Eggshell microbial communities and their effects on hatching rate in the Oriental Magpie (Pica serica)

Abstract

With the fast development of NGS techniques, the number of studies investigating the relationship between microbial communities between wildlife and their environment is rapidly increasing. Life history of birds, with the production of the embryo enclosed in the eggshell, poses a novel niche for microbes. The structure of microbial community on the avian eggshell has attracted the attention of researchers as it can influence the survival of the embryo. However, only a handful of studies concerned the origin of eggshell microbes. In this study, I examined the connection between the microbial communities formed on the eggshell and in the nest material that was in direct contact with the eggs and the relationship of eggshell microbes on the hatching rate in the Oriental Magpie (Pica serica). The microbial community was characterized by sequencing the V4-V5 region of 16s rDNA using NGS-based Illumina MiSeq platform and calculating the relative abundance of microbial taxa (down to genus level) based on OTU numbers. Five major bacteria phyla detected on the eggshell of magpies were Proteobacteria, Actinobacteria, Bacterioroidetes, Firmicutes and Acidobacteria. At the genus level, top five major bacteria were Pseudomonas, Massilia, Sphingomonas, Methylobacterium-Methylorubrum and Pedobacter. These results indicate that the microbes abundant on the eggshell of the Oriental Magpies are mainly the environmental microbes that thrive in resource-limited condition. Comparison of community compositions revealed that the carry-over of microbes between nest material and eggshell was low and the nest material and eggshell maintained distinct microbial community compositions throughout incubation, even though eggshell microbial community became more dissimilar after incubation. These results suggest the microbial communities on the eggshell and in the nest material go through independent changes and more dynamic community change appears to occur on the eggshell surface possibly due to the contact with maternal skin and feathers. Among the major microbial genera, the abundance of Sphingomonas on the eggshell was significantly and negatively correlated with hatching rate. Based on the lack of reports for pathogenicity of Sphingomonas in birds and its ability to degrade insecticides or herbicides, this negative correlation could be obtained due to parental exposure to the insecticides or herbicides sprayed in the study area. My results suggest that the maternal sources are important than the nest materials for the composition of microbiome on the eggshell surface of Oriental Magpies. ;NGS 기술의 발달로 환경을 포함한 미생물 집단과 야생 동물 사이의 관계를 밝히는 연구의 수가 빠르게 증가하고 있다. 새들의 life-history는 새끼단계 뿐 만 아니라 알 단계에서의 생존 또한 중요하게 여겨져야 하며, 알의 생존에 관한 연구는 미생물을 주요 연구대상으로 함께 다루고 있다. 본 연구에서는 까치(Pica serica) 알 껍질 표면의 미생물 군집 구조를 확인하고 까치알과 직접 접촉하는 둥지 재료 및 포란이 까치 알 미생물 군집에 영향을 줄 가능성이 있는지 확인하고자 했다. 그리고 난자의 사망률과 관련된 박테리아에 대한 연구는 가금류에서 처음 시작되었지만, 야생 조류들의 난자 사망률에 대한 연구는 부족한실정이기에 까치 알 껍질에 주로 서식하는 박테리아가 까치 알의 부화율에도 영향을 미칠 수 있는지도 함께 확인했다. 균에 의한 난자 감염은 난자의 사망률에 영향을 줄 수 있고, 이것은 부화율을 변화시킬 수 있다. 또한 알의 감염은 아직 발달이 되지 않은 상태에 있을 때 감염되기 쉽다. 따라서 포란 전 단계에서 서식하는 박테리아들의 풍부도와 부화율의 상관관계를 보았다. 미생물 집단은 NGS를 기반으로 Illumina Miseq을 사용했으며,16s rRNA의 V4-V5 영역에 대한 염기서열을 통해 확인했다. 그 결과 까치의 알껍질에 서식하는 박테리아들은 문수준에서 Proteobacteria, Bacteroidota, Actinobacteriota, Firmicutes를 가지고 있었다. 이들은 모두 일반적으로 조류의 알 껍질에서 나타나는 문수준의 박테리아들이다. 예외적으로 까치 알 껍질에서는 토양에 많이 존재하는 박테리아인 Acidobacteria라는 문수준의 박테리아가 나타났다. 둥지재료와 알 껍질은 맞닿아 있으나 서로 약간 다른 박테리아 군집을 가지고 있었다. 포란 전과 후 알 껍질에 대한 미생물 군집의 변화는 둥지재료의 미생물 군집변화보다 알 껍질에 서식하는 미생물 군집 변화가 더 크게 나타났다. 이러한 결과는 알 껍질 미생물 군집에 포란이 영향을 줄 가능성을 보여준다. 또한 부화율과 알껍질에 주로 서식하는 속수준에 해당하는 박테리아들의 상관관계를 확인했을 때, 스핑고모나스 (Sphingomonas)가 까치의 부화율에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났다. 즉, 포란 전에 스핑고모나스 (Sphingomonas)의 풍부도가 높을수록 까치의 부화율이 낮아질 가능성을 확인했다.