Miten kuhnurit saavat suolistonsa ja lisääntymiskudostensa bakteerit
Tarhamehiläinen (Apis mellifera) on tärkeä viljelykasvien pölyttäjä kaikkialla maailmassa. Työläiset keräävät ravintoa ja hoitavat yhdyskunnan ylläpidon. Kuhnurit eli lajin koiraat siirtävät geenejään parittelemalla muiden yhdyskuntien parittelemattomien kuningatarten kanssa. Niiden lisääntymiskyky voi vaikuttaa kuningattaren menestykseen ja siten yhdyskunnan selviytymiseen.
Mehiläistarhaajat ovat ilmoittaneet huomattavista yhdyskuntamenetyksistä Yhdysvalloissa ja muualla. Tutkimuksessa mainitaan Yhdysvalloissa raportoidut, jopa 50,8 %:n vuotuiset menetykset. Luku kattaa kaikki raportoidut syyt. Vuodesta 2007 lähtien laajasti raportoitu mehiläisyhdyskuntien katoamishäiriö (CCD) tarkoittaa tietynlaista yhdyskunnan menetystä. Taudinaiheuttajia, loisia, puutteellista ravintoa, ilmastonmuutosta ja maatalouskemikaaleja on tutkittu yhdyskuntien terveyteen vaikuttavina tekijöinä. Myös kuningattaren terveys vaikuttaa yhdyskunnan selviytymiseen.
Tarhamehiläiset ovat eusosiaalisia hyönteisiä. Yhdyskunnan sikiöt ovat yleensä yhden kuningattaren jälkeläisiä. Tutkimuksessa mainitaan, että kuningattaren elinikä alkuperäisessä yhdyskunnassaan oli aiemmin 2–7 vuotta ja että kuningattaria vaihdetaan nykyään useammin. Viitatuissa tutkimuksissa noin puolet yhdyskunnista vaihtoi kuningattarensa kuuden kuukauden kuluessa, ja vaihtoon liittyi kolminkertainen yhdyskunnan menettämisen riski. Työläisiä on vähintään 90 % yhdyskunnan yksilöistä. Ne keräävät ravintoa, ylläpitävät pesää ja hoitavat kuningatarta, kuhnureita ja vastakuoriutuneita työläisiä. Työläiset voivat vaihtaa kuningattaren esimerkiksi silloin, kun siittiövarasto on ehtynyt tai heikkolaatuinen ja kuningatar munii liikaa hedelmöittymättömiä munia, joista kehittyy kuhnureita.
Kuhnurien osuus yhdyskunnan yksilöistä on keväällä ja kesällä alle 10 %. Niiden lisääntymistehtävänä on paritella muiden yhdyskuntien parittelemattomien kuningatarten kanssa. Kuhnurien lisääntymiskyky voi siten vaikuttaa näiden kuningatarten ja niiden yhdyskuntien menestykseen. Kuhnurien terveyttä ja hedelmällisyyttä on tutkittu vähemmän kuin työläisten ja kuningatarten.
Kuhnurit kehittyvät noin 24 päivää ennen aikuistumistaan. Aikuisen kuoriutuessa spermatogeneesi on päättynyt, mutta siemenrakkulat ja limarauhaset kehittyvät edelleen ja siittiöt ovat kiveksissä (kuva 1). Siittiöt siirtyvät siemenrakkuloihin noin 6–12 päivää kuoriutumisen jälkeen ja säilyvät siellä paritteluun asti. Kun siirtyminen päättyy, kuhnuri on sukukypsä ja kivekset surkastuvat ja lakkaavat toimimasta (kuva 1).
Tarhamehiläiskuningattaret parittelevat elämänsä alussa yhdellä tai muutamalla parittelulennolla. Yhdyskunnan kasvu ja elinikä riippuvat osittain lennoilla saatujen siittiöiden määrästä ja laadusta. Siemenneste auttaa pitämään siittiöt elinkykyisinä koiraan siemenrakkuloissa, parittelun aikana ja myöhemmin kuningattaren siittiösäiliössä. Kuningatar käyttää varastoituja siittiöitä koko loppuelämänsä. Kuhnurien siittiömäärät vaihtelevat suuresti, eikä niiden lisääntymiskykyyn vaikuttavia tekijöitä vielä tunneta hyvin.
