Microbial ecology of amphibian skin

14 Pages·2013·1.89 MB·English

3/11/2013
Microbial ecology of amphibian 
skin
Ben Fitzpatrick
Ecology & Evolutionary Biology
University of Tennessee
Microbial ecology of amphibian skin
• The environment
• Cutaneous biodiversity
• Host defense and 
sseelleeccttiivviittyy
• Conflict and 
cooperation
3/11/2013 Ben Fitzpatrick, University of Tennessee
Microbial ecology of amphibian skin
• The environment
–Importance of skin in 
amphibian ecology
–Climate
–Skin structure
–Skin secretions
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Importance of skin in amphibian 
ecology
• Respiration
• Sensation
• Absorb/release HO
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• Heat exchange
• Cocoon in drought
• Chemical defense
• Concealment/warning
• Protection from abrasion 
& pathogens
(Stebbins and Cohen 1995)
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The environment: Climate
• Amphibians have limited 
capacity to 
thermoregulate
• Temperature and 
Humidityy
– Warmer, wetter 
environments: More 
bacteria
• pH
– Might be most important 
environmental variable in 
global diversity
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The environment: Skin structure
animalbiology101.tumblr.com 
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The environment: Skin structure
• Naked, permeable
• Stratum corneum: Outermost layer
• Sloughing continuous or episodic
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The environment: Skin secretions
• Mucus glands
– Moisture, lubrication, 
mechanical trap
– Mucins: gel‐forming 
glycoproteins
• Granular glands
– Pheromones
– Defensive compounds:
• Amines
• Steroids
• Alkaloids
• Peptides
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The environment: Review
• Skin a major interface in  • Microbes have to contend 
amphibian ecology with
• Constant contact with  – Sloughing (disturbance)
microbe‐rich media – Toxic secretions
• EExxtteerrnnaall eennvviirroonnmmeenntt  – Other microbes
probablyinfluential • Microbes might gain
– Abiotic – Enemy‐free space
– Biotic – Nutritious secretions
• Amphibian skin  – Opportunity for infection
structurally & chemically 
complex
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Cutaneous biodiversity
• Resident vs. transient 
microbes
• Growth forms
• AAbbuunnddaannccee
• Diversity within and 
among individuals
• Lauer et al. (2007)Copeia2007: 630‐640
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Cutaneous biodiversity
• Resident: 
– Grow/multiply on skin
– Consistent abundance
– Attached
• Transient
– Non‐reproducing
– Exogenous
– Lie free
• Composition of samples 
in rinse water significantly  • Lauer et al. (2007)Copeia2007: 630‐640
different from samples of 
remaining (attached) 
bacteria
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Cutaneous biodiversity
• Growth forms
–Distinct rods, cocci
–Smallmicrocolonies?
–No evidence of biofilms
• Lauer et al. (2007)Copeia2007: 630‐640
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Cutaneous biodiversity
• Abundance
• Plethodon cinereus
–Based on SEM (Lauer et 
al. 2007):
–Average 17 million per 
cm2
–Fairly even distribution
–Sometimes aggregated 
in/near glands
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Cutaneous biodiversity
• Abundance
• Rhinellamarina
–Based on cultivable plate 
counts (Meyer et al. 
