Новое исследование подтверждает то, о чем давно подозревали биологи: бактерии в кишечнике — а не только ферменты печени — «имеют решающее значение для того, чтобы травоядные животные могли питаться токсичными растениями», — говорит биолог Кевин Коль, постдокторский исследователь и первый автор статьи. опубликовано в Интернете сегодня в журнале Ecology Letters.По словам Коля и старшего автора исследования Дениз Диринг, профессора и кафедры биологии, изучение вудрокрыс, также известных как вьючные крысы, вызывает две проблемы:
Вымирающие виды могут потерять разнообразие кишечных микробов при выращивании в неволе. Когда их выпускают в дикую природу, оставляет ли это им возможность употреблять токсичные растения, которые когда-то были в их меню?Скот, такой как коровы, часто кормят антибиотиками, чтобы способствовать их росту. Уменьшает ли это их способность есть токсичные растения, такие как лосось, когда засуха сокращает количество пастбищных трав?
Изучение древесных крыс когда-нибудь может повлиять на методы ведения сельского хозяйства в засушливых регионах, где в изобилии распространены токсичные растения, такие как креозот и можжевельник. Теперь домашний скот не может пастись на этих дешевых источниках пищи. Может ли межвидовая трансплантация кишечных микробов помочь домашнему скоту расширить их обеденное меню? Коль говорит, что он хотел бы пересадить микробы кишечника древесных крыс овцам или козам, чтобы узнать, увеличивает ли это их толерантность к токсичной пище.
«Можжевельник расширяет свой ассортимент, и это вызывает обеспокоенность экологов и землеустроителей», — говорит он. «Фермеры заинтересованы в том, чтобы их овцы и козы ели можжевельник».Исследование финансировалось Национальным научным фондом. Диринг и Коль провели исследование с тремя другими преподавателями Университета Юты: генетиком человека Робертом Вайсом, биохимиком Джеймсом Коксом и биологом Колином Дейлом.
Развитие вкуса к токсинамМногие растения производят ядовитые химические вещества, которые они используют в качестве защиты от травоядных или травоядных животных.
Ядовитая смола покрывает листья креозотового куста; Токсины можжевельника содержатся внутри хвои можжевельника.Большинство млекопитающих — травоядные.
Некоторые сталкиваются с серьезными проблемами: их тела должны обрабатывать до сотен токсичных химикатов из растений, которые они потребляют каждый день. «Токсины растений определяют, какие растения могут съесть травоядные», — говорит Коль.Ферменты печени помогают животным выводить токсины из организма.
Ранее исследователи выделили микробы, разлагающие токсины, от травоядных, но Коль и Диринг говорят, что до сих пор у ученых не было убедительных доказательств общепринятого мнения: кишечные микробы также помогают некоторым травоядным поедать токсичные растения.В исследовании участвовали пустынные древесные крысы (Neotoma lepida) — сероватые грызуны, обитающие в пустынях западной части Северной Америки.
Древесные крысы каким-то образом приобрели новые кишечные микробы, разлагающие токсины, чтобы адаптироваться к изменениям климата и растительности, которые начались 17000 лет назад.«В результате естественного климатического явления в конце последнего ледникового периода юго-запад высох и образовались наши основные пустыни», — говорит Диринг. Креозот, который был уроженцем Мексики, двинулся на север в пустыню Мохаве и заменил там можжевельник, но не продвинулся дальше на север в пустыни Большого Бассейна.
Пустынные древесные крысы в Мохаве начали есть кусты креозота, а пустынные древесные крысы в Большом бассейне продолжали есть ядовитый можжевельник, к которому они приспособились раньше.Поначалу древние едоки можжевельника в Мохаве, вероятно, были плохо оборудованы, чтобы поедать вторгшийся креозот, но ученые полагают, что микробы ускорили их рацион питания.
Несмотря на то, что эволюционные генетические изменения у травоядных происходят медленно, они играют важную роль в адаптации к новым диетам. «Передача микробов, разлагающих токсины, от одного организма к другому происходит гораздо быстрее», — говорит Деринг.Как же сегодня вальдшнепы получают своих крошечных, но ценных помощников-бактерий?«Млекопитающие приобретают микробы во время рождения, контактируя с вагинальными и фекальными микробами своей матери», — говорит Коль. «Другие возможные места заражения микробов включают поверхность листьев, почву или фекалии, которые древесные крысы собирают у других животных».
