Förändrat mikrobiom hos fruktflugor kan driva evolutionära förändringar

Uttrycket "du är vad du äter" har fått ny mening. I ett experiment med fruktflugor, eller Drosophila melanogaster, forskare vid University of Pennsylvania har funnit att tillsats av olika arter av mikrober till flugornas mat fick befolkningen att avvika genetiskt, med stora genomiska förändringar på bara fem generationer.

"Vårt arbete tyder mycket på att mikrobiell gemenskapssammansättning driver, åtminstone delvis, hur organismerna de lever i utvecklas, "säger Paul Schmidt, en biolog på Penn och seniorförfattare på verket, som visas i journalen PNAS . "Det faktum att vi kan se denna effekt i experiment som gjorts under en så kort tidsskala tyder på att storleken på de fitnesseffekter som mikroberna har är otrolig."

Till skillnad från ett laboratorieexperiment, där alla möjliga aspekter av miljön kontrolleras, från genetiken hos själva flugorna till temperaturen och kosten, för att förstora skillnaderna mellan behandlingar genomfördes denna uppsättning experiment utomhus, på Pennovation Works på Penns campus. Inställningen speglar närmare naturen, beroende på väder, säsongsförändringar, även den udda spindeln eller fläcken av smuts som tränger in i höljena.

Faktumet att, trots den potentiella påverkan av dessa yttre faktorer, forskarna fann fortfarande att mikrobiomskiften har en signifikant effekt på genomerna hos flugpopulationer, gör fyndet ännu mer övertygande, Säger Schmidt.

Jag tycker att det är rättvist att säga att vi bevarade så mycket ekologisk realism som vi kunde på bekostnad av att upptäcka stora effekter. Vi har just flyttat det relativa överflödet av dessa mikrober i flugornas kost, och det var tillräckligt för att se en effekt. "

Paul Schmidt, Penn biolog

Schmidt och postdoktor Seth Rudman, huvudförfattaren på tidningen, utnyttjade det faktum att flugor har relativt enkla mikrobiomgemenskaper jämfört med andra organismer, som människor.

"Om du gör en undersökning av ett däggdjursmikrobiom, många av de bakterier du hittar i tarmen är okända, "säger Rudman." Men så är det inte med flugor. Det händer bara att Drosophila bara har cirka 100 arter i sitt mikrobiomgemenskap. "

Andra fördelar med fruktflugor för denna typ av studier inkluderar deras korta generationstid-man kan studera flera generationer på några månader-och det faktum att de kan födas upp till extremt höga befolkningsstorlekar. I detta fall, det innebar hundratusentals flugor i varje experiment.

Från tidigare arbete, forskare hade en aning om att mikrobiomet var kopplat till förändringar i flugans kondition. Flugor från nordligare breddgrader tenderar att ha fler Lactobacillus -bakterier som en del av deras mikrobiom, och lever också längre, har färre ägg och är mer toleranta mot stress. Fler sydliga befolkningar, å andra sidan, som tenderar att ha mer av bakterierna Acetobacter, hade kortare livslängd, mer ägg, och var mindre stress-toleranta. Arbetet i laboratoriet visade att exponering av flugor för dessa två typer av bakterier framkallade samma egenskaper.

Men kan mikroberna driva utvecklingen av hela flugpopulationer? För att testa det, Schmidt, Rudman, och kollegor utformade en experimentell installation för att manipulera flugornas mikrobiomer. De introducerade tusen flugor i var och en av flera utomhushöljen, 2 kubikmeter stora och prydda med marktäckare och ett persikträd. De varierade maten i några av höljena, komplettera den med antingen Acetobacter eller Lactobacillus.

Forskarna bekräftade att utfodringen förändrade mikrobiomen hos flugorna, fast bara lite. Det var nog, dock, att påverka deras gener. Att jämföra flugornas genom i början av studien till slutsatsen, efter fem generationer, laget kunde välja tydliga förändringar i frekvensen av vissa alleler-en variant av en gen-som överensstämde med vad som har setts i naturliga populationer av flugor.

"Vi fann att allelen som var vanligare i Lactobacillus -lösningsburarna också var den allel som är vanligare i norr, där Lactobacillus själv är vanligare, "säger Rudman." Och allelen som var vanligare i Acetobacter -burarna var också allelen som är vanligare i söder, där Acetobacter är vanligare. "

Till forskarna, att hitta hamrade hem betydelsen av mikrobernas inflytande.

"Slutsatsen är, mikrober driver snabb anpassning, "Säger Schmidt.

Huruvida den effekten kan översättas till människor och andra djur är en fråga för vidare studier, författarna säger, men många studier har betonat den kraftfulla effekten av mikrobiomet.

I framtida arbete, forskarna kommer att vända manuset, testa för att se om förändringar i flugornas genetiska profiler påverkar vilka mikrober som kan få fotfäste i deras mikrobiomer. Och de kommer också att undersöka djupare för att bestämma exakt hur det föränderliga mikrobiomet påverkar sin värd.

• Tarmbakterier kopplade till starkare muskler hos äldre
• Fästingar som nu bär flera sjukdomar,