Suolistomikrobisto edistää tarhamehiläisen työläisten terveyttä. Tutkimuksissa se on yhdistetty immuunipuolustukseen, taudinaiheuttajilta suojautumiseen, aineenvaihduntaan ja mahdollisesti myös käyttäytymiseen ja kehitykseen. Työläiset ovat yhdyskunnan suurin ryhmä, ja niiden mikrobistoa on tutkittu paljon. Ne saavat suolistomikrobeja sosiaalisessa kanssakäymisessä ja kosketuksessa pesän materiaaleihin. Tavallisissa oloissa suolistomikrobisto vakiintuu noin viidessä päivässä aikuistumisesta ja säilyy terveillä mehiläisillä verrattain vakaana. Se koostuu pääasiassa viidestä bakteeriryhmästä: Bifidobacterium, Snodgrassella, Gilliamella, Lactobacillus ja Bombilactobacillus.Nämä ydinryhmät ovat työläisillä yhteisiä, mutta niiden bakteerikannat vaihtelevat yksilöittäin. Siksi mikrobiyhteisöjen toiminnalliset ominaisuudet voivat erota toisistaan.
Kuhnurien suolistossa esiintyy osin samoja bakteeriryhmiä kuin työläisillä. Mikrobisto on yleensä vähemmän monimuotoinen ja vaihtelee enemmän yksilöiden välillä.Tutkimuksen aikaan tiedettiin vain vähän siitä, miten kuhnurit saavat mikrobistonsa ja mikä on sosiaalisten kontaktien merkitys sen vakiintumiselle. Mikrobeja on löydetty useiden eläinten, myös hyönteisten, lisääntymiskudoksista. Esimerkiksi hyttysillä ja tsetsekärpäsillä näitä bakteereja on yhdistetty kehitykseen tai lisääntymiskykyyn. Havainnot saivat kirjoittajat tutkimaan, esiintyykö tarhamehiläistenkin lisääntymiskudoksissa bakteereja ja voisivatko ne liittyä terveyteen ja hedelmällisyyteen.
Kuningattaria on vaikea tutkia kokeellisesti, koska ne ovat yhdyskunnalle välttämättömiä. Kuningattaren lisääntymiskyky ja elinikä riippuvat osittain kuhnureista, joiden kanssa se parittelee. Siksi kuhnurien avulla voidaan tutkia, esiintyykö tarhamehiläisten lisääntymiskudoksissa bakteereja ja mikä niiden tehtävä voisi olla.
Tutkimuksessa selvitettiin, onko kuhnurien lisääntymiskudoksissa bakteereja, miten kuhnurit saavat suolistonsa ja lisääntymiskudostensa mikrobiston ja miten nämä yhteisöt muuttuvat sukukypsyyden kehittyessä. Tutkijat tunnistivat ja kuvasivat tavanomaisissa ja kokeellisissa oloissa kasvatettujen kuhnurien suoliston ja lisääntymiskudosten bakteereja sekvensoimalla 16S-rRNA-geenin monistustuotteita. Tutkimuksessa raportoitiin ensimmäistä kertaa bakteerien havaitsemisesta tarhamehiläisen kuhnurien lisääntymiselimissä. Luonnollisesti kuoriutuneilla kuhnureilla, joita pidettiin kuoriutumisen jälkeen steriileissä laboratorio-oloissa ilman sosiaalisia kontakteja, esiintyi harvoin tavallisesti kasvatetuille kuhnureille ja työläisille tyypillisiä bakteeriryhmiä, kuten Snodgrassella, Bifidobacterium, Gilliamella, Lactobacillus ja Bombilactobacillus. Tulokset viittaavat siihen, että sosiaaliset kontaktit työläisiin, esimerkiksi ruokinnan ja puhdistamisen yhteydessä, edistävät kuhnurien suoliston ja lisääntymiskudosten mikrobiston vakiintumista. Kuhnurien lisääntymiselimissä toistuvasti esiintyvä bakteeriyhteisö tekee tarhamehiläisestä mahdollisen mallilajin sen tutkimiseen, miten lisääntymiskudosten mikrobit vaikuttavat isännän kelpoisuuteen.
Aineisto ja menetelmät Lue koko artikkeli
Tulokset
Tutkijat havaitsivat kuhnurien lisääntymiskudoksiin liittyvän mikrobiston. Havainto avaa uusia mahdollisuuksia tutkia kuhnurien lisääntymiskykyä. Koe osoitti myös, että suoliston ja lisääntymiskudosten tyypillisten bakteeriyhteisöjen vakiintuminen riippui vahvasti kontakteista työläisiin, sillä pesän kehyksillä kuoriutuneille ja sen jälkeen laboratoriossa ilman työläiskontakteja pidetyille kuhnureille ei kehittynyt tyypillistä mikrobistoa. Pesään palautettuja kuhnureita pidettiin häkeissä, joissa kosketus pesämateriaaleihin oli vähäistä. Tämä tukee tulkintaa, jonka mukaan mikrobiston vakiintumista edisti kuhnureita hoitaneiden työläisten kanssa vietetty aika. Kuten aiemmissa tutkimuksissa, kuhnurien suolistomikrobisto oli työläisten mikrobistoa vähemmän monimuotoinen ja Lactobacillus-lajit olivat siinä vallitsevia. Yksi mahdollinen selitys on, että hoitajamehiläiset ruokkivat ja hoitavat kuhnureita ja käyttävät niiden hoitoon usein vähemmän aikaa, kun resursseja on niukasti.