Ускорение эволюции рациона с помощью фекальных трансплантатовВ более раннем исследовании исследователи из Юты показали, что древесные крысы, питающиеся креозотом из пустынь Сонора и Мохаве, имеют более высокий процент кишечных микробов, которые могут детоксифицировать креозот, в то время как у древесных крыс из Большого бассейна, питающихся можжевельником, набор кишечных бактерий отличается.В новом исследовании Деринг и его коллеги провели три эксперимента с использованием двух видов вудракс: поедателей можжевельника из пустыни Грейт-Бэзин и поедателей креозота из пустыни Мохаве.
Их поймали и держали в лаборатории на кроличьей диете.В первом эксперименте ученые изучили относительное содержание генов кишечных микробов в двух группах древесных крыс Мохаве, питающихся креозотами. Одну группу кормили кроличьим кормом, содержащим 1 процент креозотовой смолы, в течение двух дней, а затем кормили кроличьим кормом с 2 процентами креозотовой смолы в течение трех дней.
Контрольную группу кормили только кроличьим кормом. Кишечные микробы были удалены из передней кишки обеих групп древесных крыс. ДНК была выделена из микробов для идентификации генов, участвующих в детоксикации.
Ученые обнаружили, что диета вудрыса определяет состав ее кишечных микробов. «Млекопитающие адаптированы к токсинам растений, которые они едят», — говорит Коль. Кишки древесных крыс, питавшихся креозотом, кишели микробами, которые могут разлагать креозот, в то время как кишки не содержащих креозот крыс содержали только одну четверть уровня тех же кишечных микробов. Во втором эксперименте исследователи удалили кишечные микробы, чтобы подчеркнуть их роль в питании древесных крыс. Антибиотики убивают около 90 процентов кишечных микробов у животных, серьезно снижая их способность потреблять токсичные продукты.
Две группы древесных крыс предварительно обрабатывали антибиотиком неомицином в питьевой воде. Одна группа была переведена на диету из кроличьего корма и креозотовой смолы.
Поскольку их кишечные микробы были уничтожены антибиотиком, они не могли питаться креозотом и потеряли 10 процентов своего веса в течение 13 дней. Вторая группа ела только кроличью еду и не теряла в весе, показывая, что убийство кишечных микробов не повредило им, потому что они не ели токсичный креозот.В третьем эксперименте биологи существенно ускорили эволюцию, используя фекальные трансплантаты, чтобы быстро изменить популяции микробов, живущих в кишечнике лесных крыс. Они провели пересадку фекалий и показали, что приобретение новых микробов действительно помогло древесным крысам перейти на новую диету.
Лесные крысы естественным образом питаются фекалиями как собственных, так и других древесных крыс. Таким образом, в эксперименте лесные крысы Большого бассейна, поедающие можжевельник, получали кроличью еду, смешанную с фекалиями других поедателей можжевельника или древесных крыс Мохаве, поедающих креозот. Обе группы вудрейсов были подвергнуты испытанию на креозотовой диете.
После употребления в пищу фекалий — и, следовательно, кишечных микробов — поедателей креозота, люди, употребляющие можжевельник, продолжали соблюдать креозотовую диету в течение 11 дней, не теряя при этом большого веса. Тем не менее, 65 процентов едоков можжевельника, которые ели фекалии других едоков можжевельника, не получили микробы, выводящие токсины из креозота, поэтому они потеряли 10 процентов своего веса к 11-му дню креозотовой диеты.
Дело не в том, что эти лесные крысы отказались от еды с креозотом. Они ели столько же, сколько и древесные крысы, которых кормили фекалиями микробами, детоксицирующими креозот.
Вместо этого Коль и соавторы обнаружили, что, когда древесные крысы не получали трансплантаты микробов, детоксифицирующих креозот, их моча была более кислой, что свидетельствует о том, что их печень затрачивает много энергии на разложение токсинов креозота.Но у тех, кто ест можжевельник и употреблял фекалии креозотов, их недавно приобретенные кишечные микробы, вероятно, детоксифицировали большую часть креозота, сняв нагрузку с ферментов печени.