Informácie

15.15B: Normálna gastrointestinálna mikrobiota - biológia

15.15B: Normálna gastrointestinálna mikrobiota - biológia


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Črevná flóra pozostáva z mikroorganizmov, ktoré žijú v tráviacom trakte zvierat a sú najväčším rezervoárom ľudskej flóry.

Učebné ciele

  • Zhrňte vzťah medzi nepatogénnou gastrointestinálnou mikroflórou a ľudskými hostiteľmi

Kľúčové body

  • Vzťah medzi črevnou flórou a ľuďmi nie je len komenzálny (neškodné spolužitie), ale skôr vzájomný vzťah.
  • Črevná flóra plní funkcie, ako je kvasenie nepoužitých energetických substrátov, školenie imunitného systému, predchádzanie rastu škodlivých baktérií, regulácia vývoja čreva, produkcia vitamínov pre hostiteľa a produkcia hormónov, ktoré hostiteľa nasmerujú na ukladanie tukov.
  • Za určitých podmienok sa predpokladá, že niektoré gutflory sú schopné spôsobiť ochorenie vyvolaním infekcie alebo zvýšením rizika rakoviny pre hostiteľa.

Kľúčové pojmy

  • komenzálny: Termín pre formu symbiózy, v ktorej jeden organizmus získava úžitok, zatiaľ čo druhý nie je ovplyvnený
  • mikroflóra: Mikroskopický život rastlín, najmä bakteriálne kolónie nachádzajúce sa v črevách normálnych, zdravých zvierat a ľudí.

Črevná flóra pozostáva z mikroorganizmov, ktoré žijú v tráviacom trakte zvierat a je najväčším rezervoárom ľudskej flóry. V tomto kontexte je črevo synonymom črevnej a flóry s mikrobiotou a mikroflórou; používa sa aj slovo mikrobióm.

Ľudské telo, pozostávajúce z približne 10 biliónov buniek, nesie v črevách asi desaťnásobok mikroorganizmov. Metabolické činnosti vykonávané týmito baktériami sa podobajú orgánovým aktivitám, čo vedie k tomu, že niektoré baktérie v črevách sa podobajú na „zabudnutý“ orgán. Odhaduje sa, že táto črevná flóra má zhruba 100 -krát viac génov v agregáte ako v ľudskom genóme.

Baktérie tvoria väčšinu flóry v hrubom čreve a až 60% suchej hmoty výkalov. V čreve žije asi 300 až 1 000 rôznych druhov, pričom väčšina sa odhaduje na 500. Je však pravdepodobné, že 99% baktérií pochádza z asi 30 alebo 40 druhov. Huby a prvoky sú tiež súčasťou črevnej flóry, o ich činnosti sa však vie len málo.

Výskum naznačuje, že vzťah medzi črevnou flórou a ľuďmi nie je len komenzálny (neškodné spolužitie), ale skôr vzájomný vzťah. Aj keď ľudia môžu prežiť bez črevnej flóry, mikroorganizmy vykonávajú množstvo užitočných funkcií, ako napríklad: kvasenie nepoužitých energetických substrátov, školenie imunitného systému, predchádzanie rastu škodlivých, patogénnych baktérií, regulácia vývoja čreva, produkcia vitamínov pre hostiteľa. (ako je biotín a vitamín K) a produkujúce hormóny, ktoré nasmerujú hostiteľa k ukladaniu tukov. Za určitých podmienok sa však predpokladá, že niektoré druhy sú schopné spôsobiť ochorenie vyvolaním infekcie alebo zvýšením rizika rakoviny pre hostiteľa.

Viac ako 99% baktérií v čreve sú anaeróby, ale v céku dosahujú aeróbne baktérie vysokú hustotu. Nie všetky druhy v čreve boli identifikované, pretože väčšinu z nich nemožno kultivovať a identifikácia je náročná. Populácie druhov sa medzi rôznymi jednotlivcami značne líšia, ale v priebehu času zostávajú v rámci jednotlivca pomerne konštantné, aj keď sa môžu vyskytnúť určité zmeny so zmenami v životnom štýle, strave a veku. Bolo iniciované úsilie lepšie opísať mikroflóru čreva a iných umiestnení tela (napríklad projekt Human Microbiom Project). V roku 2009 vedci z INRA (Francúzsko) zdôraznili existenciu malého počtu druhov zdieľaných všetkými jednotlivcami, ktorí tvoria fylogenetické jadro ľudskej črevnej mikroflóry. Väčšina baktérií patrí do rodov Bacteroides, Clostridium, Fusobacterium, Eubacterium, Ruminococcus, Peptococcus, Peptostreptococcus a Bifidobacterium. Ostatné rody, ako Escherichia a Lactobacillus, sú prítomné v menšej miere. Samotné druhy z rodu Bacteroides tvoria asi 30 % všetkých baktérií v čreve, čo naznačuje, že tento rod je obzvlášť dôležitý pre fungovanie hostiteľa. V súčasnosti známe rody húb črevnej flóry zahŕňajú Candida, Saccharomyces, Aspergillus a Penicillium. Enterotyp je klasifikácia živých organizmov na základe jeho bakteriologického ekosystému v črevnom mikrobióme. Boli objavené tri ľudské enterotypy.

Baktérie v čreve plnia pre ľudí množstvo užitočných funkcií, vrátane trávenia nevyužitých energetických substrátov, stimulácie bunkového rastu, potláčania rastu škodlivých mikroorganizmov, výcviku imunitného systému tak, aby reagoval iba na patogény, a obrany proti niektorým chorobám.


Baktérie

Čoraz viac sa dozvedáme o výhodách baktérií. S pomocou húb určite zohrávajú baktérie zásadnú úlohu pri rozklade a recyklácii mŕtvych organizmov. Zdravé vnútorné tkanivá (napr. krv, mozog, svaly atď.) sú bez mikroorganizmov, ale koža a sliznice v našom gastrointestinálnom trakte, v našom dýchacom trakte a v našom urogenitálnom trakte sú v kontakte s organizmami v prostredí a tieto povrchy sú kolonizované mnohými z týchto bakteriálnych druhov. Tieto baktérie, ktoré sa pravidelne nachádzajú na danom mieste, sa označujú ako "normálna flóra". Normálna ľudská flóra pozostáva z >200 druhov baktérií. Ich zloženie závisí od veku, pohlavia, stresu, výživy atď. Nižšie uvedená tabuľka zobrazuje čiastočný zoznam niektorých bežnejších baktérií, ktoré sa pravidelne vyskytujú u ľudí a na ľuďoch. Počet znamienok plus naznačuje ich relatívny počet. +/- označuje, že druh môže alebo nemusí byť prítomný.

Táto normálna flóra nám poskytuje mnoho výhod, medzi ktoré patria:

  • Zabraňujú kolonizácii patogénmi tým, že súťažia o prichytenie a zosilnenie živín.
  • Niektoré syntetizujú vitamíny, ktoré hostiteľ absorbuje ako živiny (napr. K & amp B12).
  • Niektoré produkujú látky, ktoré inhibujú patogénne druhy.
  • Stimulujú vývoj určitých tkanív, napr. hrubého čreva a lymfatických tkanív v gastrointestinálnom trakte.
  • Stimulujú produkciu skrížene reagujúcich protilátok. Pretože sa normálna flóra u zvierat správa ako antigény, indukujú nízke hladiny protilátok, ktoré krížovo reagujú s podobnými antigénmi na patogény, čím predchádzajú infekcii alebo invázii

Niektoré údaje naznačujú, že nevhodné používanie antibiotík a vyhýbanie sa mikróbom prostredníctvom dezinfekcie nás a nášho prostredia môže mať nepriaznivé účinky na zdravie. V skutočnosti existujú údaje, ktoré naznačujú, že nadmerná dezinfekcia u detí môže zvýšiť riziko autoimunitných chorôb, obezity a astmy. Tu je niekoľko zaujímavých odkazov, ktoré poskytujú určitý pohľad na túto myšlienku.

Táto stránka poskytuje vynikajúci pohľad na mnohé výhody baktérií. K dispozícii je 8 -minútový zvukový súbor, ktorý bol vysielaný na serveri NPR, a existuje mnoho ďalších zaujímavých odkazov.

Črevné baktérie môžu ovplyvniť náš mozog

Deti vedia: Malá špina je pre vás dobrá

Jonathan Eisen: Zoznámte sa so svojimi mikróbmi

Toto je prednáška TED, v ktorej mikrobiológ Jonathan Eisen diskutuje o výhodách mikróbov a predstavuje niekoľko myšlienok o tom, ako by sme mohli používať mikróby na zlepšenie zdravia ľudí. (14:23)

Ekológia choroby je článok Jima Robbinsa z New York Times. Robbins hovorí:

„Ak nedokážeme porozumieť prírodnému svetu a starať sa oň, môžeme to spôsobiť poruchu týchto systémov a vrátiť sa k nám a prenasledovať nás spôsobmi, o ktorých málo vieme. Kritickým príkladom je vyvíjajúci sa model infekčných chorôb, ktorý ukazuje, že väčšina epidémií — AIDS, eboly, západného Nílu, SARS, lymskej choroby a stoviek ďalších, ktoré sa vyskytli za posledných niekoľko desaťročí, sa len tak nestanú. Sú výsledkom vecí, ktoré ľudia robia prírode.

