Señales químicas, bacterias y ectoparásitos en aves
- Autores: Mónica Mazorra Alonso
- Directores de la Tesis: Juan José Soler Cruz (codir. tes.), Juan Manuel Peralta Sánchez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2023
- Idioma: español
- ISBN: 9788411951098
- Número de páginas: 280
- Tribunal Calificador de la Tesis: María del Pilar López Martínez (presid.), Antonio Manuel Martín Platero (secret.), Ursula Höfle (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
- español
El estudio de las relaciones ecológicas entre las bacterias (i.e. microbiota) y los eucariotas es fundamental para entender la evolución de los animales (McFall-Ngai et al., 2013). Estos microorganismos establecen relaciones en ocasiones muy complejas con los animales, siendo fundamental su papel en procesos patogénicos, simbióticos o mutualistas (Steinert et al., 2000), así como en la fisiología, el desarrollo, la morfología, e incluso el comportamiento animal (Clemente et al., 2012; Douglas, 2009; LeBlanc et al., 2013; Rosenbaum et al., 2015; Sherwin et al., 2019). Entre las interacciones y procesos ecológicos en los que pueden estar involucrados los microorganismos, una línea de investigación emergente en biología evolutiva es entender la importancia de la microbiota en los sistemas de comunicación química de sus hospedadores (Ezenwa & Williams, 2014). El metabolismo de las bacterias simbiontes genera productos químicos, algunos de ellos volátiles, que influyen en el perfil de olor de los individuos. Además, la microbiota está íntimamente ligada tanto con el fenotipo como con la actividad fisiológica del individuo (Leclaire et al., 2017; Theis et al., 2013;Whittaker et al., 2019) y, por tanto, los volátiles de origen bacteriano formarán parte de las características de las señales y pistas emitidas por los animales que quedan a disposición de conespecíficos y heteroespecíficos.
La importancia de los microorganismos en la comunicación química animal fue descrita por primera vez en la hipótesis de la fermentación en la década de 1970 (Albone et al., 1974, 1978). Esta hipótesis originalmente se propuso para explicar los olores de las secreciones de las glándulas de mamíferos, sugiriendo que la variación en la comunidad bacteriana del hospedador genera variaciones en el perfil de olor del individuo que funcionarían como pistas de reconocimiento entre conespecíficos. En la actualidad, esta hipótesis se aplica a cualquier perfil químico (olor) que pueda ser consecuencia del metabolismo bacteriano asociado a un hospedador y que, por tanto, puede operar en escenarios de comunicación química. Se han descrito evidencias del papel bacteriano en la contribución de los olores del hospedador en un amplio rango taxonómico, que incluye no solo a mamíferos (Leclaire et al., 2017; Theis et al., 2013), sino también a insectos (Engl & Kaltenpoth, 2018; Schmidtberg et al., 2019; Sharon et al., 2010), anfibios (Brunetti et al., 2019) y aves (Law-Brown, 2001; Martín-Vivaldi et al., 2010; Whittaker et al., 2019). Por lo tanto, estos olores son información pública que pueden ser usados tanto por conespecíficos como por heteroespecíficos. Especialmente interesante son aquellas pistas que pueden ser usadas por receptores no deseados como depredadores y/o parásitos, ya que estas interacciones conllevan costos para los hospedadores. No solo las bacterias que están íntimamente asociadas al hospedador (microbiota) pueden generar olores, sino también aquellas bacterias asociadas al ambiente donde los animales viven y/o se reproducen; en el caso de las aves, el nido. Las bacterias de los nidos de las aves metabolizan compuestos orgánicos que se acumulan entre los materiales durante la actividad reproductiva de las aves y, por lo tanto, se han sugerido como responsables de los volátiles asociados con el ambiente de los nidos (es decir, los olores de los nidos). Dado que los ectoparásitos utilizan principalmente el olfato para detectar a sus huéspedes (Bowen, 1991; Poldy, 2020; Reneerkens et al., 2005; Takken & Knols, 1999; Zwiebel & Takken, 2004), las bacterias simbiontes asociadas a los nidos de las aves y los volátiles de su metabolismo deberían influir en la probabilidad de que los parásitos detecten dichos nidos y, por tanto, en las presiones de selección del parasitismo que sufren los pollos.