Tutkijat arvelevat, että kontaktien määrä kuoriutumisen aikana ja sen jälkeen vaikuttaa kuhnurin mikrobiston vakiintumiseen. Myös ravinto ja elintavat saattavat selittää eroja työläisten ja kuhnurien välillä. Työläiset syövät selvästi enemmän siitepölyä, ja niiden ravinto muuttuu, kun ne siirtyvät hoitajista ravinnonkerääjiksi. Ravintoa keräävät työläiset viettävät paljon aikaa pesän ulkopuolella, kun taas kuhnurit lähtevät yhdyskunnasta pääasiassa paritteluun liittyville lennoille.
16S-geenin kopiomäärät viittasivat aluksi yllättävän suureen bakteerimäärään laboratoriossa pidettyjen kuhnurien suolistossa ja lisääntymiskudoksissa (NE-D0 ja Lab-D5), vaikka niistä puuttuivat tarhamehiläisille tyypilliset bakteeriryhmät. Yksi mahdollinen selitys on, että mehiläisille ominaiset bakteerit syrjäyttävät tavallisesti ympäristön mikrobit. Pesässä hoitajamehiläiset auttavat kuhnureita poistamaan kennon vahakannen ja ruokkivat niitä heti kuoriutumisen jälkeen. Mikrobiston muodostuminen voi alkaa silloin. Tutkijat arvelevat, että osa laboratoriokuhnureista havaituista bakteereista tai kaikki niistä saattoivat olla peräisin sikiökennoista, joissa voi olla kasviainesta ja ympäristön mikrobeja.
Monista NE-D0-näytteistä ei saatu käyttökelpoista sekvenssiaineistoa, mahdollisesti siksi, että suolistossa ja lisääntymiskudoksissa oli hyvin vähän bakteereja. Laatusuodatuksen jälkeen yli 10 % laboratoriossa pidettyjen kuhnurien suoliston sekvenssiluvuista luokiteltiin mitokondrio- tai viherhiukkasperäisiksi tai jäi luokittelematta. Joillakin yksilöillä osuus oli yli 40 %, mikä viittaa bakteeriperäisten sekvenssien vähäisyyteen. Mehiläisten suoliston 16S-analyyseissä havaitaan joskus isäntäkudoksesta tai kasviaineksesta peräisin olevia mitokondrio- ja viherhiukkassekvenssejä, mutta yleensä niiden osuus on pieni, esimerkiksi alle 1 %. Mitokondrioperäisten tai luokittelemattomien lukujen osuus oli poikkeuksellisen suuri myös laboratoriokuhnurien kivesnäytteissä, etenkin NE-D0-ryhmässä. Epäkypsien kuhnurien kiveksissä on runsaasti siittiöitä, joiden keskiosan muodostavat suurelta osin mitokondriojohdannaiset.
Kvantitatiivisella PCR:llä (qPCR) mitattu 16S-geenin kopiomäärä saattoi yliarvioida bakteerien määrän laboratoriossa pidettyjen kuhnurien kudoksissa, koska alukkeet voivat monistaa myös mitokondrioiden tai viherhiukkasten DNA:ta. Tutkimuksen jälkeen kirjoittajat havaitsivat, että qPCR-alukkeet monistivat herkästi kohteen ulkopuolista mitokondrio-DNA:ta etenkin vähän bakteereja sisältävissä näytteissä. Hive-D5- ja Hive-D18-ryhmien suoliston ja lisääntymiskudosten mikrobistot olivat samankaltaisia, ja Lactobacillus oli vallitseva kummassakin. Erot bakteerien kokonaismäärissä ja ryhmien suhteellisissa osuuksissa voivat kuvastaa kypsymisen aikaisia muutoksia. Yksittäisten bakteeriryhmien absoluuttista määrää ei kuitenkaan mitattu. Suhteellisen osuuden muutos ei siksi osoita, että ryhmän bakteerimäärä olisi muuttunut.