Choroba, ukazuje sa, je do značnej miery environmentálny problém. Šesťdesiat percent vznikajúcich infekčných chorôb, ktoré postihujú ľudí, je zoonotických a majú pôvod u zvierat. A viac ako dve tretiny z nich majú svoj pôvod vo voľnej prírode."

Toto je diel OpEd z New York Times z 20. júna 2012.

Infekcia výkalmi na vyliečenie Nadinfekcia C. difficile

(správa v New England Journal of Medicine, 16. januára 2013

Obsah �. Všetky práva vyhradené.
Dátum poslednej úpravy: 4. máj 2016.
Wayne W. LaMorte, MD, PhD, MPH,


Čo je to biom?

Zvieratá, rastliny a dokonca aj oceány a pôdy majú svoje vlastné individuálne biomy tvorené konkrétnymi obyvateľmi.

Naše telá nie sú len naše, sú domovom obrovskej zbierky mikroorganizmov. Požiadajte väčšinu ľudí, aby definovali mikrobióm, a hŕstka by mohla povedať, že sa to týka bakteriálneho ekosystému, ktorý žije na konkrétnom mieste. Môžu dokonca spomenúť črevá.

Pre vedcov a biome je ekosystém tvorený flórou a faunou. Používajú slovo mikro naznačiť, že tento ekosystém je ľudským okom neviditeľný. Skladá sa väčšinou z baktérií, ale aj vírusov, archea a húb, ktoré všetky zohrávajú úlohu pri udržiavaní stability životného prostredia.

Mikrobióm vysvetlil. Video od Mikrobiologickej spoločnosti

Ľudský mikrobióm zahŕňa bilióny mikróbov, ktoré možno rozdeliť na podsekcie v závislosti od ich polohy. Keď hovoríme o črevnom mikrobióme, máme na mysli mikroorganizmy (a ich gény), ktoré sídlia vo vašom hrubom čreve.

Ale mikrobióm nie je len vlastnosťou ľudí – zvieratá, rastliny, pôdy a oceány majú tiež svoje vlastné. A bez ohľadu na to, ako sa na to pozeráte, črevný mikrobióm hrá hlavnú úlohu v ľudskom zdraví.

Je domovom biliónov mikrobiálnych buniek a je základnou súčasťou našej biológie, ktorá podporuje mnoho fyziologických funkcií, pomáha udržiavať integritu našej črevnej výstelky a chráni nás pred chorobami.


Výsledky a diskusia

Dôkaz o dlhodobej a celkovej stabilite komunity

Pôvodne sme potvrdili všeobecnú hypotézu, že črevná a slinná mikroflóra je zvyčajne stabilná [6, 8, 9, 18]. Po prvé, rozdiely medzi jednotlivcami boli oveľa väčšie ako variácie v rámci jednotlivcov v priebehu 1 roka (obrázok 1A). Po druhé, dynamika v rámci jednotlivcov bola rozdelená do piatich období vysokej celkovej podobnosti (obrázok 2A-C, oblasti označené I-V). Po tretie, v týchto stabilných obdobiach stredné vzdialenosti medzi vzorkami rýchlo dosahujú asymptotu, táto dynamika je v súlade s komunitami, ktorých stav sa v priebehu času nemení (dodatočný súbor 3). Po štvrté, v každom stabilnom období je možné nájsť malú podskupinu veľmi početných jadrových taxónov (doplnkový súbor 4). Napríklad 195 OTU sa nachádza v 95 % vzoriek mikrobioty slín subjektu A počas 1 roka. Tieto taxóny predstavujú iba malú menšinu z celkového počtu OTU zistených v slinách subjektu A, čo je v súlade s predchádzajúcou štúdiou dynamiky ľudskej mikrobioty [8]. Napriek tomu tieto základné OTU dominujú komunite a tvoria 99,7% z celkového počtu spočítaných baktérií.

Testovanie stability časových radov črevnej a slinovej mikrobioty. (A-C) Pairwise Jensen Shannon Vzdialenosti medzi vzorkami z čreva subjektu A. (A), Črevo subjektu B. (B)a sliny subjektu A. (C). Tmavozelené oblasti označujú rozsahy dátumov s podobnou mikroflórou. Aby sme kvantifikovali, ako stabilné sú jednotlivé mikrobiálne taxóny v označených obdobiach, vykonali sme test Augmented Dickey Fuller (ADF), ktorý vyhodnotil nulovú hypotézu, že daný OTU je nestacionárny (to znamená, že OTU má tendenciu vracať sa do rovnováhy hodnota). Väčšina testovaných OTU bola podľa testu ADF stacionárna (88%, 85%, 84%, 79%a 94%pre rozsahy dátumov I-V, P & lt0,05). (D-F) Fylogenéza stacionárnych a nestacionárnych OTU. Vnútorné krúžky označujú fylu (Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Actinobacteria a Tenericutes sú zafarbené na purpurovo, modro, zeleno, žlto a červeno). Vonkajšie krúžky sú biele pre stacionárne OTU a červené pre nestacionárne. Nestacionárne taxóny zoskupené fylogeneticky pre časové obdobia II (D), III (E)a V. (F) (P & lt0.05, P-test), čo podporuje hypotézu, že úzko súvisiace taxóny budú pravdepodobne súťažiť. (G-I) Časové rady úzko súvisiacich, nestacionárnych OTU (identifikátory Greengenes prokMSA uvedené v rámčekoch). Na zlepšenie viditeľnosti bola pridaná umelá výdatnosť 1e-5. Zobrazené sú členovia rodu Lachnospira nad rozsah dátumov II (G), rod Akkermansia za obdobie III (H), a rod Leptotrichia nad rozsah dátumov V (Ja). Sumárne abundancie vybraných Lachnospira a Leptotrichia sú počas daných rozsahov dátumov nehybné (P < 0,05, test ADF).

Na kvantitatívnu charakterizáciu individuálnej dynamiky OTU počas období zjavnej celkovej stability komunity sme použili test Augmented Dickey-Fuller (ADF) [22]. Test ADF odmieta existenciu jednotkového koreňového procesu, ako je napríklad náhodná prechádzka, testovaním, či sa časové rady po výkyvoch zvyknú vrátiť k rovnovážnej hodnote. Dôležité je, že procesy ako konkurencia, ktoré vedú k trvalému nárastu úspešných taxónov a k úbytku konkurenčných taxónov, povedú k zlyhaniu testu ADF pri odmietnutí nulovej hypotézy. Významný test ADF teda naznačuje obnovovaciu silu, ktorá riadi dynamiku bakteriálnych druhov. Zistili sme, že väčšina OTU odmietla nulovú hypotézu ADF, čo potvrdzuje vizuálny vzhľad stability mikrobioty. Výsledky ADF naznačujú, že 75% až 88% baktérií vykazovalo počas skúmaného rozsahu dátumov stacionárnu dynamiku (obrázok 2A-C). Väčšina členov mikrobiálnych spoločenstiev čriev a slín teda môže zostať stabilná niekoľko mesiacov. Okrem toho sme nenašli žiadnu koreláciu medzi výsledkami testov ADF a početnosťou baktérií, čo naznačuje, že taxóny s nízkym a vysokým výskytom sú rovnako pravdepodobne stacionárne. Ak OTU obývajú neprekrývajúce sa výklenky, pozorovaná stacionárna dynamika môže odrážať odchýlky vo veľkosti medzier v dôsledku denných výkyvov v strave a iných hostiteľských faktoroch. Stabilita na úrovni OTU však nemusí nevyhnutne znamenať nedostatok konkurencie a posunu. V skutočnosti zvyšných 6 % až 21 % nestacionárnych OTU, ktoré nedokážu odmietnuť nulovú hypotézu ADF, môže predstavovať konkurenčné druhy v prekrývajúcich sa výklenkoch. Ak je pravdepodobnejšie, že geneticky podobné druhy budú súťažiť o zdroje, potom by sa tieto nestacionárne OTU mali fylogeneticky zoskupovať. V skutočnosti pozorujeme podporu pre fylogenetické zhlukovanie nestacionárnych OTU v niekoľkých časových rozsahoch (obrázok 2D-F) a dynamiku v súlade s ekologickou konkurenciou (obrázok 2G-I). V niekoľkých prípadoch došlo k nahradeniu druhov v priebehu niekoľkých dní (obrázok 2G, H). To je prekvapujúce, pretože to kontrastuje so všeobecnou stabilitou hojnosti OTU a naznačuje, že stabilita OTU nie je len dôsledkom pomalej mikrobiálnej dynamiky.

