Wie Honigbienendrohnen ihre Darmmikrobiota und die Mikrobiota im Fortpflanzungsgewebe erwerben
Die Westliche Honigbiene (Apis mellifera) ist weltweit ein wichtiger Bestäuber von Kulturpflanzen. Arbeiterinnen sammeln Nahrung und übernehmen die Aufgaben, die das Volk erhalten. Drohnen, die Männchen der Art, geben ihre Gene weiter, indem sie sich mit unbegatteten Königinnen anderer Völker paaren. Ihre Fortpflanzungsfähigkeit kann die Leistung der Königin und damit das Überleben des Volkes beeinflussen.
Aus den USA und anderen Ländern wurden erhebliche Völkerverluste gemeldet. Die Studie nennt für die USA jährliche Verluste von bis zu 50,8 %. Diese Zahl umfasst Völkerverluste aus allen erfassten Ursachen. Colony Collapse Disorder (CCD), seit 2007 weithin bekannt, bezeichnet dagegen ein bestimmtes Verlustmuster. Krankheitserreger, Parasiten, unzureichende Ernährung, Klimawandel und Agrarchemikalien gehören zu den untersuchten Einflussfaktoren auf die Gesundheit der Völker. Auch die Gesundheit der Königin spielt für das Überleben des Volkes eine wichtige Rolle.
Honigbienen leben eusozial, und normalerweise erzeugt eine einzige Königin die Brut des Volkes. Die Studie nennt als frühere Lebensdauer einer Königin in ihrem ursprünglichen Volk zwei bis sieben Jahre und berichtet, dass Königinnen inzwischen häufiger ersetzt werden. In den zitierten Untersuchungen wechselte etwa die Hälfte der Völker innerhalb von sechs Monaten die Königin. Ein Königinnenwechsel war mit einem dreifach erhöhten Risiko für Völkerverluste verbunden. Arbeiterinnen stellen mindestens 90 % der Tiere im Volk. Sie sammeln Nahrung, unterhalten den Stock und versorgen Königin, Drohnen und frisch geschlüpfte Arbeiterinnen. Sie können eine Königin aus verschiedenen Gründen ersetzen, etwa wenn diese aufgrund erschöpfter oder minderwertiger Spermienvorräte zu viele unbefruchtete Eier legt, aus denen Drohnen entstehen.
Im Frühjahr und Sommer machen Drohnen weniger als 10 % der Tiere im Volk aus. Ihre Fortpflanzungsaufgabe besteht darin, sich mit unbegatteten Königinnen anderer Völker zu paaren. Ihre Fortpflanzungsfähigkeit kann den Erfolg dieser Königinnen und der von ihnen geführten Völker beeinflussen. Gesundheit und Fruchtbarkeit der Drohnen wurden weniger untersucht als die von Arbeiterinnen und Königinnen.
Drohnen entwickeln sich rund 24 Tage, bevor sie als erwachsene Tiere schlüpfen. Beim Schlupf ist die Spermatogenese abgeschlossen. Die Samenblasen und Schleimdrüsen entwickeln sich noch, und die Spermien befinden sich in den Hoden (Abbildung 1). Etwa sechs bis zwölf Tage nach dem Schlupf wandern die Spermien in die Samenblasen, wo sie bis zur Paarung gespeichert werden. Nach abgeschlossener Wanderung ist die Drohne geschlechtsreif und die Hoden bilden sich zurück und verlieren ihre Funktion (Abbildung 1).
Honigbienenköniginnen paaren sich zu Beginn ihres Lebens bei einem oder wenigen Hochzeitsflügen. Wachstum und Lebensdauer des Volkes hängen teilweise von der Menge und Qualität der dabei aufgenommenen Spermien ab. Die Samenflüssigkeit trägt dazu bei, die Spermien in den Samenblasen der Drohne, bei der Paarung und später in der Spermatheka der Königin lebensfähig zu halten. Die Königin nutzt die gespeicherten Spermien für den Rest ihres Lebens. Die Spermienzahl der Drohnen variiert stark. Welche Faktoren ihre Fortpflanzungsfähigkeit bestimmen, ist noch nicht vollständig geklärt.
