The world within: Quantifying the determinants and outcomes of a host's microbiome

The fungal, bacterial, and viral microbial communities embedded as endosymbionts within all free-living organisms are extremely diverse and encode the vast majority of genes in the biosphere. Microbes in a human, for example, account for 100 times more genes than their host; similar results are emerging for virtually all free-living organisms. Disease is the best studied host–microbe interaction, but endosymbiotic microbial populations and communities also are responsible for critical functions in their hosts including nutrient uptake (plants), reduction in inflammatory responses (animals), digestion (animals), anti-herbivore defenses (plants), and pathogen resistance. In spite of the tremendous diversity and functional importance of the microbial biome to free-living organisms, we have little predictive understanding of the biotic and abiotic factors controlling within-host microbial community composition or the spatial scales at which anthropogenic changes affect host and microbial community interactions and functions. Current research suggests that anthropogenic changes to nutrient supply and food web composition can affect biological systems at scales ranging from individuals to continents. However, while current studies are clarifying the effects of some of these drivers on the structure and functioning of ecosystems, we have far less knowledge of their effects on microbial communities residing within hosts. Given the accelerating progress in metagenome studies, we are poised to make rapid advances in understanding the determinants and effects of within-host microbial communities.

ZusammenfassungDie mikrobiellen Gemeinschaften von Pilzen, Bakterien und Viren, die als Endosymbionten in allen freilebenden Organismen leben, sind äußerst divers und repräsentieren die überwältigende Mehrheit der Gene in der Biosphäre. Die Mikroben in einem Menschen stehen für hundertmal mehr Gene als ihr Wirt, und ähnliche Ergebnisse zeigen sich für praktisch alle freilebenden Organismen. Krankheiten sind die am besten untersuchten Wirt-Mikrobe-Interaktionen, aber endosymbiontische Mikrobenpopulationen und -gemeinschaften sind auch verantwortlich für lebenswichtige Funktionen in ihren Wirten. Dazu gehören Nährstoffaufnahme (Pflanzen), Abschwächung von Endzündungsreaktionen (Tiere), Verdauung (Tiere), Abwehr von Herbivoren (Pflanzen) sowie Resistenz gegen Krankheitserreger. Trotz der ungeheuren Diversität und der funktionellen Bedeutung der Mikroben für freilebende Organismen erlauben unsere Kenntnisse kaum Vorhersagen zu den biotischen und abiotischen Faktoren, die die Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften im Wirt kontrollieren, oder zu den räumlichen Skalen auf denen anthropogene Veränderungen die Interaktionen und Funktionen von Wirt und Mikrobengemeinschaft beeinflussen. Gegenwärtige Forschungen legen nahe, dass anthropogene Veränderungen der Nährstoffversorgung und Nahrungsnetzzusammensetzung biologische Systeme auf Skalen beeinflussen können, die vom Individuum bis zu Kontinenten reichen. Indessen, während gegenwärtige Untersuchungen die Effekte einiger dieser Steuerfaktoren auf die Struktur und Funktion von Ökosystemen aufklären, haben wir viel geringere Kenntnisse zu ihren Einflüssen auf Mikrobengemeinschaften in ihren Wirten. Angesichts der sich beschleunigenden Entwicklung bei Metagenom-Studien, sind sehen wir schnellen Fortschritten im Verständnis der Steuergrößen und Effekte von in Wirten lebenden Mikrobengemeinschaften entgegen.