Okrem konkurencie medzi druhmi môže dôjsť ku konkurencii medzi populáciami baktérií v rámci jednej OTU. Nedávna štúdia morských baktérií ukázala významnú konkurenciu medzi blízko príbuznými populáciami, ktoré by v tejto štúdii nebolo možné rozlíšiť ako odlišné OTU [23]. Naše zistenia teda podporujú model, v ktorom je väčšina OTU priťahovaná na rovnovážnu úroveň, hoci v rámci OTU sa môže vyskytnúť ekologická konkurencia a niekedy sa vyskytuje medzi geneticky príbuznými druhmi.

Cestovanie a enterická infekcia sú spojené s hlbokým narušením komunity

Napriek celkovým dôkazom stability mikrobioty, okná pokrývajúce pozoruhodné akcie hostiteľa a zdravotné zmeny ukazujú dôkaz širokého narušenia komunity. Prvé okno sa zhoduje s premietaním predmetu A z veľkej americkej metropolitnej oblasti do hlavného mesta rozvojového národa v juhovýchodnej Ázii medzi 71. a 122. dňom štúdie. Tento subjekt bol počas cestovania vystavený novej strave a prostrediu a mal hnačku v dňoch 80 až 85 a 104 až 113. Druhé rušivé okno sprevádza epizódu otravy jedlom u subjektu B, počas ktorej subjekt testoval kultúru pozitívne na Salmonela sp. V súlade s touto diagnózou vyplýva z Enterobacteriaceae (Salmonelarodičovská rodina) predstavovala medián 10,1 % denných prečítaní počas hnačkového ochorenia a vrchol na 29,3 % prečítaní v deň 159 (doplnkový súbor 5). Počas celého roka sa číta z Enterobacteriaceae predstavovali medián 0,004 % prečítania za každý deň. Subjekt B neužíval antibiotiká počas hnačkovej epizódy.

Tieto dva subjekty mali kvalitatívne odlišné reakcie na poruchu. Aby sme zhrnuli široké účinky narušenia na tisíce mikrobiálnych taxónov, zoskupili sme OTU do obmedzeného počtu zhlukov podľa ich množstva počas cestovania subjektu A (metódy). Cestovanie subjektu A silne narušilo štruktúru komunity až na úroveň kmeňa, čo sa zhodovalo s výrazným nárastom a poklesom v zhlukoch bohatých na Bacteroidetes a Firmicutes (obrázok 3A, B), pomer Bacteroidetes k Firmicutes sa nakoniec zvýšil z 0,37 (pred cestou) do 0,71 (stred cesty, dni 90 až 103 Ďalší súbor 6). Napriek týmto zmenám v druhovom zastúpení nedošlo k veľkému zisku alebo strate bakteriálnych druhov (obrázok 3C). Z 352 OTU prítomných v 95% vzoriek odobratých pred cestou malo 322 (91%) počas stabilného cestovného obdobia nenulový stredný počet. Podobne z 359 OTU prítomných uprostred cesty malo 329 (92 %) pred cestou nenulový stredný výskyt. Výskyt klastra baktérií bohatých na Proteobaktérie súbežne s hnačkou bol významnou výnimkou z trendu zloženého zdieľania druhov pred a počas cestovania (obrázok 3B), ale tieto druhy po návrate z cesty nepretrvávali. Pred návratom subjektu A teda už boli na mieste dominantné bakteriálne druhy po cestách.

Dynamika hlavných klastrov OTU vo veľkých poruchách. Vysoko hojné OTU boli zoskupené podľa ich dynamiky počas cestovného obdobia subjektu A. (A-D) a akútnej enterickej infekcie subjektu B. (E-H). Klastre boli vytvorené oddelene pre tieto dve prostredia, kde nájdete ďalšie podrobnosti v časti Metódy. (A, E) Taxonomické zloženie veľkých klastrov (frakčný výskyt presahuje 10% viac ako 3 dni). (B, F) Množstvo klastrov v čase (tieňované body) a trendové čiary (plné) sa hodia pomocou LOESS vyhladzovania, zafarbené podľa rovnakej schémy ako v (A,E). Cesty subjektu A do zahraničia (dni 71 až 122) a enterická infekcia subjektu B (dni 151 až 159) sú sivé. (C,G) Medián log10(množstvo) OTU v každom klastri pred a po poruche. OTU sú zafarbené podľa členstva v klastri, okrem nefarbených OTU patriacich do klastrov, ktoré nie sú vykreslené v (A,E). Detekčné limity OTU boli stanovené na minimálnu frakčnú hojnosť pozorovanú v časových radoch každého subjektu (1e-5,8 pre subjekt A a 1e-5,6 pre subjekt B). (D,H) Kreslené modely stavov mikrobiómov, v ktorých sú mikrobioty považované za gule v krajine formovanej environmentálnymi faktormi [24]. Posun mikrobioty súvisiace s cestovaním subjektu A je v súlade s modelom, kde poruchy prostredia spôsobujú zmeny stavu (D), zatiaľ čo posun subjektu B súvisiaci s infekciou je v súlade so stavovými prechodmi spôsobenými priamymi poruchami komunity (H).

Naproti tomu zhlukovanie črevnej mikroflóry subjektu B naprieč Salmonela infekcia odhalila kolonizáciu nových druhov a redukciu mnohých komenzálnych druhov pod limit detekcie sekvenovania (obrázok 3G). Po infekcii OTU, ktoré predtým tvorili 44 % čítaní pred infekciou (skupina 4), tvorili menej ako 1 % čítaní, zatiaľ čo jednotky OTU, ktoré predstavovali iba 15 % čítaní pred infekciou (skupina 7), sa rozšírili na 65 % čítaní po infekcii. číta infekciu (obrázok 3F). Enterická infekcia u subjektu B tiež ovplyvnila prítomnosť a absenciu bežných OTU pred infekciou. Z 202 OTU nájdených v 95%vzoriek pred infekciou malo 112 (55%) strednú hodnotu 0 po infekcii a 28 (13,9%) sa znova nepozorovalo. Nové OTU sa objavili po infekcii, pretože 17 (14,7%) zo 116 OTU nájdených v 95% vzoriek po infekcii malo pred infekciou nulový stredný počet. Tieto nové taxóny však predstavujú iba 1,3% čítaní po infekcii, čo naznačuje, že kolapsy v množstve OTU po enterickej infekcii boli primárne kompenzované zvýšeným výskytom už prítomných OTU.

Aby sme pochopili mechanizmy, ktoré sú základom odchodu subjektov z ich počiatočných stavov mikrobioty, skúmali sme reverzibilitu každej poruchy v kontexte nedávnych teórií ekológie mikrobiómov. Predpokladá sa, že k novým stavom mikrobiálnej komunity dochádza vtedy, keď poruchy buď zmenia parametre črevného prostredia, zmenia prítomnosť alebo neprítomnosť rovnovážnych bodov v štátnej krajine, alebo keď samy zmenia črevnú mikrobiotu a posunú komunity medzi pevnými rovnováhami (obrázok 3D, H ) [9, 13, 25]. Podľa modelu narušenia životného prostredia obrátenie poruchy biotopu obnoví pôvodný stav mikrobioty. Podľa modelu narušenia komunity môže mikrobiota pretrvávať v nových stabilných stavoch po zmiernení poruchy. Skúmali sme, ktoré z týchto modelov najlepšie podporuje dynamika obnovy komunity.

Posun črevnej mikroflóry spojený s cestovaním subjektu A sa obrátil po návrate domov, čo je v súlade s modelom narušenia životného prostredia pri prechode stavu mikrobiómu (obrázok 3D). Črevná mikroflóra subjektu A sa vrátila do stavu pred cestou približne za 14 dní podľa analýzy na základe vzdialenosti (doplnkový súbor 7). Reverzibilná zmena stavu mohla byť čiastočne výsledkom dočasného prijatia regionálnej stravy subjektom A počas pobytu v zahraničí. Subjekt A pokračoval v normálnom stravovacom režime po návrate domov, pretože žiadna zo sledovaných stravovacích premenných subjektu nevykazovala významné rozdiely medzi mesiacmi pred a po ceste (q > 0,05, Mann-Whitney U test). Model narušenia mikrobioty poháňaný regionálnou stravou podporujú nedávne prierezové štúdie, ktoré predpokladajú, že rôzne nutričné ​​profily nezápadnej a západnej stravy podporujú odlišnú mikrobiotu v rozvinutom a rozvojovom svete [26, 27]. Expozícia novým baktériám, vrátane potenciálne hnačkových patogénov, mohla tiež prispieť k zmenenej mikrobiote subjektu A. Zvýšené skóre beta-diverzity medzi vzorkami odobratými po presťahovaní sa do zahraničia, ale pred nástupom úprimnej choroby, naznačuje úlohu geografických zmien pri zmene mikrobioty subjektu A (dodatočný súbor 7).

