The effects of incubation on the microbial growth on the eggshells of the Eurasian magpies (Pica pica)

Abstract

포란은 열을 전달할 뿐만 아니라 적절한 습도를 유지하게 하고 골고루 알을 굴림으로써 미생물의 양과 구성을 조절한다. 이러한 특성은 병원성 미생물이 알에 침투하여 알 속의 새끼가 죽음에 이르는 것을 방지하기 때문에 중요하다. 하지만 기후조건이 알 표면 미생물에 대한 포란의 기능에 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고 이와 관련된 연구는 아직 미비하다. 본 연구에서는 유럽(스페인, 노르웨이)과 동아시아 (한국) 의 까치 알을 대상으로, 지역이나 기후에 따라 까치의 알 표면 미생물에 대한 포란 효과가 어떻게 다른지에 대해 조사하였다. 까치의 번식기 동안 한국은 따뜻하고 습했으며, 노르웨이는 기온이 낮았고 스페인은 건조한 특징을 나타냈다. 세 지역은 기후의 차이뿐만 아니라 둥지재료에서도 차이가 발견되었다. 식물의 잔가지나 지푸라기로 만 둥지를 짓는 스페인이나 노르웨이에 비해 한국 까치는 둥지재료로 깃털과 솜과 같은 보온성 물질을 많이 사용하는 편이다. 실시간 유전자 증폭 방법 (Real-time PCR)을 이용하여, 전체 미생물과 세 종의 병원성 미생물 (Escherichia coli, Candida albicans, and Pseudomonas syringae), 비병원성 미생물 한 종 (Bacillus subtilis)의 양을 비교하였다. 그 결과, 지역마다 미생물의 성장 패턴이 다르게 나타났다. 이는 병원성 미생물을 저해하는 포란의 기능이 보편적이지 않으며 환경적인 조건이 알 표면 미생물 성장에 대한 포란 효과에도 영향을 줄 수 있음을 시사한다. 그리고 세 지역에서 포란 전 후의 미생물 양의 변화가 다른 것을 확인할 수 있었다. 전반적으로 포란 전 초기의 미생물 양이 한국에서 가장 많은 것으로 보여졌다. 이는 둥지재료로부터 박테리아를 얻을 수 있다는 이전 연구 결과를 고려해 볼 때, 둥지재료의 차이 때문일 가능성이 있다. 즉, 노르웨이나 스페인에 비하여 한국의 까치 알이 보다 다양한 둥지재료로부터 여러 미생물들에 노출될 수 있기 때문이다. 또한, 미생물의 양이 기후의 영향을 받는 다는 것을 알 수 있었다. 이로운 역할을 하는 미생물인 Bacillus subtilis가 스페인의 까치 알 표면에서 포란 후에 크게 증가했다. Bacillus는 온도가 높고 습도가 낮은 조건에서도 잘 자란다고 알려져 있는데, 실험을 진행한 세 지역 중에서 포란 기간 동안 스페인의 기후가 가장 많이 건조해지고 따뜻해졌다는 것을 고려해볼 때 지역적인 기후가 특정한 알 표면 미생물의 성장에 영향을 준 것으로 보여 진다. 이러한 결과를 토대로 어미의 포란 말고도 알이 노출되는 주변 환경(환경적 기후 혹은 둥지 재료 등)이 알 표면 미생물의 양과 성장에 영향을 줄 수 있다는 결론을 내린다.;Avian incubation behavior, by warming the eggs and drying the egg surface, is able to control the abundance and composition of microbes on the eggshell which is important for the survival of embryos. Although the environmental conditions such as ambient temperature and humidity can influence the role of incubation on the change in microbial abundance on the eggshell, this possibility has not been rigorously tested. In this study, I investigated whether the effect of incubation on the microbial abundance on the eggshells of Eurasian magpies (Pica pica) differs among the localities with different climatic conditions. I compared the microbial abundance change during incubation on the magpie eggs in Korea where the ambient temperature is fairly constant during the incubation stage of magpies whereas the humidity decreases slightly, Norway where the ambient temperature is low during the incubation stages, and Spain where ambient temperature is high and humidity steeply decreases during the incubation stage. These localities differ not only in the climates but also in the nest cup contents with Korean magpie nests contains a lot of insulating materials. Through real-time PCRs to assess the loads of total bacteria, three pathogenic microbes (Escherichia coli, Candida albicans, and Pseudomonas syringae) and one non-pathogenic microbe (Bacillus subtilis), I found that microbial growth patterns were different among the localities. This result indicates that previously described role of incubation to suppress the growth of pathogenic microbes may not be universal and the environmental conditions are important to define the role of incubation on eggshell microbial abundance. The three localities differed in the abundance of microbes both before full incubation (on day 3 after the first-egg laying) and after the full incubation (on day 18). In general, the microbial abundance on the eggshell on day 3 was the highest in Korea than in Norway or Spain. This may be due to the nest cup content; Korean magpie nests contain soft materials such as cotton or feathers while rootlets, thin twigs and dry grasses are used in Norway and Spain. Thus, Korean magpie eggs are in direct contact with more diverse sources of different microbes whereas Norwegian and Spanish magpie eggs are in contact with plant materials only, and this may have caused the difference in microbial load at early stage of incubation. When the effect of localities on the microbial abundance on the eggshell was statistically controlled for, climatic variables such as average temperature and relative humidity experienced by each nest were not important in the microbial abundance. The difference patterns in the microbial growth on the eggshell among the localities were similar across different taxa of microbes except B. subtilis. The growth of B. subtilis on the eggshell was the greatest in Spain. It has been known that bacteria belong to the genus Bacillus grows in drier environment than most of other microbes that proliferate in damp and warm environments. Considering that the climate in Spain is drier compared to other populations, higher growth of Bacillus in Spain seems to be due to the climate conditions rather than the effect of incubation itself. Based on these results, I conclude that environmental conditions of different localities shape the microbial abundance on eggshells by determining the sources of microbes that come to contact with the eggs and/or affecting the differential growth among the microbes. This effect was strong enough and the effect of local environment to which each nest is exposed to was not important. In addition, the effect of incubation does not seem to differ among the localities. However, in this study, the incubation effort was not measured and it is possible that the breeders in different regions adjust their incubation effort based on the climatic conditions they experience. Thus, future studies should attempt to directly quantify the incubation effort when analyzing the change in the microbial abundance on the eggshells of birds.