En esta tesis, exploramos esta hipótesis, lo que implica la existencia de dos tipos de asociaciones: (A) que los volátiles del ambiente del nido y las bacterias de los materiales de los nidos, así como los volátiles y las bacterias de las secreciones de las aves deben estar relacionadas entre sí; y (B) que tanto los volátiles como las bacterias deben asociarse con la probabilidad y/o la intensidad de ectoparasitismo que sufren los individuos. Además, en esta tesis prestamos especial interés en el conocimiento de taxones bacterianos y volátiles específicos que se relacionen entre sí, y que puedan tener efectos en la probabilidad de ectoparasitismo sufrido por las aves y/o que afecte a su éxito reproductor. Estas relaciones estudiamos en primer lugar mediante una revisión bibliográfica y experimentalmente a nivel intraespecífico en abubillas y en un estudio interespecífico con varias especies de ave.
Las hembras y pollos de abubilla (Upupa epops) albergan una compleja comunidad bacteriana responsable de la emisión de compuestos químicos volátiles producidos por la secreción de su única glándula exocrina, el uropigio (Martín-Vivaldi et al., 2010). Las abubillas no construyen nidos, prefiriendo reutilizar agujeros o cajas nido que contienen restos de materiales reproducciones anteriores de conespecíficos o de otras especies de aves (Hoffmann et al., 2015; Martín-Vivaldi et al., 1999). El ambiente bacteriano de los materiales del nido de reproducciones previas afecta a la microbiota de la glándula uropigial de las hembras de abubilla (Díaz-Lora et al., 2019). Para testar esta hipótesis, manipulamos experimentalmente el entorno bacteriano del nido de abubillas. El experimento consistió en la instalación de cajas nido nuevas a las que pusimos material de cajas nido antiguas en las que el año anterior se habían reproducido de forma exitosa abubillas, y que previamente autoclavamos (nidos experimentales) o no (nidos controles). En cajas controles y experimentales que las abubillas utilizaron para reproducirse, analizamos la microbiota del material del nido y de las secreciones de la glándula de hembras y pollos, así como el perfil de volátiles del nido y de la secreción. Además, exploramos estas relaciones en dos momentos de la estancia de los pollos en el nido: al principio, cuando los pollos no tienen desarrollada la glándula y la hembra aún pasa tiempo en el nido; y en el último tercio de dicha estancia, cuando todos los pollos tienen plenamente desarrollada la misma. Estimamos la intensidad de parasitismo tanto de un ectoparásito hematófago (Carnus hemapterus) en los pollos, como de piojos de plumas (suborden Mallophaga) en las hembras. C. hemapterus es una mosca generalista que busca de forma activa nidos en plena reproducción (Calero-Torralbo et al., 2013; Martín-Vivaldi et al., 2006) y, muy probablemente, los volátiles de los nidos les sirvan como pistas para encontrar a sus huéspedes. Por otra parte, los piojos masticadores solo los encontramos en las hembras y no en los pollos. Estos parásitos se alimentan masticando áreas blandas de las plumas y la piel, y succionando sangre cuando provocan un sangrado (Agarwal et al., 2011; Mester, 1977). En el caso de las abubillas estos ectoparásitos se colocan en las plumas de la cresta donde están más protegidos del acicalamiento que realizan las aves.
