώματα της σαλαμάνδρας. τα μικροβιώματα της σαλαμάνδρας ήταν διαφορετικά από τα αντίστοιχα δείγματα οικοτόπων τους. Είναι ενδιαφέρον ότι οι σαλαμάνδρες και τα μικροβιώματα του εδάφους μοιράζονται ορισμένα κοινά μικροβιακά είδη, αλλά οι κοινότητες κυριαρχούνταν από διαφορετικά. Συνολικά, τα μικροβιώματα σαλαμάνδρας από όλους τους πληθυσμούς ήταν περισσότερο παρόμοια μεταξύ τους παρά με το έδαφος, γεγονός που υποδηλώνει ότι, παρά τις διαφορές τους, εξακολουθούσαν να είναι σχετικά διατηρημένα σε σύγκριση με τα διαθέσιμα μικρόβια που υπάρχουν στον βιότοπο.

Εκτός από τις γεωγραφικές διαφορές, δοκιμάσαμε επίσης για τις επιδράσεις δύο χαρακτηριστικών της σαλαμάνδρας – φύλου και ηλικίας – στο μικροβίωμα. Όπως σε πολλά είδη ζώων, θηλυκά και αρσενικά της Ensatina συμπεριφέρονται διαφορετικά. Τα αρσενικά τείνουν να κυκλοφορούν περισσότερο αναζητώντας συντρόφους, ενώ τα θηλυκά τείνουν να μένουν στη θέση τους. Επιπλέον, Ensatina χρησιμοποιήστε φερονομονικές ενδείξεις για να επικοινωνήσετε. Πιστεύαμε ότι αυτές οι φυσιολογικές και συμπεριφορικές διαφορές μπορεί να οδηγήσουν σε διαφορές στη σύνθεση του μικροβιώματος μεταξύ των φύλων. Μας ενδιέφερε επίσης αν το μικροβίωμα μπορεί να αλλάξει με την ηλικία. Καθώς οι σαλαμάνδρες μεγαλώνουν, η φυσιολογία τους αλλάζει και το ανοσοποιητικό τους σύστημα ωριμάζει, κάτι που προβλέψαμε ότι μπορεί να έχει αντίκτυπο στη σύνθεση του μικροβιώματος.

Είναι ενδιαφέρον ότι δεν βρήκαμε διαφορά στο μικροβίωμα μεταξύ αρσενικών και θηλυκών. Προφανώς, οι συμπεριφορικές και φυσιολογικές διαφορές μεταξύ των φύλων δεν επηρεάζουν τη σύνθεση της μικροβιακής κοινότητας. Τα αποτελέσματά μας σχετικά με την ηλικία ήταν κάπως διφορούμενα – οι νεαρές σαλαμάνδρες είχαν ελαφρώς διαφορετικά μικροβιώματα από τους ενήλικες, αλλά οι διαφορές ήταν πολύ μικρές. Συνολικά, φαίνεται ότι η ηλικία και το φύλο δεν έχουν ισχυρό αντίκτυπο στο μικροβίωμα, κάτι που είναι κάπως εκπληκτικό και έρχεται σε αντίθεση με τα πρότυπα που συναντώνται σε άλλα είδη ζώων, συμπεριλαμβανομένων άλλων αμφιβίων.

Συνολικά, η μελέτη μας διαπίστωσε ότι η κίτρινη Ensatina Το μικροβίωμα του δέρματος επηρεάζεται τόσο από τον ξενιστή όσο και από το περιβάλλον. Ευτυχώς, το πεδίο της έρευνας του μικροβιώματος των αμφιβίων είναι ενεργό και οι νέες πληροφορίες από μια ποικιλία ειδών αμφιβίων αναμφίβολα θα βοηθήσουν στην αποσαφήνιση των προτύπων και των διαδικασιών που εμπλέκονται στη μικροβιακή οικολογία του δέρματος των αμφιβίων.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο πρόσφατα δημοσιευμένο άρθρο με τίτλο Intraspecific Variation in the Skin-Associated Microbiome of a Terrestrial Salamander, στο περιοδικό Microbial Ecology . Αυτή η εργασία έγινε από τη Sofia Prado-Irwin στο Κρατικό Πανεπιστήμιο του Σαν Φρανσίσκο.