Na rozdiel od toho sa črevná mikroflóra subjektu B nevrátila do stavu pred infekciou, čo je v súlade s modelom narušenia komunity (obrázok 3H). Naozaj, Salmonela je známe, že vyvoláva v hostiteľovi zápalovú odpoveď, ktorá narúša komenzálne druhy a môže uľahčiť kolonizáciu patogénom [28]. Mikrobiota subjektu B pretrvávala v zmenenom stave počas zostávajúcich 3 mesiacov, pričom subjekt odoberal pravidelné vzorky výkalov (obrázok 2B).

Aké sily môžu umožniť pretrvávanie črevnej mikroflóry subjektu B po infekcii? Jednou z možností je, že strava subjektu B sa po infekcii zmenila. V mesiaci nasledujúcom po infekcii sme však nepozorovali významné zmeny medzi diétnymi premennými subjektu B v mesiaci nasledujúcom po mesiaci predchádzajúcom infekcii (q & gt0,05, Mann -Whitney U test). Alternatívnym vysvetlením je, že stratené druhy baktérií boli nahradené konkurentmi. Aby sme otestovali túto hypotézu, usúdili sme, že blízko príbuzné taxóny pravdepodobne zdieľajú ekologické znaky [29]. Preto sme testovali, či baktérie získané (klaster 7) a stratené (klaster 4) po infekcii vykazovali fylogenetické zoskupenie.

Bakteriálne taxóny, ktoré expandovali u subjektu B po infekcii, skutočne úzko súviseli s taxónmi, ktoré sa stratili, čo naznačuje zachovanie funkcie skôr ako druhov po infekcii. Zistili sme, že taxóny z oboch zhlukov boli primárne spojené s jedným kladom Firmicutes (obrázok 4 P & lt0.001, Fisherov presný test). Nárast taxónov klastra 7 z podstromu Firmicutes po enterickej infekcii (6,9% na 40,1% prečítaní) takmer odzrkadlil pokles taxónov klastra 4 z rovnakého podstromu (37,2% prečítaní na 0,04%). Celkovo taxóny klastra 4 a 7 z tohto podstromu predstavovali 44,1 % čítaní pred infekciou a 40,2 % čítaní po infekcii. Preto predpokladáme, že funkčnú stabilitu je možné zachovať aj vtedy, keď sa stratí stabilita kompozície.

Fylogenetické dôkazy pre konkurenčné črevné bakteriálne taxóny. OTU zoskupené podľa ich dynamiky naprieč enterálnou infekciou subjektu B (obrázok 3) boli vynesené na referenčnú fylogenézu vytvorenú pomocou sekvencií 16S rRNA (metódy). Taxonomické priradenia pre každú OTU sú znázornené na vnútornom krúžku a zodpovedajú farebnému kódovaniu z obrázku 1. Taxóny spojené so zvyšujúcou sa (skupina 7, oranžová) alebo znižujúcou sa početnosťou (skupina 4, modrá) po infekcii sú uvedené na vonkajšom krúžku. Monofyletický podstrom v rámci Firmicutes (šípka a tieňovanie) je významne spojený s taxónmi z dvoch zhlukov (P & lt0.001, Fisherov presný test).

Možnosti životného štýlu môžu ovplyvniť vybrané mikrobiálne taxóny v denných časových intervaloch

Identifikovali sme iba dve skúsenosti hostiteľa, ktoré spustili veľké posuny zo stabilných bodov, ale našli sme viacero faktorov zdravia a správania hostiteľa, ktoré prispeli k výkyvom okolo stabilných bodov. Väčšina hostiteľských faktorov, ktoré sme sledovali, sa v priebehu času správala náhodne (doplnkový súbor 8), čo podporuje názor, že normálny životný štýl dospelých predstavuje mikrobiotu s idiosynkratickým radom denných porúch. Vyvinuli sme nový analytický kanál na identifikáciu predpokladaných kauzálnych väzieb medzi hostiteľskými faktormi a mikrobiálnymi časovými radmi (metódy). Táto analýza bola navrhnutá konzervatívne a zahŕňala niekoľko krokov zameraných na odfiltrovanie falošne pozitívnych interakcií. Plynovod tiež neobsahoval dátumy zahŕňajúce cestovanie alebo infekčné udalosti a spoliehal sa na klastre OTU odlišné od tých, ktoré boli zostavené pre hlavné analýzy porúch. Vývoj potrubia sa zameral na časové rady subjektu A, pretože tento subjekt hustejšie zbieral metadáta ako predmet B.

Naša analýza identifikovala podskupinu črevných a slinných OTU citlivých na stravu a správanie hostiteľa u subjektu A (q < 0,05, Spearmanova korelačná tabuľka 1 a ďalšie súbory 9, 10, 11). Z 28 skupín korelácií, ktoré sme identifikovali, 25 zahŕňalo posuny bakteriálnej abundancie 1 deň po zmene zdravia alebo správania hostiteľa. Jednou významnou výnimkou z tohto vzorca je domnelý vzťah medzi slinnými taxónmi a cvičením hostiteľa vpred v čase, čo je pravdepodobne falošne pozitívny výsledok. V prípade slinnej mikrobioty subjektu A sme pozorovali, že niť je spojená so zníženými koncentráciami Streptokok druhov vrátane zubného patogénu S. mutans v slinách. V minulosti sa ukázalo, že používanie nití sa znižuje S. mutans orálna záťaž [30]. Neočakávane sme zistili, že telesný tuk a hmotnosť negatívne korelujú so zhlukom ústnych baktérií. Jedným z možných dôvodov tohto prepojenia je, že hydratácia subjektu ovplyvňuje merania telesného tuku na váhach, ktoré sme distribuovali subjektom, ako aj rýchlosť toku, hladiny bielkovín a osmolaritu slín [31]. Zmeny týchto environmentálnych premenných môžu zase brániť rastu vybraných orálnych mikróbov.

V čreve subjektu A potraviny bohaté na vlákninu pozitívne korelovali s množstvom zhlukov nasledujúceho dňa, ktoré obsahovali viac ako 15% z celkového počtu prečítaných v komunite. Tieto klastre boli obohatené o Bifidobaktérie, Roseburiaa Eubacterium rectale druhy, ktoré predchádzajúce štúdie identifikovali ako citlivé na vlákninu [15, 32–34]. Štyri Clostridiales OTU vrátane Faecalibacterium prausnitzii, boli v pozitívnej korelácii s jedením citrusov. F. prausnitzii je pozoruhodný svojou potenciálnou terapeutickou úlohou pri kolitíde [35] a je tiež známe, že rastie na pektíne [36], sacharide, ktorý sa nachádza v citrusových plodoch [37]. Zistili sme tiež pozitívnu koreláciu medzi konzumáciou jogurtu a Bifidobacteriales, ktoré sú bežnou živou kultúrou v jogurtoch.

Použitím rovnakých klastrov OTU v črevách a slinách testovaných na interakcie metadát sme tiež skúmali potenciálne väzby medzi črevnou a slinnou mikrobiotou. Zdraví ľudia prehltnú 1 až 1,5 litra slín denne, vďaka čomu je možné, že sa do tráviaceho traktu pravidelne zavádza orálna mikrobiota [38]. Napriek tomu sme nepozorovali žiadne významné časové korelácie medzi črevami subjektu A a slinnými klastrami OTU v periódach oneskorenia v rozmedzí od -7 do +7 dní (q & lt0,01, Spearmanova korelácia). Náš súbor údajov teda nepodporoval krátkodobé dočasné interakcie medzi črevnou a slinnou mikroflórou v rámci jednotlivca.


Kravy jedia trávu, trávia ju mikrobiota

Trávy, listy a iné vláknité rastlinné materiály sú ťažko stráviteľné. Je to preto, že obsahujú celulózu a ďalšie zlúčeniny12 v bunkovej stene rastlín, ktoré žiadny živočích nedokáže sám rozložiť. Niektoré zvieratá majú špecializovaný tráviaci trakt a špeciálnu mikroflóru, aby mohli pravidelne jesť tieto druhy potravy.

Dobytok a iné prežúvavce13 majú veľký žalúdok rozdelený do štyroch komôr. Keď dobytok prehltne trávu, ide do najväčšej komory. Neskôr môže byť vrátený späť a znovu žuvaný. Vďaka tomu sú kúsky menšie, čo dáva baktériám väčšiu plochu na prácu. Nakoniec sa jedlo presunie cez zvyšok tráviaceho traktu.