Los resultados mostraron que el material de nido recogido durante la reproducción de abubillas en cajas experimentales presentaba menos densidad y diversidad bacteriana, y mayor diversidad de volátiles que el de los nidos controles. Además, la intensidad de parasitismo (i.e., número de picaduras) detectado en los pollos que se desarrollaban en cajas experimentales fue menor que el encontrando en pollos nacidos en cajas controles. De acuerdo con la primera parte de la hipótesis, encontramos que las comunidades microbianas de secreciones uropigiales y de materiales de los nidos covariaron con sus perfiles volátiles, mientras que el perfil volátil de las secreciones explicó el perfil volátil del nido. Apoyando la segunda parte de la hipótesis, encontramos una asociación positiva entre la densidad bacteriana del material del nido durante la fase de pollos y la intensidad del ectoparasitismo que solo fue puesto de manifiesto en las cajas nido experimentales con material autoclavado. Por último, algunos de los volátiles y bacterias detectados en el material y el ambiente del nido, así como en las secreciones se asociaron con la intensidad del ectoparasitismo de las hembras y los pollos, y con el éxito de vuelo. Estos resultados sugieren un vínculo entre la comunidad de microorganismos de los restos de material del nido y la intensidad del ectoparasitismo. Además, respaldan la existencia de una relación estrecha entre las comunidades microbianas y los olores de los animales y del nido. En su conjunto sugieren que, en abubillas, las asociaciones entre las bacterias y tanto el ectoparasitismo como el éxito reproductivo están mediadas por volátiles de origen bacteriano.
También probamos nuestra hipótesis explorando la variabilidad interespecífica en ambientes microbianos y perfiles de volátiles de nidos de diez especies de aves, recogiendo información de bacterias, volátiles y ectoparasitismo al principio y al final del período de estancia de los pollos en el nido. De acuerdo con la hipótesis, (i) la diversidad alfa de las comunidades bacterianas (la diversidad de la comunidad) se asoció con el perfil de volátiles del entorno del nido, aunque esta asociación dependió del índice de diversidad utilizado y del momento de muestreo de los pollos. Además, (ii) la diversidad beta (las diferencias de diversidad entre muestras) basada en las distancias PhILR explicó el perfil de volátiles, pero sólo en la fase tardía de los polluelos. Por otra parte, (iii) la diversidad alfa de los volátiles se asoció con la intensidad de parasitismo en la fase inicial de los pollos, mientras que la diversidad alfa de la comunidad bacteriana y la diversidad beta de los volátiles se relacionaron con la intensidad del parasitismo de los pollos al final de su periodo de estancia en el nido. (iv) Sólo la diversidad alfa de la microbiota del nido al principio del periodo de nidificación explicó el éxito de vuelo (porcentaje de pollos que sobreviven desde el primer al segundo muestreo). Por último, (v) la abundancia de algunas bacterias y volátiles clave aparecieron fuertemente relacionadas entre sí y, algunos de esos elementos resultaron asociados con la intensidad del parasitismo y, en menor medida, con el éxito del vuelo. En conjunto, estos resultados también respaldan los vínculos esperados entre el ambiente microbiano y los olores de los nidos en diferentes especies de aves, y entre ellos y la intensidad del ectoparasitismo y el éxito de vuelo.
Aunque los resultados variaron dependiendo de los índices de diversidad utilizados para la caracterización de los perfiles de volátiles y de las comunidades de bacterias, así como del momento del muestreo (al principio o al final del periodo de estancia de los pollos en el nido), de la especie de estudio y de los elementos (bacterias o volátiles) considerados, los resultados presentados en están tesis apoyan la hipótesis de trabajo. Por tanto, concluimos que las comunidades de bacterias asociadas a los nidos de las aves son parcialmente responsables de los perfiles de volátiles de los mismos y del riesgo de parasitismo y éxito de vuelo de los pollos que crecen en ellos.