2012):
–Average 0.5 to 2 million 
per cm2
–Depends on location 
(dorsal vs. ventral) and
time since moult
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Cutaneous biodiversity
• Composition (16s RNA)
Pond‐dwelling larvae 
(McKenzie et al. 2011)
‐100’s of OTU’s
‐Mostly ‐proteobacteria
‐Differences between 
salamanders (Ambystoma) 
and frogs (Rana, Pseudacris
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Cutaneous biodiversity
• Composition (16s RNA)
Pond‐dwelling larvae  Terrestrial 
(McKenzie et al. 2011) plethodontids(Allison
‐100’s of OTU’s 2012)
‐Mostly ‐proteobacteria ‐100’s of OTU’s
‐Differences between  ‐Mostly ‐proteobacteria
salamanders (Ambystoma)  ‐No consistent differences 
and frogs (Rana, Pseudacris) among Plethonjordaniand 
Desmognathusocoee
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Cutaneous biodiversity
• Plethodontidsin GSMNP • Human (Roth & James 1988)
– Nevskia() – Microccoci(Actinobacteria)
– Hydrocarboniphaga() – Staphylococci (Firmicutes)
– Koribacter(Acidobacteria) – Corynebacterium(Actinobacteria)
– Burkholderia() – Propionibacteria(Actinobacteria)
– PPseuddomonas(()) – AAciinettobbactter(())
• Pseudacristadpoles in AZ
– Curvibacter()
– Actinomycetales(Actinobacteria)
– Sphingomonas()
– Pseudomonadaceae()
– Nevskia()
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Cutaneous biodiversity
• Terrestrial 
plethodontidsin  0P-4.teya-2halee0 05
SimGiSlaMr N“sPpecies” to other  -4-2-20 P.jordani Axis 2-15-10-5 logs salamanders
moist surfaces in the  -0-4 D.ocoee -10 -5Axis 10 5
habitat -4-2
0 Rocks
Different variants within  -2
“species” -40 Logs 0
-2 -2
-4 -4
-4 -2 0-4 -2 0-4 -2 0-4 -2 0-4 -2 0
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Cutaneous biodiversity
• Terrestrial 
plethodontidsin 
GSMNP
Similarity of microbial 
ccoommmmuunniittiieess oonn 
salamanders depends 
more on proximity than 
species
I.e., interactions are 
diffuserather than 
specificor pairwise
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Cutaneous biodiversity
• Plethodontidsin 
GSMNP
Salamander skin and 
cover objects have very 
ssiimmiillaarr bbaacctteerriiaall 
community structure.
Specific strains or species 
differ between 
salamander skin and 
cover objects.
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Cutaneous Biodiversity: Review
• Distinct resident flora on  • Diffuse rather then specific 
amphibian skin interactions
• Millions per cm2: 10x to  – Subtle differences between 
100x that of human skin co‐occurring tadpoles and 
salamander larvae
• Single cells or microcolonies – No differences between co‐
•• 110000’ss ooff OOTTUUss ooccccuurrrriinngg PPlleetthhooddoonn, 
• Composition very different  Desmognathus
from human skin • Community structure 
similar between 
• Composition different  salamanders and cover 
between pond‐dwelling and  objects
terrestrial amphibians
• Genetic differentiation 
between host‐associated 
and free‐living populations
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Host defense and selectivity
• Resistance and 
Containment
• Antimicrobial Secretions
• SSlloouugghhiinngg
• Selectivity
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Host defense and selectivity
• Resistance and 
Containment
–Stratum corneum
–Mucus
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Host defense and selectivity
• Resistance and 
Containment
–Stratum corneum
–Mucus
• Antimicrobial Secretions
http://vertebrateproject.wikispaces.com
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Host defense and selectivity
Antimicrobial Secretions
• Amines
–Histamines, epinephrine, adrenalin, bufotenins
• Steroids
–bbuffaddenolliddes–anesthhetics, carddiac stimullants
• Alkaloids
–100’s of compounds in poison dart frogs, sequestered 
from prey
• Peptides
–Likely most important antimicrobial compounds
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Host defense and selectivity
Sloughing (Meyer et al. 2012)
• Disturbance/recolonization
dynamics
• May prevent “fouling” via 
biofilmformation
• May increase vulnerability 
to opportunistic pathogens
• Sloughed skin often eaten
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Host defense and selectivity
• Evidence of selectivity
-4 -2 0 5
–Resident vs. transient  0P.teyahalee 0
–fSlaolraamanders vs. cover  -4-2-20 P.jordani Axis 2-15-10-5 logs salamanders
obbjjectts -4-0 D.ocoee -10 -5Axis 10 5
-2
-4
0 Rocks
-2
-4
0 Logs 0
-2 -2
-4 -4
-4 -2 0-4 -2 0-4 -2 0-4 -2 0-4 -2 0
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Host defense and selectivity
• Salamanders vs. cover 
objects
– Work in progress:
Swabbed zigzag salamanders 
and cover objects
GGeennoottyyppeedd PPsseeuuddoommoonnaass
isolates
Only one strain found on 
cover objects: P. putida
11 distinct strains found co‐
occurring on salamanders
7 related to a pathogen of 
fish
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Host defense and selectivity
• Salamanders vs. cover 
objects
–Work in progress:
Salamanders harbor a 
distinctand more diverse
assemblage of 
Pseudomonas
Do salamanders select a 
beneficial flora, or are 
they under attack?
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Host Defense and Selectivity: Review
• Barrier: Stratum corneum
• Trap: Mucus
• Poison: Antibiotic secretions
• Removal: Sloughing
Selection for certain microbial genotypes over 
others
Prevention of competitive dominance?
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