Die Darmmikrobiota trägt zur Gesundheit der Arbeiterinnen bei. Untersuchungen bringen sie mit der Immunabwehr, dem Schutz vor Krankheitserregern, dem Stoffwechsel und möglicherweise auch mit Verhalten und Entwicklung in Verbindung. Arbeiterinnen bilden die größte Gruppe im Volk, und ihre Mikrobiota wurde eingehend untersucht. Sie erwerben ihre Darmmikroben durch soziale Kontakte und den Kontakt mit Materialien im Stock. Unter üblichen Bedingungen etabliert sich die Darmgemeinschaft etwa fünf Tage nach dem Schlupf und bleibt bei gesunden Tieren vergleichsweise stabil. Sie besteht überwiegend aus fünf Bakteriengruppen: Bifidobacterium, Snodgrassella, Gilliamella, Lactobacillus und Bombilactobacillus.Diese Kerngruppen kommen bei verschiedenen Arbeiterinnen vor. Die Stämme innerhalb der Gruppen können sich jedoch zwischen einzelnen Tieren unterscheiden, sodass ihre mikrobiellen Gemeinschaften unterschiedliche Funktionen haben können.
Der Darm von Drohnen enthält einige der gleichen Bakteriengruppen wie der Darm von Arbeiterinnen. Die Gemeinschaft ist jedoch meist weniger vielfältig und variiert stärker zwischen einzelnen Drohnen.Zum Zeitpunkt der Studie war wenig darüber bekannt, wie Drohnen ihre Mikrobiota erwerben und ob soziale Kontakte deren Aufbau fördern. Mikroben wurden im Fortpflanzungsgewebe verschiedener Tiere, darunter Insekten, gefunden. Bei einigen Insekten wie Stechmücken und Tsetsefliegen wurden solche Bakterien mit der Entwicklung oder Fortpflanzungsfähigkeit in Verbindung gebracht. Daher untersuchten die Autoren, ob auch das Fortpflanzungsgewebe der Honigbiene Bakterien beherbergt und ob diese für Gesundheit und Fruchtbarkeit von Bedeutung sein könnten.
Königinnen sind experimentell schwer zu untersuchen, weil sie für das Volk unverzichtbar sind. Da ihre Fortpflanzungsfähigkeit und Lebensdauer auch von den Drohnen abhängen, mit denen sie sich paaren, eignen sich Drohnen für die Untersuchung, ob Bakterien im Fortpflanzungsgewebe von Honigbienen vorkommen und welche Rolle sie spielen könnten.
Die Studie untersuchte, ob das Fortpflanzungsgewebe von Drohnen Bakterien enthält, wie die Drohnen ihre Darmmikrobiota und die Mikrobiota ihres Fortpflanzungsgewebes erwerben und wie sich diese Gemeinschaften während der Reifung verändern. Die Autoren sequenzierten Amplikons des 16S-rRNA-Gens, um Bakterien im Darm und im Fortpflanzungsgewebe von unter üblichen und experimentellen Bedingungen aufgezogenen Drohnen zu identifizieren und zu charakterisieren. Dabei berichteten sie erstmals über den Nachweis von Bakterien in den Fortpflanzungsorganen von Honigbienendrohnen. Natürlich geschlüpfte Drohnen, die anschließend unter sterilen Laborbedingungen ohne soziale Kontakte gehalten wurden, beherbergten nur selten die für Honigbienen typischen Bakteriengruppen, die in gewöhnlich aufgezogenen Drohnen und Arbeiterinnen vorkommen. Dazu zählen Snodgrassella, Bifidobacterium, Gilliamella, Lactobacillus und Bombilactobacillus. Die Befunde deuten darauf hin, dass der soziale Kontakt mit Arbeiterinnen , etwa beim Füttern und Putzen, die Ansiedlung der Mikrobiota im Darm und im Fortpflanzungsgewebe von Drohnen fördert. Eine wiederkehrende Bakteriengemeinschaft in den Fortpflanzungsorganen der Drohnen macht die Honigbiene zudem zu einem möglichen Modellorganismus für die Frage, wie solche Mikroben die Fitness ihres Wirts beeinflussen.