- English
The study of ecological relationships between bacteria (i.e. microbiota) and eukaryotes is essential to understand the evolution of animals (McFall-Ngai et al., 2013). These microorganisms usually establish complex relationships with animals, paying a key role in pathogenic, symbiotic or mutualistic processes (Steinert et al., 2000), as well as in animal physiology, development, morphology, and even behaviour (Clemente et al., 2012; Douglas, 2009; LeBlanc et al., 2013; Rosenbaum et al., 2015; Sherwin et al., 2019). Among the ecological processes in which microorganisms are involved, an emerging line of research is directed to understand the importance of the microbiota in the chemical signalling of their hosts (Ezenwa & Williams, 2014). The metabolism of symbiotic bacteria generates chemical volatiles, which should influence the odour profile of individuals. Furthermore, since the microbiota is closely linked to phenotypic traits and physiological activity of their hosts (Leclaire et al., 2017; Theis et al., 2013;Whittaker et al., 2019), volatiles of bacterial origin will be part of the chemical signals and cues of animals that inform con- or hetero-specifics of individual and environmental characteristics.
The importance of microorganisms in animal chemical communication was first described by the fermentation hypothesis in the 1970s (Albone et al., 1974, 1978). This hypothesis was originally proposed to explain the odours of mammalian gland secretions, suggesting that variation in the host bacterial community generates variations in the individual odour profile that would function as recognition cues between conspecifics. Currently, the hypothesis applies to any chemical profile (odour) that operate in scenarios of social communications and that may be a consequence of the metabolism of animals bacterial symbionts. Evidence for a bacterial role in the contribution of host odours has been described in a wide taxonomic range, including mammals (Leclaire et al., 2017; Theis et al., 2013), insects (Engl & Kaltenpoth, 2018; Schmidtberg et al., 2019; Sharon et al., 2010), amphibians (Brunetti et al., 2019) and birds (Law-Brown, 2001; Martín-Vivaldi et al., 2010; Whittaker et al., 2019). Therefore, these odours are public information that can be used by both conspecifics and heterospecifics including unwanted receptors such as predators and/or parasites. In addition, to bacteria that are closely associated with the host (microbiota), metabolism of those inhabiting the environment where the animals live and/or reproduce would also produce cues for parasites or predators looking for victims. Bacteria growing in bird nests can metabolize organic compounds from bird reproductive activity that accumulate within the nest environment and, thus, those bacteria have been suggested to be partially responsible of the nest-environment volatiles (i.e. nest odours). Since ectoparasites primarily use olfaction to detect their hosts (Bowen, 1991; Poldy, 2020; Reneerkens et al., 2005; Takken & Knols, 1999; Zwiebel & Takken, 2004). Consequently, the symbiont bacteria associated with bird nests and the volatiles from their metabolism should influence the probability parasites detecting these nests and, therefore, the strength of selection pressures of parasitism suffered by nesting birds.
In this thesis, we have explored this hypothesis, which implies the existence of two types of associations: (A) that volatiles of the nest environment and bacteria from nests material, as well as volatiles and bacterial of the secretions of avian must be related to each other; and (B) that both volatiles and bacteria should be associated with the probability and/or intensity of ectoparasitism suffered by nesting individuals. Furthermore, this thesis we pay special attention to detecting particular bacteria and volatiles that were related to each other as possible predictors of probability and intensity of ectoparasitism suffered by nesting birds and/or of fledgling success. I first review literature on these matters and, then, explore experimentally and empirically some predictions of the hypothesis both at the intraspecific level (mainly in hoopoes (Upupa epops) and at the interspecific levels.
