Abstract Recent studies have provided an unprecedented view of the microbial communities colonizing captive mice; yet the host and environmental factors that shape the rodent gut microbiota in their natural habitat remain largely unexplored. Here, we present results from a 2-year 16 S ribosomal RNA gene sequencing-based survey of wild wood mice (Apodemus sylvaticus) in two nearby woodlands. Similar to other mammals, wild mice were colonized by 10 bacterial phyla and dominated by the Firmicutes, Bacteroidetes and Proteobacteria. Within the Firmicutes, the Lactobacillus genus was most abundant. Putative bacterial pathogens were widespread and often abundant members of the wild mouse gut microbiota. Among a suite of extrinsic (environmental) and intrinsic (host-related) factors examined, seasonal changes dominated in driving qualitative and quantitative differences in the gut microbiota. In both years examined, we observed a strong seasonal shift in gut microbial community structure, potentially due to the transition from an insect- to a seed-based diet. This involved decreased levels of Lactobacillus, and increased levels of Alistipes (Bacteroidetes phylum) and Helicobacter. We also detected more subtle but statistically significant associations between the gut microbiota and biogeography, sex, reproductive status and co-colonization with enteric nematodes. These results suggest that environmental factors have a major role in shaping temporal variations in microbial community structure within natural populations.

Abstract Avian malaria parasites (Plasmodium) occur commonly in wild birds and are an increasingly popular model system for understanding host–parasite co-evolution. However, whether these parasites have fitness consequences for hosts in endemic areas is much debated, particularly since wild-caught individuals almost always harbour chronic infections of very low parasite density. We used the anti-malarial drug MalaroneTM to test experimentally for fitness effects of chronic malaria infection in a wild population of breeding blue tits (Cyanistes caeruleus). Medication caused a pronounced reduction in Plasmodium infection intensity, usually resulting in complete clearance of these parasites from the blood, as revealed by quantitative PCR. Positive effects of medication on malaria-infected birds were found at multiple stages during breeding, with medicated females showing higher hatching success, provisioning rates and fledging success compared to controls. Most strikingly, we found that treatment of maternal malaria infections strongly altered within-family differences, with reduced inequality in hatching probability and fledging mass within broods reared by medicated females. These within-brood effects appear to explain higher fledging success among medicated females and are consistent with a model of parental optimism in which smaller (marginal) offspring can be successfully raised to independence if additional resources become available during the breeding attempt. Overall, these results demonstrate that chronic avian malaria infections, far from being benign, can have significant effects on host fitness and may thus constitute an important selection pressure in wild bird populations.

Abstract The mammalian gut teems with beneficial microbes, yet how hosts acquire these symbionts remains poorly understood. Research in primates suggests that microbes can be picked up via social contact, but the role of social interactions in non-group-living species remains unexplored. Here, we use a passive tracking system to collect high resolution spatiotemporal activity data from wild mice ( Apodemus sylvaticus ). Social network analysis revealed social association strength to be the strongest predictor of microbiota similarity among individuals, controlling for factors including spatial proximity and kinship, which had far smaller or nonsignificant effects. This social effect was limited to interactions involving males (male-male and male-female), implicating sex-dependent behaviours as driving processes. Social network position also predicted microbiota richness, with well-connected hub individuals having the most diverse microbiotas. Overall, these findings suggest social contact provides a key transmission pathway for gut symbionts even in relatively asocial mammals, that strongly shapes the adult gut microbiota. This work underlines the potential for individuals to pick up beneficial symbionts as well as pathogens from social interactions.

ABSTRACT Viral discovery studies in wild animals often rely on cross-sectional surveys at a single time point. As a result, our understanding of the temporal stability of wild animal viromes remains poorly resolved. While studies of single host-virus systems indicate that host and environmental factors influence seasonal virus transmission dynamics, comparable insights for whole viral communities in multiple hosts are lacking. Leveraging non-invasive faecal samples from a long-term wild rodent study, we characterised viral communities of three common European rodent species ( Apodemus sylvaticus, A. flavicollis , and M. glareolus ) living in temperate woodland over a single year. Our findings indicate that a substantial fraction of the rodent virome is seasonally transient and associated with vertebrate or bacteria hosts. Further analyses of one of the most abundant virus families, Picornaviruses, show pronounced temporal changes in viral richness and diversity, which were associated with concurrent and up to ∼3-month lags in host density, ambient temperature, rainfall and humidity, suggesting complex feedbacks from the host and environmental factors on virus transmission and shedding in seasonal habitats. Overall, this study emphasizes the importance of understanding the seasonal dynamics of wild animal viromes in order to better predict and mitigate zoonotic risks.