Material und Methoden Vollständigen Artikel lesen
Ergebnisse
Die Autoren wiesen eine mit dem Fortpflanzungsgewebe der Drohnen assoziierte Mikrobiota nach. Dieser Befund eröffnet neue Fragen zur Fortpflanzungsfähigkeit der Drohnen. Der Versuch zeigte außerdem, dass die Ausbildung typischer Bakteriengemeinschaften im Darm und im Fortpflanzungsgewebe stark vom sozialen Kontakt mit Arbeiterinnen abhing, denn Drohnen, die auf Waben schlüpften und anschließend ohne Arbeiterinnen im Labor gehalten wurden, entwickelten keine typische Mikrobiota. Die ins Volk zurückgebrachten Drohnen wurden in Pflegekäfigen gehalten, sodass sie nur begrenzten Kontakt zum Stockmaterial hatten. Dies stützt die Annahme, dass die betreuenden Arbeiterinnen zur Ausbildung der Mikrobiota beitrugen. Wie schon in früheren Arbeiten war die Darmgemeinschaft der Drohnen weniger vielfältig als die der Arbeiterinnen und wurde von Lactobacillus-Arten dominiert. Das könnte damit zusammenhängen, dass Ammenbienen Drohnen füttern und pflegen und ihnen bei knappen Ressourcen oft weniger Aufmerksamkeit widmen.
Die Autoren vermuten, dass das Ausmaß des sozialen Kontakts während und nach dem Schlupf die Ansiedlung der Mikrobiota beeinflusst. Auch Ernährung und Lebensweise könnten die Unterschiede zwischen Arbeiterinnen und Drohnen erklären. Arbeiterinnen fressen deutlich mehr Pollen als Drohnen, und ihre Ernährung ändert sich mit dem Übergang von der Brutpflege zur Nahrungssuche. Sammelbienen verbringen viel Zeit außerhalb des Stocks, während Drohnen das Volk hauptsächlich für Flüge im Zusammenhang mit der Paarung verlassen.
Die Zahl der 16S-Kopien deutete zunächst auf überraschend hohe Bakterienmengen im Darm und Fortpflanzungsgewebe der im Labor gehaltenen Drohnen (NE-D0 und Lab-D5) hin. Typische honigbienenassoziierte Bakteriengruppen fehlten jedoch. Eine mögliche Erklärung ist, dass die üblichen Bienenbakterien Umweltmikroben normalerweise verdrängen. Im Volk helfen Ammenbienen den Drohnen beim Öffnen der Wachsdeckel und füttern sie unmittelbar nach dem Schlupf. Damit könnte der Erwerb der Mikrobiota beginnen. Die Autoren vermuten, dass einige oder alle Bakterien der Labordrohnen beim Schlupf aus den Brutzellen stammten. Diese können pflanzliches Material und Umweltmikroben enthalten.
Viele NE-D0-Proben lieferten keine verwertbaren Sequenzdaten, möglicherweise weil ihr Darm und Fortpflanzungsgewebe nur wenige Bakterien enthielten. Nach der Qualitätsfilterung wurden mehr als 10 % der Sequenzreads aus dem Darm der Labordrohnen Mitochondrien oder Chloroplasten zugeordnet oder blieben ohne Zuordnung. Bei einzelnen Tieren machten diese Reads mehr als 40 % aus. Das deutet auf wenige bakterielle Sequenzen hin. In 16S-Analysen des Bienendarms können aufgrund von Wirtsgewebe und Pflanzenmaterial mitochondriale und Chloroplastensequenzen auftreten, gewöhnlich jedoch nur zu einem geringen Anteil, beispielsweise unter 1 %. Auch in den Hodenproben der Labordrohnen, insbesondere bei NE-D0, war der Anteil mitochondrialer und nicht zugeordneter Reads ungewöhnlich hoch. Unreife Drohnenhoden enthalten viele Spermien, deren Mittelstück überwiegend aus mitochondrialen Derivaten besteht.
Die mittels quantitativer PCR (qPCR) gemessene Zahl der 16S-Kopien könnte die Bakterienmenge im Gewebe der Labordrohnen überschätzen, weil die Primer auch mitochondriale oder Chloroplasten-DNA amplifizieren können. Nach Abschluss der Studie stellten die Autoren fest, dass ihre qPCR-Primer insbesondere in Proben mit wenigen Bakterien zu unbeabsichtigter mitochondrialer Amplifikation neigten. Die Gemeinschaften im Darm und im Fortpflanzungsgewebe von Hive-D5- und Hive-D18-Drohnen waren ähnlich und wurden von Lactobacillus dominiert. Unterschiede in der Gesamtmenge der Bakterien und den relativen Anteilen einzelner Gruppen könnten auf Veränderungen während der Reifung hinweisen. Die absolute Menge einzelner Gruppen wurde jedoch nicht bestimmt. Ein veränderter relativer Anteil belegt daher keine Änderung der tatsächlichen Bakterienzahl dieser Gruppe.