In hoopoes, the uropygial gland of nesting females and nestlings harbour complex bacterial communities responsible of the emission of some volatile-chemical compounds (Martín-Vivaldi et al., 2010). Hoopoes do not build nests and prefer to reuse holes or nest boxes that contain remains and materials from previous reproduction (Hoffmann et al., 2015; Martín-Vivaldi et al., 1999). Moreover, the bacterial community of the nest materials from previous reproductions affects the microbiota of the uropygial gland of female hoopoes (Díaz-Lora et al., 2019). To test the hypothetical role of bacteria determining nest odours and parasitism, we manipulated the bacterial environment of the hoopoe nest. The experiment consisted of the installation of new nest boxes in which we included materials from old hoopoe nests. In half of the new nest boxes the added mater were (experimental nests) or were not (control nests) we previously autoclaved. Latter, in control and experimental boxes that hoopoes used to reproduce, we sampled and analysed the microbiota of the nest material and of gland secretions of females and nestlings, as well as the volatile profile of the nest and secretion. Furthermore, we explored these relationships at the beginning, when the nestlings have not developed the uropygial gland and the female still spends most of the time within the nest; and the end of the nestling period, when all the nestlings have fully developed the gland. Moreover, at these nestling stages, we estimated the intensity of parasitism of a hematophagous ectoparasite (Carnus hemapterus) in nestlings and of chewing lice (suborder Mallophaga) in females (only at the beginning of the nestling period). C. hemapterus is a generalist hematophagous fly that actively searches for avian nests (Calero-Torralbo et al., 2013; Martín-Vivaldi et al., 2006), and that likely eavesdrop on the volatiles from active nests to find and select their hosts. Chewing lice feed on soft areas of feathers and skin, and when they cause bleeding they also suck blood (Agarwal et al., 2011; Mester, 1977). In the case of hoopoes, these ectoparasites are only detected in females and are placed in the feathers of their crest where they are more protected from grooming.
Nest material collected during hoopoe reproduction in experimental nest-boxes presented bacterial communities of lower density diversity, and volatile profiles that more divers than that of the control nests. Furthermore, the intensity of parasitism (i.e., number of bites) detected in nestlings that developed in experimental nest-boxes was lower than that found in nestlings hatched in control nest-boxes. Consistent with the first part of the hypothesis, we found that the microbial communities of the uropygial secretions and of nest materials covaried with their volatile profiles, while the volatile profile of the secretions of females and nestlings explained the volatile profile of the nest. Supporting the second part of the hypothesis, we found a positive association between the bacterial density of the nest material during the nestling stage and the intensity of ectoparasitism an effect that was only evident in the experimental nest boxes with autoclaved material. Finally, some of the bacteria and volatiles respectively detected in the nest material and in the environment, as well as those detected in secretions, were associated with the intensity of ectoparasitism of females and nestlings, and with fledging success. These results suggest a link between the community of microorganisms in the nest materials and the intensity of ectoparasitism suffered by nesting birds. Furthermore, they support the existence of a close relationship between microbial communities and odours of animals and nests. Taken together, those results suggest that, in hoopoes, the associations between bacteria and both ectoparasitism and reproductive success are mediated by volatiles of bacterial origin.
We also tested our hypothesis by exploring interspecific variability in microbial environments and volatile profiles of nests of ten bird species. we collected information on bacteria, volatiles and ectoparasitism in nests, at the beginning and at the end of the nestlings stay. In accordance with the hypothesis, microbial alpha diversity (the diversity of the community) associated with alpha diversity of volatiles in interaction with bird species identity, but the results varied depending on the index and the sample (age of nestlings) used in the analyses. In addition, (ii) beta diversity (the differences of diversity between samples) of bacterial community based in PhILR distances explained the beta diversity of volatile profile but only at the late stage of nestlings. Moreover, (iii) alpha diversity of volatiles associated with intensity of parasitism at the early stage of nestling period, while alpha diversity of bacterial community and beta diversity of volatiles were related to intensity of parasitism at the end of the nestling period. (iv) Only alpha diversity of the microbiota of the nest material at the begging of the nestling period explained the fledging success. Finally, some key bacteria and volatiles that were related to each other also associated with intensity of parasitism and, at lower rate, with fledging success. Taking together, those results support the expected links between microbial environment and nest odours in different bird species, and between them and ectoparasitism intensity and fledging success. Future research should prioritize experimental approaches directed to determine the role of particular bacteria and volatiles in the outcomes of host-ectoparasite interactions.
Results presented in this thesis in general support the working hypothesis. Statistical support however varied depending on the diversity indices used to characterize the volatile profiles and bacterial communities, the time of sampling (at the beginning or at the end of the nestlings stay in the nest), the species under study and the used elements (bacteria or volatiles). Therefore, we conclude that the bacterial communities associated with bird nests are partially responsible for their volatile profiles and the risk of parasitism and fledging success of the nestlings.
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