How fit is your gut? : disentangling the associations between the gut microbiome, the environment and host performance in wild birds

Abstract

Suolistomikrobiomi on mikroskooppisten organismien muodostama eliöyhteisö, joka elää isäntäeliön suolistossa ja se vaikuttaa isäntäeliön fysiologiaan ja terveyteen. Suolistomikrobiomin merkitystä isäntäeliölle on tutkittu paljon laboratorio-oloissa ja ihmistutkimuksissa, kun taas luonnonympäristössä tapahtuvien tutkimusten määrä on vasta kasvussa. Linnut ovat erinomaisia tutkimusorganismeja, koska ne ovat levittäytyneet laajalti ympäri maapalloa, kykenevät lentämään ja lisääntyvät munimalla. Lintujen suolistomikrobiomit ovat hyvin erilaisia verrattuna esimerkiksi nisäkkäiden suolistomikrobiomeihin, ja esimerkiksi ympäristötekijät kuten elinympäristö ja ruokavalio vaikuttavat huomattavan paljon lintujen suolistomikrobiomiin. Suurin osa olemassa olevasta lintujen suolistomikrobiomitutkimuksesta on kuitenkin tehty vankeudessa kasvatetuilla lajeilla ja siipikarjalla, eikä näitä tutkimustuloksia voi yleistää luonnonympäristöissä eläviin lintulajeihin. Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan lintujen suolistomikrobiomin monimuotoisuuden mahdollisia syitä ja seurauksia luonnonympäristöissä. Väitöskirjan osatöissä tutkitaan sitä, 1) onko ympäristötekijöillä yhteys suolistomikrobiomin monimuotoisuuteen, 2) miten varhainen kasvuympäristö vaikuttaa pesäpoikasten suolistomikrobiomiin ja selviytymiseen ja 3) onko suolistomikrobiomin ja lisääntymismenestyksen välillä yhteyttä. Väitöskirjan osatöissä hyödynnetään kokeellisia tutkimusmenetelmiä sekä pitkäaikaisseuranta-aineistoa. Tulokset osoittavat, että ympäristötekijöiden vaihtelu korreloi suolistomikrobiomin diversiteetin ja koostumuksen kanssa. Lisäksi suolistomikrobiomin vaihtelu korreloi lisääntymismenestyksen kanssa, joka on yksilön kelpoisuuden päämittari. Kaiken kaikkiaan tulokset viittaavat siihen, että ympäristön vaihtelu vaikuttaa suolistomikrobiomin monimuotoisuuteen, joka taas kytkeytyy yksilön menestymiseen ja lisääntymiseen.

The gut microbiome is a complex community of microorganisms that inhabit the host’s gastrointestinal tract, and it influences host physiology and health. The gut microbiome has been studied widely with captive species and humans, whereas research with wild host taxa is slowly increasing. The gut microbiome is influenced by both intrinsic and extrinsic factors and thus, it is vital to understand how gut microbiomes evolve and function in wild environments. Birds provide a great study system due to their wide dispersal, unique life history traits and oviparous reproduction. However, majority of existing knowledge about bird gut microbiomes comes from domestic bird research, which cannot be generalized to wild birds. Here, experimental methods and long-term monitoring data are used to study the associations between the gut microbiome, the environment and individual performance in a natural setting. Nestling birds are used to investigate whether the early-life environment contributes to nestling gut microbiome variation and performance. Adult birds are used to study whether environmental and population-level factors associate with gut microbiome variation at a large biogeographical scale, and whether gut microbiome variation associates with individual reproductive success and survival. The results show that environmental variation contributes to differences in gut microbiome diversity and composition in adults. In nestlings, the nest of rearing explains part of the observed variation in gut microbiome diversity. Moreover, variation in the gut microbiome associates with reproductive success, which is the ultimate measure of fitness. This association between reproductive success and gut microbiome variation is particularly strong in male birds and thus, suggests that gut microbiome may have sex-specific effects on individuals. Overall, the results indicate that environmental variation contributes to variation in the gut microbiome and overall performance of wild birds.