Mal som jedného učiteľa výživy na vysokej škole, ktorý povedal: „V skutočnosti nekŕmiš kravu, ale kŕmiš baktérie vo vnútri kravy. Ak udržíte baktérie šťastné, krava bude šťastná. “

Jedna vec, ktorá môže spôsobiť problém, je náhla zmena stravy. Napríklad dobytok je niekedy kŕmený obilím. Ak sa príliš veľa obilia zavedie príliš náhle, krava môže ochorieť a nebude chcieť jesť vôbec. Náhla zmena narúša rovnováhu v mikrobiotickom spoločenstve. Odlišné zloženie mikrobioty a odlišné podmienky v žalúdku sú spojené s trávením obilia.14 Pomalé zavádzanie obilia poskytuje mikrobiotickej komunite čas na postupné prispôsobenie sa týmto novým podmienkam, takže krava nebude trpieť.

Okrem prežúvavcov môžu iné zvieratá jesť potraviny s vysokým obsahom celulózy. Niektoré sa nazývajú predžalúdkové fermentory, pretože majú prednú časť žalúdka, kde mikróby trávia celulózu. Medzi fermentory predného čreva patria ťavy, leňochody, hrochy a kengury.16 Ostatné zvieratá, ako sú kone, slony, koaly a králiky, sú fermentory zadného čreva. U týchto zvierat baktérie v hrubom čreve a céku, ktoré prichádzajú za žalúdkom, trávia celulózu. Je úžasné vidieť všetku tú rozmanitosť, ktorú Boh vložil do svojich stvorení. Existujú rôzne mikróby, ktoré pomáhajú každému zvieraťu stráviť jedlo, ktoré potrebuje na prežitie.


Preskúmať:

Používajte zdravé oleje (ako olivový a repkový) na varenie, na šalát a pri stole. Obmedzte maslo. Vyhnite sa trans-tukom.

Pite vodu, čaj alebo kávu (s malým alebo žiadnym cukrom). Obmedzte mlieko/mliečne výrobky (1-2 porcie/deň) a šťavu (1 malý pohár/deň). Vyhnite sa sladeným nápojom.

Čím viac zeleniny a mdash a čím väčšia rozmanitosť, tým lepšie. Zemiaky a hranolky sa nepočítajú.

Jedzte veľa ovocia všetkých farieb

Vyberte si ryby, hydinu, fazuľu a orechy, obmedzte červené mäso a syr, vyhnite sa slanine, údeninám a ďalšiemu spracovanému mäsu.

Jedzte rôzne celozrnné produkty (ako celozrnný chlieb, celozrnné cestoviny a hnedú ryžu). Obmedzte rafinované obilniny (ako biela ryža a biely chlieb).

Zaraďte fyzickú aktivitu do svojej každodennej rutiny.

Mesačná aktualizácia plná noviniek v oblasti výživy a tipov od odborníkov z Harvardu - všetko navrhnuté tak, aby vám pomohlo jesť zdravšie. Zaregistrujte sa tu.

Prezrite si príručku na stiahnutie s tipmi a stratégiami pre zdravé stravovanie a zdravý životný štýl.


Abstrakt

Zvieratá sa zhromažďujú a udržiavajú rozmanitú, ale hostiteľsky špecifickú črevnú mikrobiálnu komunitu. In addition to characteristic microbial compositions along the longitudinal axis of the intestines, discrete bacterial communities form in microhabitats, such as the gut lumen, colonic mucus layers and colonic crypts. In this Review, we examine how the spatial distribution of symbiotic bacteria among physical niches in the gut affects the development and maintenance of a resilient microbial ecosystem. We consider novel hypotheses for how nutrient selection, immune activation and other mechanisms control the biogeography of bacteria in the gut, and we discuss the relevance of this spatial heterogeneity to health and disease.


Factors affecting gut microbiota

Gut microbiota composition and dynamics are determined by a range of extrinsic and intrinsic factors (Fig. 5). Extrinsic factors include host diet, social interactions, and the pool of environmental microbial inocula, whereas intrinsic factors are inherent to the host organism, and include genetic makeup, age, sex, and health. Extrinsic and intrinsic factors are closely connected in their influence on gut microbial communities. For example, preferential diet of a bird may be species-specific and could be considered to be an intrinsic factor. However, food-associated microbial communities may vary by location, and food quality can pose a differential selection pressure on the gut microbiota, both extrinsic factors. Foraging location during long-distance movements has an intrinsic component related to migratory behavior, but every foraging environment includes extrinsic pressures, such as variability in food choices based on availability and competition. Disentangling the different extrinsic and intrinsic factors that affect avian gut microbial composition is challenging with descriptive study methods because of the wide range of bird life-histories. Bird species vary from strict diet and habitat specialists, e.g. some species of endemic hummingbirds, to generalists like gull species that have a broad dietary range and occupy a wide variety of environments. We consider extrinsic and intrinsic factors separately for organizational purposes, but recognize that possible effects on gut microbiota may be synergistic.

Extrinsic and intrinsic factors affecting the avian gut microbiota. Extrinsic factors are boxed in dashed lines, and intrinsic factors in solid lines.

Extrinsic factors

Životné prostredie

Environmental microbial communities vary due to spatial and temporal heterogeneity in biotic and abiotic factors. Birds are exposed to different microbes, all potential gut inocula, through environmental conditions in preferred habitats, including diet, water, soil, nesting environments, and social interactions.

Swainson's thrushes Catharus ustulatus and gray catbirds Dumetella carolinensis shared parallel shifts in gut microbiota between spring and fall stopover, indicating a predominant environmental influence (Lewis et al. 2016 ). Environmental factors such as location and diet were also main factors affecting passerine gut microbiota (Hird et al. 2014 ). Variation in importance of site may be due to the age of sampled individuals, as young birds may have not yet developed a stable gut microbiota. However, a study investigating the cloacal, feather, nest and skin microbiome of adult woodlarks Lullula arborea and skylarks Alauda arvensis suggested that their microbiomes as adults were shaped by the local environmental microbiome (van Veelen et al. 2017 ).

In contrast, sampling location was not a major determinant in gut microbial composition in adults of 59 species of Neotropical birds (Hird et al. 2015 ), but this could be due to low replication among species and sites. To determine environmental influence on avian gut microbiota, we need simultaneous sampling of birds and their local environments, such as sediment and water at foraging or nesting sites, and nesting materials. In addition, we need to identify successional trajectories in gut microbiota of species with varying life-histories to determine if and when birds acquire a stable microbiota.

Local food resources

In a majority of available studies, diet has been identified as the underlying cause of differences in gut microbial communities, and the importance of gut microbiota for digestion is generally understood. The extrinsic component of diet includes the ingestion of microorganisms associated with available food sources. Different geographic locations provide different microbial environments, and birds in different locations may ingest different food-associated microorganisms. Ingestion of microorganisms with food is likely one major pathway of microbial colonization of the avian gastrointestinal tract (Grond et al. 2017 ). Bird eggs hatch outside of the parent, whereas neonates of mammals can be first inoculated during parturition and passage through the birth canal. To what extent ingested microorganisms contribute to or affect the mature gut microbiota in wild birds is unknown. Studies of domestic chickens identified effects of different diets on establishment of the gut microbiota in developing young (Wise and Siragusa 2007 , Stanley et al. 2012 , 2012 2014), but these studies have been unable to discern the selective effects of dietary nutrient and fiber contents versus input of microbiota from different food-associated microbial communities.

Behavior: migration and social interactions

Resident birds may spend their whole lives in one area. Compared to migratory birds or birds with large home ranges, residents maybe less exposed to diverse inocula from which to recruit their gut microbiota. No studies have compared gut microbiota of resident and migratory individuals of the same or related species. Unexpectedly, plumage microbiota were more diverse in resident birds than in migratory birds (Bisson et al. 2009 ), indicating that the interaction with the local environment may be more important than the diversity of environments encountered through migration. The authors attributed differences among birds to higher microbial exposure during ground-foraging behavior, the dominant foraging strategy among resident species.

Environmental exposure may not be greater in migratory than resident birds, depending on their site fidelity and space use. Many migratory shorebird species return to the same sites during the breeding and non-breeding seasons, resulting effectively in the use of many small habitat patches over a geographical gradient (Leyrer et al. 2006 , Merkel et al. 2006 , Johnson et al. 2010 ). Retention time of local microbiota in the avian gut is currently unknown. Variation in gut microbiota turnover associated with stages of the migratory cycle therefore may not reflect sampling time and location in gut microbiota. Migratory birds often switch diets, and thus may ingest a wide variety of microorganisms associated with their different food sources. Gut microbiota of songbirds became more similar within and among species during stopover, indicating an important role of local diet and/or environment as potential drivers of change in gut microbiota (Lewis et al. 2017 ).

Exposure to different microbial environments during migration could be influenced by the formation of mixed-species flocks at stopover sites. Avian interactions can facilitate transfer of microorganisms through close contact and involuntary coprophagy, a potential mechanism for spread of gull fecal indicator bacteria, Catellicoccus marimammalium, to shorebirds (Grond et al. 2014 , Ryu et al. 2014 ). Large aggregations of birds such as colonial breeding species could also result in the spread of gut microbiota among conspecifics, and potentially inoculation of chicks and juveniles.

