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背景

1835年，著名生物學(xué)家達(dá)爾文乘坐英國(guó)皇家海軍“貝格爾”號(hào)來(lái)到了加拉帕戈斯群島，這是一個(gè)位于太平洋赤道附近的群島，每一個(gè)島嶼上的生物都與眾不同，達(dá)爾文收集了島上的鳥類標(biāo)本后驚奇地發(fā)現(xiàn)，它們的多樣化簡(jiǎn)直讓人不可思議，而這些不起眼的小鳥也為達(dá)爾文的“物種起源”和“生物進(jìn)化”猜想奠定了重要基礎(chǔ)。

達(dá)爾文雀（Darwin’sfinches），原產(chǎn)于加拉帕戈斯群島的19種雀形目鳥類，由于生態(tài)地域隔離、特異喙結(jié)構(gòu)以及攝食習(xí)性（種子、蟲子及血液）差異，導(dǎo)致他們形成了“適應(yīng)輻射”（adaptive radiation）。盡管人們對(duì)這些標(biāo)志性鳥類進(jìn)行過(guò)調(diào)查，但它們的腸道菌群結(jié)構(gòu)及影響菌群結(jié)構(gòu)的因素尚未被探索。本文作者從達(dá)爾文雀的種類差異、生態(tài)地理位置以及攝食習(xí)性3方面進(jìn)行調(diào)查，研究成果于2018年發(fā)表在國(guó)際微生物TOP期刊Microbiome，該期刊的近五年影響因子為10.9分。

研究方法

采樣：9個(gè)地緣隔離島，12種達(dá)爾文雀，114個(gè)糞便樣本，2個(gè)季度（旱季+雨季）。

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

影響因素：季度、島、食性和雀種類。

鳥類食性：羽毛蛋白質(zhì)同位素標(biāo)記（δ13C、δ15N和δ34S）。

圖1.?加拉帕戈斯群島達(dá)爾文雀腸道微生物樣本采集地圖

餅狀圖：不同島嶼上每種達(dá)爾文雀糞便樣本的數(shù)量；系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)狀圖：目標(biāo)達(dá)爾文雀的進(jìn)化關(guān)系。

研究結(jié)果

●?達(dá)爾文雀的核心腸道微生物為厚壁菌門（Firmicutes )、變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）

研究發(fā)現(xiàn)，3種核心腸道微生物：厚壁菌、變形菌和放線菌（門水平）分別占總豐度的50%、40%和8%，與其他熱帶地區(qū)鳥類的腸道微生物（門水平）結(jié)構(gòu)一致。腸桿菌屬（Enterobacter）和腸球菌屬（Enterococcus）分布于所有樣本，志賀氏桿菌（Shigella）僅出現(xiàn)于Darwin?島的達(dá)爾文雀（圖2）。

圖2.?達(dá)爾文雀的腸道微生物群落結(jié)構(gòu)

橫坐標(biāo)：紅色表示旱季；藍(lán)色表示雨季。每個(gè)樣品平均2.5W條reads，組成297個(gè)OUT（97%相似度聚類），截取每個(gè)樣品前1%的物種豐度。

表1.?達(dá)爾文雀的樣本大小、食性分類以及α多樣性

●?嗜血達(dá)爾文雀（Geospiza septentrionalis）具有獨(dú)特的腸道微生物結(jié)構(gòu)

嗜血達(dá)爾文雀：以鰹鳥（一種熱帶海鳥）血液和卵為食，而鰹鳥以魚類為食，因此嗜血達(dá)爾文雀與海洋肉食動(dòng)物δ15N結(jié)果相似，而其他島上的達(dá)爾文雀以種子和昆蟲為主。δ15N結(jié)果顯示：嗜血達(dá)爾文雀與G. fortis和G.fuliginosa食性差異顯著（p＜0.0001），但與海洋食肉動(dòng)物（北極熊、海獅）更近（圖. 3A）。NMDS結(jié)果顯示：嗜血達(dá)爾文雀腸道微生物結(jié)構(gòu)明顯區(qū)別于G.fortis和G.?fuliginosa（圖. 3B）。

圖3. A：同位素δ15N?和?δ13C研究wolf與San Cristóba島上嗜血達(dá)爾文雀（Geospizaseptentrionalis）、小地雀（G. fortis）和中地雀（G.fuliginosa）食性，3者分別以紅三角、綠方形和綠圓形表示，其他動(dòng)物（人類、狐貍和海鷗等）以灰圓形表示（來(lái)源于公開(kāi)數(shù)據(jù)）；B：基于OUT的非度量多維尺度（NMDS）。不同食性（嗜血、食種子）的3種達(dá)爾文雀腸道微生物β多樣性。

●?季節(jié)變化（旱、雨季）顯著影響達(dá)爾文雀腸道微生物結(jié)構(gòu)

圖4. NMDS：達(dá)爾文雀種類（A）、攝食習(xí)性（B）、島嶼（C）以及旱、雨季度（D）對(duì)達(dá)爾文雀腸道微生物的影響。（基于97%相似度OUT聚類，橢圓置信度90%）

圖5.?聚類熱圖：不同季度（旱、雨）和不同種類（12種）的達(dá)爾文雀腸道微生物結(jié)構(gòu)。

橫坐標(biāo)：紅色為旱季，藍(lán)色為雨季。

?總 結(jié)

除嗜血達(dá)爾文雀（Geospiza septentrionalis），其他達(dá)爾文雀腸道微生物結(jié)構(gòu)差異較小，前者具有Fusobacterium和Cetobacterium等6種食肉鳥類或爬行動(dòng)物特有腸道微生物。通過(guò)δ15N同位素標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)嗜血達(dá)爾文雀與海洋食肉動(dòng)物的食性相似。季節(jié)變化對(duì)達(dá)爾文雀腸道微生物的影響較大。

 

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