オオツノヒツジの腸内マイクロバイオームは、メタ集団全体の遺伝的・空間的構造と関連している

Bighorn sheep gut microbiomes associate with genetic and spatial structure across a metapopulation.

• Claire E Couch
• Holly K Arnold
• Rachel S Crowhurst
• Anna E Jolles
• Thomas J Sharpton
• Marci F Witczak
• Clinton W Epps
• Brianna R Beechler

抄録

実験動物を用いた研究では、環境、宿主形質、マイクロバイオーム組成の間に重要な関係があることが示されている。しかし、自然系における宿主とマイクロバイオームの関係については十分に研究されていない。ここでは、野生哺乳類の宿主である砂漠オオツノヒツジ（Ovis canadensis nelsoni）におけるメタ集団規模のマイクロバイオームの変化を調査した。我々は、過剰に発現している微生物群を特定し、景観の変化と宿主の形質が宿主のメタ集団全体の微生物群の構成にどのような影響を与えるかを理解しようとした。これらの疑問を解決するために、モハーベ砂漠の7つの疎結合集団に生息する39頭のオオツノヒツジから採取した糞便DNAサンプルの16Sシークエンシングを行い、マイクロサテライトに基づく宿主集団の構造とヘテロ接合性との関係を評価した。我々はまず、系統分類学的に情報化されたアルゴリズムを用いて、メタ集団全体で保存されている細菌群を同定した。Ruminococcaceae属、Lachnospiraceae属、およびChristensenellaceae R7グループのメンバーは、家畜のルーメン共生体としての役割が知られていることと一致しており、メタ集団全体で過剰発現している細菌群の中にあった。さらに、宿主間の組成の違いは、個体レベルでの地理的・遺伝的構造や集団レベルでの遺伝的ヘテロ接合性の違いと相関していた。本研究では、哺乳類のメタ集団における微生物群集の変動を明らかにし、遺伝的および地理的な集団構造と関連する可能性があることを明らかにした。本研究の結果は、マイクロバイオームの組成が、ランドスケープスケールの環境および宿主集団の特性に応じて発散している可能性を示唆している。

Studies in laboratory animals demonstrate important relationships between environment, host traits, and microbiome composition. However, host-microbiome relationships in natural systems are understudied. Here, we investigate metapopulation-scale microbiome variation in a wild mammalian host, the desert bighorn sheep (Ovis canadensis nelsoni). We sought to identify over-represented microbial clades and understand how landscape variables and host traits influence microbiome composition across the host metapopulation. To address these questions, we performed 16S sequencing on fecal DNA samples from thirty-nine bighorn sheep across seven loosely connected populations in the Mojave Desert and assessed relationships between microbiome composition, environmental variation, geographic distribution, and microsatellite-derived host population structure and heterozygosity. We first used a phylogenetically-informed algorithm to identify bacterial clades conserved across the metapopulation. Members of genus Ruminococcaceae, genus Lachnospiraceae, and family Christensenellaceae R7 group were among the clades over-represented across the metapopulation, consistent with their known roles as rumen symbionts in domestic livestock. Additionally, compositional variation among hosts correlated with individual-level geographic and genetic structure, and with population-level differences in genetic heterozygosity. This study identifies microbiome community variation across a mammalian metapopulation, potentially associated with genetic and geographic population structure. Our results imply that microbiome composition may diverge in accordance with landscape-scale environmental and host population characteristics.