Abstract The gut microbiome performs many important functions in mammalian hosts, with community composition shaping its functional role. However, what factors drive individual microbiota variation in wild animals and to what extent these are predictable or idiosyncratic across populations remains poorly understood. Here, we use a multi-population dataset from a common rodent species (the wood mouse, Apodemus sylvaticus ), to test whether a consistent set of ‘core’ gut microbes is identifiable in this species, and to what extent the predictors of microbiota variation are consistent across populations. Between 2014 and 2018 we used capture-mark-recapture and 16S rRNA profiling to intensively monitor two wild UK mouse populations and their gut microbiota, as well as characterising the microbiota from a laboratory-housed colony of the same species. Although broadly similar at high taxonomic levels and despite being only 50km apart, the two wild populations did not share a single bacterial amplicon sequence variant (ASV). Meanwhile, the laboratory-housed colony shared many ASVs with one of the wild populations from which it is thought to have been founded decades ago. Despite strong taxonomic divergence in the microbiota, the factors predicting compositional variation in each wild population were remarkably similar. We identified a strong and consistent pattern of seasonal microbiota restructuring that occurred at both sites, in all years, and within individual mice. While the microbiota was highly individualised, seasonal convergence in the gut microbiota among individuals occurred in late winter/early spring. These findings reveal highly repeatable seasonal gut microbiota dynamics across distinct populations of this species, despite divergent taxa being involved. Providing a platform for future work to understand the drivers and functional implications of such predictable seasonal microbiome restructuring, including whether it might provide the host with adaptive seasonal phenotypic plasticity.

Abstract Gut microbes shape many aspects of organismal biology, yet how these key bacteria transmit among hosts in natural populations remains poorly understood. Recent work in mammals has emphasized either transmission through social contacts or indirect transmission through environmental contact, but the relative importance of different routes has not been directly assessed. Here, we used a novel RFID-based tracking system to collect long-term high resolution data on social relationships, space use and microhabitat in a wild population of mice ( Apodemus sylvaticus ), while regularly characterising their gut microbiota. Through probabilistic modelling of the resulting data, we identify positive and statistically distinct signals of social and environmental transmission, captured by social networks and overlap in home ranges respectively. Strikingly, microbes with distinct biological attributes drove these different transmission signals. While aerotolerant spore-forming bacteria drove the effect of shared space use, a mix of taxa but especially anaerobic bacteria underpinned the social network’s effect on gut microbiota similarity. These findings provide the first evidence for parallel social and environmental transmission of gut microbes that involve biologically distinct subsets of the mammalian gut microbiota. List of contributions Aura Raulo designed the study, helped develop the new RFID tracking technology, collected the data from Wytham, completed all laboratory analyses on gut microbiota profiling prior to sequencing, developed analytical methods, analysed the data and wrote the manuscript Paul Bürkner helped design the Bayesian probabilistic modeling framework and provided feedback on the manuscript Jarrah Dale helped collect field data using RFID loggers Holly English helped collect field data using RFID loggers and provided feedback on home range analyses Genevieve Finerty helped with home range analysis and the analysis of microhabitat variation and provided feedback on the manuscript Curt Lamberth led development of RFID tracking devices and helped collect field data from Wytham Josh Firth supervised the research project, developed social network analysis methods and provided feedback on the analyses and the manuscript Tim Coulson supervised the research project and provided feedback on the analyses and the manuscript Sarah Knowles supervised the research project, helped develop the tracking technology and design the study, collected data from Wytham, planned and supervised laboratory methods, developed analytical methods and provided feedback on analyses and the manuscript.