Intrinsic factors

Dietary preferences, such as frugivory, herbivory or insectivory, are intrinsic factors of species that affect gut microbiota. Microbial communities of herbivorous bird guts are often dominated by members of the phylum Bacteroidetes. Bacteroidetes can assist in the decomposition of polysaccharides, cellulose, and other complex polymers (Thomas et al. 2011 ). Carnivorous bird species have broad diets, ranging from carrion to marine invertebrates and have gut microbiota dominated by Proteobacteria and Firmicutes (Blanco 2014 , Grond et al. 2014 , Ryu et al. 2014 ). Vultures have unique adaptations and responses to their carrion-based diet, including extreme stomach acidity and resistance to toxins produced by the tissue-degrading Clostridia (Roggenbuck et al. 2014 ). Other species of birds seasonally shift diets during their annual cycle. Gut microbiota vary seasonally in humans and other mammals (Zhang et al. 2014 , Hisada et al. 2015 ), including several species of primates (Sun et al. 2016 ), wood mice Apodemus sylvaticus (Maurice et al. 2015 ), American bison Bison bison (Bergmann et al. 2015 ) and giant pandas Ailuropoda melanoleuca (Xue et al. 2015 ). However, no studies have investigated whether seasonal variation in wild bird gut microbiota is dependent on dietary changes.

Phylogenetic history

Host species and evolutionary history strongly determine the gut microbiota of mammals (Ley et al. 2008 ), with microbial gut communities more similar among closely related species. Coevolution in animals that have the potential for vertical transmission of complete microbial communities during birth has been hypothesized as one of the reasons for the importance of phylogeny in microbiota structuring (Ley et al. 2006 ). Although extrinsic factors can be driving composition of wild bird gut microbiota as discussed above, a number of studies have also shown host species to be an important determinant. Hird et al. ( 2015 ) evaluated the influence of 18 categorical variables including host species, diet and geographical location on wild bird gut microbiota, and found that variables associated with host taxonomy were the strongest determinant of gut microbial community. Waite and Taylor ( 2014 ) also observed host phylogeny as the main determinant of gut microbiota in the meta-analysis they conducted on a suite of avian species.

The gut microbiota of host young of magpies Pica pica and parasitic young of great spotted cuckoos Clamator glandarius differed among nest mates (Ruiz-Rodríguez et al. 2009 ), despite host and parasitic young being raised in the same nest environment. On the other hand, gut microbiota were more similar between siblings of the great tit Parus major within the same nest than among conspecific young in other nests (Lucas and Heeb 2005 ), which could be due to patterns of relatedness or a common nest environment. Manipulative experiments are needed to determine whether the genetic relatedness or the similarity in diet provided by the parents lead to these differences. For example, raising chicks from bird species with varying phylogenetic relatedness in a common garden, or reciprocal transplant experiments with control of environmental and dietary conditions, would allow us to separate genetic and environmental effects on gut microbial composition.

Age and sex

Microbial colonization of bird guts is hypothesized to occur after hatching of the egg (van der Wielen et al. 2002 , Kohl 2012 ). A study investigating microbial recruitment in shorebird chicks showed that the chick GI tract is close to sterile at hatching, supporting this hypothesis (Grond et al. 2017 ). However, sampling of the microbiota during late incubation has documented the presence of several species of microbes at low abundance within the embryo gut (Kizerwetter-Świda and Binek 2008 ), suggesting that timing of colonization could depend on species or environmental factors. Infection of the reproductive tract in chickens can cause pathogenic bacteria to penetrate the egg shell from the outside environment, as well as to enter the egg during egg formation (Gantois et al. 2009 , Cox et al. 2012 , Martelli and Davies 2012 ). Expanding sampling of wild bird embryos before hatch could help elucidate whether the absence of an embryonic microbiota and low potential for maternal control extrapolates across species.

Microbial colonization of young bird guts may occur through various routes. Altricial birds depend on their parents for food, enabling parental influence on offspring's gut microbiota through prey selection and transfer of saliva. Precocial young leave the nest soon after hatch and often forage independently, limiting a direct parental influence on gut microbiota. Indeed, the local environment was indicated as a likely source for microbial recruitment in precocial shorebirds chicks (Grond et al. 2017 ). Precocial parents can potentially influence their chicks’ gut microbiota through leading them to foraging areas with beneficial prey, or brooding and preening of the chicks. In addition, coprophagy by chicks could accelerate microbiome establishment.

Gut bacterial communities during early life in altricial birds vary widely in diversity and abundance (González-Braojos et al. 2011 ), and markedly differ from gut microbiota of conspecific adults (van Dongen et al. 2013 , Waite et al. 2014 ). Chicks of shorebirds, ostriches and little penguins Eudyptula minor had dynamic gut microbial communities (Dewar et al. 2017 , Grond et al. 2017 , Videvall et al. 2018b ), but short-tailed shearwaters Ardenna tenuirostris had relatively stable communities throughout development. Once mammalian hosts reach maturity, their gut microbiota are often assumed to be relatively stable (Faith et al. 2013 ), but long time-series with monitoring of adult bird microbiota are lacking. Waite et al. ( 2014 ) found distinct fecal microbial communities in both adult and juvenile Kakapos sampled one year apart, though adult and juvenile microbiota were not different within each year, suggesting significance of intra-annual variation. However, whether the intra-individual variation in microbiota composition is within the natural range of variation we cannot yet say, as only two samples were collected per individual. Long-term, repeated sampling of individual birds is needed to determine natural variation in their gut microbiota and to identify consistent age effects.

Males and females differ in reproductive physiology and behavior, which may manifest as different gut microbial profiles. Male and female northern bobwhites differed in three of the eight most common bacterial genera: Enterococcus, Rothia a Streptokok (Su et al. 2014 ). Interactions between sex hormones and the human gut microbiota are well known (summarized in Neuman et al. 2015 ), but little information is available for birds. Studies investigating sex hormones in birds have focused predominantly on the immunosuppressive effects of testosterone (Alonso-Alvarez et al. 2009 ). Escallón et al. ( 2017 ) showed experimentally that testosterone levels were positively related to cloacal diversity and Chlamydia spp. abundance, indicating a potential immunosuppressive effect. Alternatively, increased testosterone could increase the number of copulations with different mates and thus potentially exposure to sexual bacterial transmission.

Reprodukcia

In addition to the innate physiological differences associated with sex, there are reproductive behaviors specific to each sex that could affect gut microbiota composition, such as mating system. Sexually monogamous bird species are exposed to fewer microorganisms during mating than species with multiple sexual partners. Studies that have investigated sexual transfer of microbiota in wild birds and other vertebrates have predominantly used cloacal swabbing to investigate the affected microbial community. The effects of mating on the cloacal microbiota in black-legged kittiwakes Rissa tridactyla were transient (White et al. 2010 ), and unlikely to have a lasting effect on their gut microbiota. Different mating systems could result in differential pathogen transfer, which can affect the partners’ health.

Breeding can affect gut microbiota directly through transfer of microorganisms during the mating process and indirectly through increased close contact between mates during incubation and chick provisioning. No differences were found in cloacal microbiota between male and female barn swallows Hirundo rustica when birds were sampled during the breeding season (Kreisinger et al. 2015 ). In addition, many bird species segregate geographically sex outside of the breeding season (Cristol et al. 1999 , Alves et al. 2013 ), exposing males and females to different diets and habitats. How differential migration affects microbial exposure for males and females is not known, but could be investigated by sampling during the non-breeding season.

Physiology: GI-tract morphology

Animal behavior can affect their microbiota and vice versa (Ezenwa et al. 2012 ). In birds, migration is one behavior that can influence gut microbial composition. In addition to the extrinsic effects of migration on gut microbiota, there may be intrinsic physiological effects due to plasticity in bird gut morphology during migration. Migratory shorebirds down-regulate the mass of their GI tract before long-distance movements, resulting in an average 30% reduction in GI tract length (Battley et al. 2000 ). Large reductions in GI tract length affect physiological function and uptake rates, and could reduce physical habitat for microorganisms. In addition, the lack of nutrient input during flight, could lead to an impoverished microbiota. Many migratory birds frequent one or more staging sites during migration, which are usually food-rich locations that birds use as mid-migration fueling sites. Intensive foraging at staging sites results in ingestion of large quantities of local food-associated microorganisms, potentially inoculating impoverished or altered communities with local microbes.