Die Gruppen NE-D0, Lab-D5 und Hive-D5 wurden im Spätsommer 2021 beprobt. Die Hive-D18-Drohnen stammten aus einem anderen Volk im Frühjahr 2022, weil die Arbeiterinnen im Sommer 2021 die Versorgung einstellten und die Drohnen vor der Geschlechtsreife starben. Frühere Studien an Arbeiterinnen fanden wenig Einfluss der Herkunft des Volkes auf die Zusammensetzung der Darmmikrobiota, aber saisonale Unterschiede in Zusammensetzung und absoluter Bakterienmenge. Winterbienen wiesen beispielsweise mehr Bakterien und eine geringere Diversität innerhalb einzelner Proben auf. Saisonale Effekte könnten daher zu den Unterschieden zwischen Hive-D5 und Hive-D18 beigetragen haben. Die Hive-D18-Drohnen aus dem Frühjahr hatten eine höhere Bakterienlast als die Hive-D5-Drohnen aus dem Spätsommer. Die Alpha-Diversität im Darm oder Fortpflanzungsgewebe unterschied sich nicht signifikant. Lactobacillus dominierte in beiden Gruppen.
Weitere Untersuchungen sind nötig, um zu klären, wie Jahreszeit, Herkunft des Volkes und andere Umweltfaktoren die Mikrobiota der Drohnen beeinflussen. Darm und Fortpflanzungsgewebe enthielten ähnliche Bakteriengruppen. Die sterile Präparation bei unverletztem Darm und die deutlichen bakteriellen Signale im Fortpflanzungsgewebe sprechen gegen eine versehentliche Verunreinigung durch Darminhalt. Ähnliche Gemeinschaften in beiden Geweben wurden auch bei anderen Insekten beobachtet, darunter die Tomatenminiermotte Tuta absoluta und einige Stechmückenarten.
Honigbienen besitzen spezialisierte, mit ihnen gemeinsam evolvierte Darmgemeinschaften. Manche Kerngruppen könnten Stämme mit unterschiedlichen Funktionen umfassen, die an bestimmte Gewebe angepasst sind. Wie die Bakterien das Fortpflanzungsgewebe erreichen, ist ungeklärt. Aufgrund der taxonomischen Ähnlichkeit innerhalb einzelner Drohnen vermuten die Autoren, dass Immunsystem und Darmbarriere beim Schlupf noch nicht voll entwickelt sind und Bakterien aus dem Darm in andere Organe gelangen könnten. Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) oder andere fluoreszierende Markierungen könnten helfen, die Zellen im Gewebe zu lokalisieren. Metagenomische Sequenzierung und Kultivierung könnten Unterschiede zwischen Stämmen aufzeigen.
Darmmikroben der Arbeiterinnen tragen zum Stoffwechsel, zum Schutz vor Krankheitserregern und zur Immunabwehr bei. Sie können auch die Entwicklung beeinflussen. Auswirkungen auf die Gesundheit von Drohnen wurden nicht direkt geprüft, auch wenn die Ähnlichkeit der Darmgemeinschaften gemeinsame Funktionen vermuten lässt. Nach Kenntnis der Autoren war dies die erste Untersuchung, die Bakterien im Fortpflanzungsgewebe der Honigbiene charakterisierte. Mögliche Wirkungen auf Gesundheit und Fruchtbarkeit der Drohnen und auf Königinnen und Völker bleiben Hypothesen.
Künftige Arbeiten sollen klären, welche Funktionen die mit dem Fortpflanzungsgewebe assoziierten Bakterien erfüllen. Die Studie identifiziert sie als möglichen Untersuchungsfaktor für die Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit von Drohnen. Honigbienen könnten als Modell für die Erforschung der Mikrobiota im Darm und im Fortpflanzungsgewebe dienen.
Online veröffentlicht am 19. Dezember 2024 · mSphere · DOI 10.1128/msphere.00705-24
Vollständiger Artikel https://journals.asm.org/doi/10.1128/msphere.00705-24
Autoren · Alexis Burks (Department of Biology, University of North Carolina, Greensboro, North Carolina, USA) Patrick Gallagher (Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, USA) Kasie Raymann (Department of Biology, University of North Carolina, Greensboro, North Carolina, USA) und (Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, USA)
Kommentare