Abstract Members of the gut microbiota genus Bifidobacterium are widely distributed human and animal symbionts believed to exert beneficial effects on their hosts. However, in-depth genomic analyses of animal-associated species and strains are somewhat lacking, particularly in wild animal populations. Here, to examine patterns of host specificity and carbohydrate metabolism capacity, we sequenced whole genomes of Bifidobacterium isolated from wild-caught small mammals from two European countries (UK and Lithuania). Members of B. castoris, B. animalis and B. pseudolongum were detected in wild mice ( Apodemus sylvaticus, A. agrarius and A. flavicollis ), but not voles or shrews. B. castoris constituted the most commonly recovered Bifidobacterium (78% of all isolates), with the majority of strains only detected in a single population, although populations frequently harboured multiple co-circulating strains. Phylogenetic analysis revealed that the mouse-associated B. castoris clades were not specific to a particular location or host species, and their distribution across the host phylogeny was consistent with regular host shifts rather than host-microbe codiversification. Functional analysis suggested that mouse-derived B. castoris strains encoded an extensive arsenal of carbohydrate-active enzymes, including putative novel glycosyl hydrolases such as chitosanases that may act on chitin-derived substrates such as mushrooms or insects, along with genes encoding putative exopolysaccharides, some of which may have been acquired via horizontal gene transfer. Overall, these results provide a rare genome-level analysis of host specificity and genomic capacity among important gut symbionts of wild animals, and reveal that Bifidobacterium has a labile relationship with its host over evolutionary time scale.

Abstract Assembly of the mammalian gut microbiota during early life is known to shape key aspects of organismal development, including immunity, metabolism and behaviour. While house mice ( Mus musculus ) are the major laboratory model organism for gut microbiota research, their artificial lab-based lifestyle could fundamentally alter ecological processes of microbiota assembly and dynamics, in ways that affect their usefulness as a model system. To examine this, here we directly compared patterns of gut microbiota assembly in house mice from the lab and from the wild, making use of a tractable, individually-marked wild population where we could examine patterns of gut microbiota assembly during early life. Despite lab and wild mice harbouring taxonomically distinct communities, we identify striking similarities in multiple patterns of their gut microbiota assembly. Specifically, age-related changes in both alpha and beta diversity, as well as the abundance of predominant phyla and aerotolerance of the microbiota followed parallel trajectories in both settings. These results suggest some degree of intrinsic programme in gut microbiota assembly that transcends variation in taxonomic profiles, and the genetic and environmental background of the host. They further support the notion that despite their artificial environment, lab mice can provide meaningful insights into natural microbiota ecological dynamics in early life and their interplay with host development.

Abstract Age is a key parameter in population ecology, with myriad biological processes changing with age as organisms develop early in life and later senesce. As age is often hard to accurately measure with non-lethal methods, epigenetic methods of age estimation (epigenetic clocks) have become a popular tool in animal ecology, and are often developed or calibrated using captive animals of known age. However, few studies have directly compared epigenetic age estimates between wild and captive or lab-reared animals of the same species, even though age-related epigenetic changes can be influenced by environmental conditions. Here, we built an epigenetic clock from standard laboratory house mice (C57BL/6, Mus musculus) and then used it to estimate age in a population of wild mice ( Mus musculus domesticus ) of unknown age. We show that this clock accurately predicts adult wild mice to be older than juveniles and that wild mice typically increase in epigenetic age over time, but with wide variation in epigenetic ageing rate among wild individuals. We further show that, for a given body mass, wild mice are epigenetically older than lab mice, and that this difference is not explained by accelerated ageing post-capture but is observed even among the smallest juvenile mice. This suggests different epigenetic age profiles in mice with contrasting genetic and environmental backgrounds arise very early in life and may be driven by peri- and postnatal effects on offspring DNA methylation.

Assembly of the mammalian gut microbiota during early life is known to shape key aspects of organismal development, including immunity, metabolism and behaviour. While house mice (Mus musculus) are the major laboratory model organism for gut microbiota research, their artificial lab-based lifestyle could fundamentally alter ecological processes of microbiota assembly and dynamics, in ways that affect their usefulness as a model system. To examine this, here we directly compared patterns of gut microbiota assembly in house mice from the lab and from the wild, making use of a tractable, individually-marked wild population where we could examine patterns of gut microbiota assembly during early life. Despite lab and wild mice harbouring taxonomically distinct communities, we identify striking similarities in multiple patterns of their gut microbiota assembly. Specifically, age-related changes in both alpha and beta diversity, as well as the abundance of predominant phyla and aerotolerance of the microbiota followed parallel trajectories in both settings. These results suggest some degree of intrinsic programme in gut microbiota assembly that transcends variation in taxonomic profiles, and the genetic and environmental background of the host. They further support the notion that despite their artificial environment, lab mice can provide meaningful insights into natural microbiota ecological dynamics in early life and their interplay with host development.