During spring migration at Delaware Bay (DE, USA), shorebirds use the same habitat and food source, consisting of eggs of horseshoe crabs Limulus polyphemus (Clark et al. 1993 ). Three shorebird species using this site, the red knot Calidris canutus, ruddy turnstone Arenaria interpres and semipalmated sandpiper C. pusilla, differed in their fecal microbial communities, in a common foraging environment (Grond et al. 2014 , Ryu et al. 2014 ). Interspecific differences support the potential importance of phylogeny as a strong determinant of gut microbial communities, which differs from studies where environmental drivers of gut microbiota are important (Hird et al. 2014 , Lewis et al. 2016 , 2016 2017). Similarly, shorebirds staging in the Tagus estuary in Portugal use the same habitat and resources, but each species possesses distinct microbial communities (Santos et al. 2012 ). It is plausible that the microbiota already present in the GI tract upon arrival can outcompete incoming food-associated microorganisms. Alternatively, retention time of food in shorebirds during stopover may be too short to allow settlement of food-associated bacteria.

To investigate how migratory movements affect gut microbiota, it would be necessary to sample birds prior to migration, upon arrival at staging sites, and during the staging period. Timing of migration and physiological adaptations to migration are endogenous traits, which are still expressed by captive birds. Pre-migratory fattening and GI tract shrinkage can be observed in captive wild birds, which, in combination with wind tunnel experimental flights, could be valuable tools for assessing the effect of migration on gut microbiota.

Health and fitness

The influence of the gut microbiota on health has been studied intensively in humans and, to a lesser extent, in domestic poultry. How gut microbiota affect health in wild birds is unknown, due to the difficulties of determining health status for free-living birds and rarity of recovering dead individuals.

Gut microbiota can improve health by aiding nutrient uptake and through positive interactions with the immune system. A study investigating the effect of immune supplementation and challenge on the cloacal microbiota in homing pigeons Columba livia domestica revealed effects on evenness of the microbial community, but not on richness or diversity (Matson et al. 2015 ). The authors did not identify the microbial communities, and it is unclear which bacteria were affected by the experimental manipulations. A better understanding of how gut communities interact with the immune system under normal and immunologically challenging conditions will require extensive surveys combining health measurements, immunological assays and assessment of the gut microbiota in wild bird populations. In addition, insight into how gut microbiota contribute to host fitness in birds warrants manipulating of gut microbial communities of birds under field conditions, followed by monitoring components of fitness such as fecundity, recruitment and survival.


Microflora of Gastrointestinal Tract

Initially sterile in newborns, gastrointestinal tract is rapidly colonized by microorganisms, uptaken with food. In breast-fed infants the intestinal microflora largely comprises lactobacilli, lactic acid streptococci and bifidobacteria.

In healthy adults the esophagus has only accidental transient microflora passing from oral cavity.

In the stomach the normal acidity of gastric juice (in the range of 1.5-3.5) greatly diminishes the total amount of microorganisms. Actually, the gastric juice demonstrates remarkable microbicidal properties, being an efficient barrier on the way of incoming microbial agents.

Nevertheless, the protective function of the gastric juice is flexible, depending on food habits and preferences, the volume of water consumed, and many other factors, including the state of gastric mucosa. In hypoacidic patients with chronic atrophic gastritis the defensive barrier of the gastric juice is seriously weakened.

In healthy individuals the medium concentration of microorganisms in gastric juice doesn’t exceed 103-105 cells per 1 g of gastric contents. Various groups of bacteria and fungi, such us Sarcina ventriculi, lactobacilli, sporeforming Bacillus subtilis, yeasts may be present there.

In the 1980s a causative agent of chronic gastritis and duodenum ulcer was discovered in gastric mucous layer and then isolated. This bacterium was named Helicobacter pylori according to its spiral form. It is motile microaerophil persisting in gastric mucosal membrane. The stomach of children is usually free of helicobacter but among adults almost 50% of humans are the carriers of Helicobacter pylori. About 30 species of Helicobacter are discovered to date, some of them may persist in humans.

In the duodenum and other parts of small intestine the pH of lumen contents becomes alkaline, thereby raising the opportunities for microbial propagation. However, the small intestine carries moderate amounts of microbes in the range of 104-108 cells per 1 g of contents with a gradual increase towards the large intestine. In upper parts of the intestine lactobacilli and enterococci are found, in cecum the fecal microflora prevails.

The large intestine is literally overwhelmed with bacteria. About one-third of the dry weight of feces is made up of microbial bodies.

In distal parts of the bowel (sigmoid colon and rectum) about 1011 microbial cells per 1 g of feces are determined.

Strict anaerobes dominate within the large intestine comprising 96-99% of total microbial mass.

Among them are non-sporeforming gram-negative anaerobic bacteria (genera Bacteroides, Prevotella, Bilophila, Porphyromonas, Fusobacterium), anaerobic sporeforming clostridia (Clostridium perfringens), anaerobic gram-positive peptostreptococci, anaerobic lactobacilli and bifidobacteria.

The minority of facultatively anaerobic bacteria comprises the strains of E. coli and other coliform bacteria, Enterococcus fecalis, candida fungi and some others.

Normal microflora of the large intestine supports many important physiological functions of the bowel.

For instance, bifidobacteria and lactobacilli are the natural antagonists of pathogenic enteric microflora like salmonellas and shigellae.

Non-sporeforming gram-negative anaerobic bacteria play a significant role in food digestion, transforming carbohydrates and other nutrients into short-chain fatty acids that are used by the host as the substantial source of energy. These bacteria also stimulate local intestinal immune response and support intestinal colonization resistance that hinders pathogenic bacteria to attach and colonize the intestinal wall.

Similarly, Clostridium perfringens produces a number of digestive enzymes (e.g., proteases and lipases) E. coli and some other species synthesize the essential vitamins (primarily, of the groups B and К).

However, in case of intestinal damage by trauma or inflammation all these bacteria cause a serious pathology of the human body. For instance, the members of genera Bacteroides (mainly, Bacteroides fragilis), Fusobacteria, Prevotella, or Bilophila as well as E. coli actively participate in many infalmmatory disorders. They are found in acute appendicitis, postoperative infectious complications within the peritoneal cavity (abscesses and peritonitis), inflammatory diseases of the gastrointestinal tract, and in the emergence of sepsis.

Likewise, a long indiscriminate use of antibiotics especially of broad spectrum of action suppresses normal gut microflora, resulting in dysbiosis of the intestine. In these cases candida fungi are most commonly registered. Serious complications after long-term antibiotic treatment followed by dysbiosis are provoked by Clostridium difficile that cause antibiotic-associated diarrhea and severe antibiotic-associated pseudomembranous colitis with the deep damage of the intestinal wall.


Diskusia

We applied the 16S rRNA tag pyrosequencing strategy of Sogin et al. [39] to characterize bacterial populations in the distal human gut, which constitute the predominant community of the human microbiota and one of the most densely populated microbial habitats on Earth. This approach revealed both the pervasive effects of an antibiotic that is considered to be relatively benign for the gut microbiota, and the resilience of the human gut microbiota following perturbation. As shown with marine, soil, and macaque gut samples [39,42,45], massively parallel pyrosequencing permits the exploration of microbial diversity in complex communities to an unprecedented depth. In comparison to clone libraries and traditional dideoxy sequencing, tag pyrosequencing detects more taxa, and provides more-accurate estimates of the relative abundance of a large number of moderate- and low-abundance taxa. Such data will facilitate better ecological studies of the human microbiota, with immediate clinical application. For example, the composition of the microbiota at the start of antibiotic treatment may determine the likelihood of pathogen overgrowth and life-threatening antibiotic-associated diarrhea (AAD) [72,73] investigation of this hypothesis will depend on comprehensive characterizations of the community over time, including both rare and abundant taxa. Of the four bacterial pathogens associated with severe AAD, tags matching Klebsiella oxytoca and Clostridium perfringens were detected rarely in the current study (nine tags in two subjects and one tag, respectively) tags matching Clostridium difficile or Staphylococcus aureus were not found. The rarity of these pathogens and the absence of severe AAD in the current study is not surprising, since only a small number of healthy young adults were involved. It would be of tremendous interest and practical value to conduct a similar study of stool samples collected over time from elderly patients in hospitals or long-term care facilities, which have higher frequencies of both antibiotics use and serious complications from such use.

Cp is reported to have a lower rate of common gastrointestinal side effects than some other broad-spectrum antibiotics, and effects on gut microbial diversity (as detected by a low resolution “fingerprinting” technique) were less pronounced for Cp than for clindamycin or amoxicillin-clavulanic acid [25]. Nonetheless, the relative abundance levels of about 30% of the taxa in the gut were affected by Cp treatment when the comparison was made across all individuals, and additional taxa were found to respond to Cp within a single participant. Some of these changes may be direct effects of varying sensitivity to the antibiotic among the taxa comprising the gut microbiota. The refOTUs that increased in relative abundance following Cp treatment may represent taxa with intrinsic resistance to the antibiotic, strains that are typically Cp-sensitive but that had already acquired resistance prior to this study, or strains that developed Cp-resistance due to the current exposure. However, many of the changes in the community are likely to be explained by indirect effects, mediated by ecological interactions among taxa such as resource competition, cross-feeding, or the cooperative lysis of polymeric substrates [74,75].