NE-D0-, Lab-D5- ja Hive-D5-ryhmät näytteistettiin loppukesällä 2021. Hive-D18-kuhnurit kerättiin keväällä 2022 toisesta yhdyskunnasta, sillä kesällä 2021 työläiset lakkasivat hoitamasta kuhnureita, jotka kuolivat ennen sukukypsyyttä. Työläistutkimuksissa yhdyskunnan alkuperä on vaikuttanut vähän suolistomikrobiston koostumukseen, mutta vuodenajan on havaittu vaikuttavan koostumukseen ja bakteerien absoluuttiseen määrään. Talvityöläisillä on esimerkiksi havaittu enemmän bakteereja ja pienempi näytekohtainen monimuotoisuus. Vuodenaika voi siis osaltaan selittää Hive-D5- ja Hive-D18-ryhmien eroja. Kevään Hive-D18-kuhnurien bakteerimäärä oli suurempi kuin loppukesän Hive-D5-kuhnurien. Suoliston tai lisääntymiskudosten alfadiversiteetissä ei ollut merkitsevää eroa, ja Lactobacillus oli vallitseva molemmissa ryhmissä.
Lisätutkimuksia tarvitaan sen selvittämiseen, miten vuodenaika, alkuperäinen yhdyskunta ja muut ympäristötekijät vaikuttavat kuhnurien mikrobistoon. Suolistossa ja lisääntymiskudoksissa esiintyi samankaltaisia bakteeriryhmiä. Steriili preparointi, suolen pitäminen ehjänä ja lisääntymiskudosten vahvat bakteerisignaalit puhuvat sen puolesta, ettei suolensisältö saastuttanut näytteitä vahingossa. Samankaltaisia yhteisöjä näissä kudoksissa on havaittu myös muilla hyönteisillä, esimerkiksi tomaatin miinaajakoilla (Tuta absoluta) ja joillakin hyttysillä.
Tarhamehiläisten suolistomikrobisto on erikoistunut ja kehittynyt yhdessä isäntänsä kanssa. Osa keskeisistä bakteeriryhmistä saattaa sisältää tiettyihin kudoksiin sopeutuneita kantoja, joilla on erilaisia tehtäviä. Vielä ei tiedetä, miten bakteerit päätyvät lisääntymiskudoksiin. Saman kuhnurin kudosten taksonomisen samankaltaisuuden perusteella tutkijat arvelevat, että immuunijärjestelmä ja suolen suojakerros kehittyvät vielä kuoriutuessa. Tällöin suolistobakteerit voisivat päästä muihin elimiin. Fluoresenssi-in situ -hybridisaatiolla (FISH) tai muulla fluoresenssimerkinnällä voitaisiin paikantaa soluja kudoksissa. Metagenomisella sekvensoinnilla ja viljelyllä voitaisiin tutkia kantojen välisiä eroja.
Työläisten suolistomikrobit osallistuvat aineenvaihduntaan, taudinaiheuttajilta suojautumiseen ja immuunipuolustukseen. Ne saattavat vaikuttaa myös kehitykseen. Suolistomikrobien vaikutuksia kuhnurien terveyteen ei tutkittu suoraan, vaikka yhteisöjen samankaltaisuus viittaa mahdollisiin yhteisiin toimintoihin. Tutkijoiden tietojen mukaan tässä tutkimuksessa kuvattiin ensimmäisen kerran tarhamehiläisen lisääntymiskudoksiin liittyviä bakteereja. Vaikutukset kuhnurien terveyteen tai hedelmällisyyteen sekä mahdolliset vaikutukset kuningattariin ja yhdyskuntiin ovat edelleen hypoteeseja.
Jatkossa on selvitettävä, mitä tehtäviä lisääntymiskudosten bakteereilla on. Tutkimus osoittaa, että ne on syytä ottaa huomioon kuhnurien terveyden ja lisääntymiskyvyn tutkimuksessa. Tarhamehiläinen voi toimia mallilajina sekä suoliston että lisääntymiskudosten mikrobiston tutkimuksessa.
Julkaistu verkossa 19. joulukuuta 2024 · mSphere · DOI 10.1128/msphere.00705-24
Koko artikkeli https://journals.asm.org/doi/10.1128/msphere.00705-24
Kirjoittajat · Alexis Burks (Department of Biology, University of North Carolina, Greensboro, Pohjois-Carolina, Yhdysvallat) Patrick Gallagher (Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, Raleigh, Pohjois-Carolina, Yhdysvallat) Kasie Raymann (Department of Biology, University of North Carolina, Greensboro, Pohjois-Carolina, Yhdysvallat) ja (Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, Raleigh, Pohjois-Carolina, Yhdysvallat)
Kommentit