Despite a pervasive disturbance of the gut microbiota, gut function remained normal as assessed subjectively by the participants, and the community composition in samples taken 4 wk after treatment were within the range of temporal variability of pretreatment samples. While the current study did not include samples showing the temporal features of the return of the community to its prior state, a pyrosequencing-based investigation of this rapid transition in a complex community is clearly of interest, and is continuing in our laboratory. The apparent continuity of gut function supports the hypothesis that the diversity of the microbial community provides functional redundancy [2]. At the same time, continuity in the predominant metabolic activity of the community, i.e., hydrolysis and fermentation of polysaccharides, does not necessarily imply the continuity of more specialized activities [7,76] such as bile transformation [77], immune modulation [9,78], or pathogen resistance due to specific inhibition [79,80]. Yet, the rapid return of the gut community to its pretreatment state in each individual suggests that not all communities supporting similar functions are equivalent. A quantitative examination of the metabolic transformations and host interactions of the gut microbiota during perturbation will be necessary to assess functional stability. In addition, it will be important to examine the microbiota at different sites within the intestinal tract in order to appreciate possible local antibiotic effects that are not revealed in fecal specimens. Epidemiological studies associating antibiotic-induced changes in the gut microbiota with chronic diseases [15,81] suggest that some consequences of community change may not be evident immediately.

An investigation into the factors responsible for community resilience is warranted. A mixture of selective forces intrinsic to the community (e.g., a competitive hierarchy based on relative growth rates and substrate affinity or interference mechanisms) and imposed by the environment (e.g., composition of the diet and of host-derived substrates) is likely to be involved, but nonselective forces such as re-colonization of the gut lumen from protected environments (perhaps the mucosa) must also be considered.

The current study can be compared to that of Young and Schmidt, who investigated changing bacterial populations in stool samples from a single patient with self-resolving AAD subsequent to amoxicillin-clavulanic acid treatment [82]. These investigators noted the complete absence of sequences from Clostridium cluster XIVa on the fourth day of antibiotic treatment (down from 20% on day 0) and a reduction from 33% to 15% of sequences affiliated with the genus Faecalibacterium these two groups include the majority of butyrate-producing bacteria in the human gut [83]. (Butyrate is the preferred energy source of colonocytes.) In contrast, none of the participants in the current study experienced AAD. Kým Faecalibacterium refOTUs declined in all participants in response to Cp, each individual had other refOTUs with dominant tags exactly matching known butyrate-producing organisms that maintained or increased their abundance during Cp treatment (e.g., V3_Roseburia_refOTU_1 in individual B matches Butyrivibrio fibrisolvens and Roseburia intestinalis [84], V3_Anaerostipes_refOTU_1, in individuals A and C, matches the unnamed butyrate-producing strains SS2/1 and SSC/2 [85]).

Although the community as a whole showed a substantial return to the pre-Cp composition within 4 wk of the end of Cp treatment, there were examples of taxa that were affected by Cp and did not recover. V3_Clostridiales_refOTU_23 was the 41st and 52nd most abundant taxon before Cp treatment in individuals A and C, respectively, and present in all pre-Cp samples (means of 206 and 158 tags per sample) it was completely absent from all samples after the start of Cp treatment. This refOTU includes perfect matches to clones obtained from the human gut and from swine manure lagoons, but none to a cultivated bacterium. The most similar cultivated species are Clostridium piliforme and C. colinum , both zoonotic pathogens. V3_Bilophila_refOTU_1 was the 82nd and 79th most abundant pre-Cp refOTU in individuals A and C (means of 60 and 91 tags/sample) it was reduced to an average of less than two tags per sample after Cp treatment began. V3_Bilophila_refOTU_1 responded differently in individual B, in whom it was absent from the Cp-associated sample but subsequently rebounded to pre-Cp levels. The dominant tag of this refOTU exactly matches Bilophila wadsworthia, a common gut microbe that is frequently isolated in cases of appendicitis and from intestinal and extraintestinal abscesses [86]. The clinical significance of these persistent Cp-induced changes is unknown, but some gut bacteria are known to have important health effects despite being present at moderate or low abundance. For example, Oxalobacter formigenes is the most important known oxalate degrader in the human gut, an activity associated with a reduced risk for the development of calcium oxalate kidney stones [22]. O. formigenes is found at low abundance in most children, but is absent from many adults, which is generally attributed to its susceptibility to many antibiotics [22]. Tags matching O. formigenes were not detected in the current study.

Certain abundant taxa responded differently to Cp in different individuals, as shown in Figure 8. This result is not surprising when we consider that antibiotic resistance, even high-level Cp resistance resulting from chromosomal mutations [87], can be acquired far more rapidly than the rate of evolutionary change in the 16S rRNA gene. Although the participants had not taken any antibiotics in the year prior to the study, their earlier exposure to Cp or other antibiotics is unknown. Once established, antibiotic resistant strains can persist in the human gut for years in the absence of further antibiotic use [28]. Another potential explanation for divergent Cp responses of the same refOTU between individuals is the existence of indirect effects the response may be mediated by ecological linkages that differ between individuals.

As shown in the companion paper of Huse et al. [48], the inferred bacterial community composition in these samples at taxonomic levels from phylum to genus was very similar, whether based on tags from the V6 or V3 variable regions or on full-length 16S rRNA sequences. All three techniques involve PCR amplification, and hence could fail to detect certain phylogenetic groups or lead to skewed levels of tag or sequence relative abundance with respect to the starting material [88,89]. However, the similarity of the results obtained from three distinct sets of primers suggests that the PCR bias of these primers (and the cloning bias for full-length sequences) for the bacterial taxa present in this habitat is minimal. The interpretation of these results as a measure of the relative abundance of cells in the gut habitat must still be made with caveats regarding differential cell lysis and the unequal numbers of rRNA genes per genome, as for any 16S rRNA-based technique [88,89].

Clearly, full-length sequences will provide the highest possible phylogenetic resolution for any genetic locus. However, pyrosequencing tags from either of two carefully chosen, short variable regions of the 16S rRNA gene have sufficient resolution to reveal taxonomic richness that exceeds any previously observed for samples of host-associated microbial communities, even though most diversity in these habitats is concentrated at the species and strain level [2,29]. This success occurred despite our use of reference databases to define OTUs, which necessarily constrained the resolution of tag pyrosequencing to the diversity already represented in public 16S rRNA sequence databases. A more accurate assessment of microbial diversity that accounts for the novel 16S rRNA variants discovered by pyrosequencing will depend on defining OTUs with reference to the tags themselves (e.g., using tag sequence divergence), with appropriate treatment of potential pyrosequencing errors. A high proportion of tags in the current study have an exact match in the database, due to the substantial sequencing effort that has already been directed to the human gut microbiota [7,30,90]. Hence, the constraint of defining OTUs with respect to a database is not as severe for this habitat as it may be for others [39,42]. However, the limitations of full-length 16S rRNA sequence surveys for discovering rare members of the gut biosphere are demonstrated by the contrast between the abundant tags in this study, almost all of which have an exact match in the database, and rare tags, which occur at a range of distances from their nearest database match (Figure 1).

This study has confirmed the existence of more than 5,600 bacterial taxa in the human gut, exceeding earlier predictions made on the basis of nonparametric richness estimators and full-length 16S rRNA sequencing studies [29,30], but the presence of singleton OTUs in our data leads to a still larger predicted richness for this habitat. As has long been appreciated, the highly uneven abundance distribution among taxa in this community (Figure 1, Dataset S3) hampers the identification of rare taxa via traditional sequencing approaches. However, coverage values exceeding 99% for our V6 and V3 data correspond to estimates that fewer than 1% of all detectable 16S rRNA tags in these samples belong to taxa that have not yet been detected. Individually, any of the rare, unobserved taxa in these samples are unlikely to exceed 0.001% of all 16S rRNA genes, the relative abundance at which we have roughly 99% confidence of detection. Because so many distinct reference tags are matched exactly by the tags obtained in this study, we conclude that a large number of bacterial taxa previously identified as gut inhabitants in a range of previous 16S rRNA sequencing studies can be present simultaneously or sequentially in a single individual, albeit at widely varying abundance. As suggested in a recent revision to the maxim of Baas Becking, “Everything may be everywhere, but not in equal amounts” [91]. This result challenges microbial ecologists to account for persistent differences in the composition of the microbiota between individuals, either by ongoing selective forces that vary among individuals such as diet and host genotype, or by factors such as founder effects and specific mutualistic interactions that stabilize community composition. However, any explanation will also have to account for the temporal variability shown by some taxa, and the resilience of the community to perturbations involving a significant fraction of its constituent populations.