Hur honungsbiets drönare får bakterier i tarmen och fortplantningsvävnaderna
Det västliga honungsbiet (Apis mellifera) är en viktig pollinatör av grödor i hela världen. Arbetsbina samlar föda och sköter de uppgifter som håller bisamhället igång. Drönarna, artens hanar, för sina gener vidare genom att para sig med oparade drottningar från andra samhällen. Deras fortplantningsförmåga kan påverka drottningens prestation och därmed bisamhällets överlevnad.
Biodlare har rapporterat betydande förluster i USA och på andra håll. Studien hänvisar till årliga förluster i USA på upp till 50,8 %, oavsett rapporterad orsak. Colony collapse disorder (CCD), som uppmärksammats brett sedan 2007, betecknar ett särskilt förlustmönster. Bland faktorerna som undersökts i samband med bisamhällenas hälsa finns smittämnen, parasiter, näringsbrist, klimatförändringar och jordbrukskemikalier. Drottningens hälsa har också betydelse för samhällets överlevnad.
Honungsbin är eusociala insekter och normalt producerar en enda drottning samhällets yngel. Studien anger att drottningen historiskt levde två till sju år i sitt ursprungliga samhälle och att drottningar numera byts oftare. I de citerade studierna bytte omkring hälften av samhällena drottning inom sex månader. Bytet var förknippat med en tredubblad risk för samhällsförlust. Arbetsbina utgör minst 90 % av samhället. De samlar föda, underhåller kupan och tar hand om drottningen, drönarna och nykläckta arbetsbin. De kan ersätta en drottning av flera skäl, till exempel om hon lägger för många obefruktade ägg, som utvecklas till drönare, när spermieförrådet är uttömt eller av låg kvalitet.
Drönarna utgör mindre än 10 % av samhällets individer på våren och sommaren. Deras fortplantningsuppgift är att para sig med oparade drottningar från andra samhällen. Deras fortplantningsförmåga kan därmed påverka dessa drottningar och de samhällen som drottningarna sedan leder. Drönarnas hälsa och fertilitet har studerats mindre än arbetsbinas och drottningarnas.
Drönare utvecklas i cirka 24 dagar innan de kryper ut som vuxna. Då är spermatogenesen avslutad, medan sädesblåsorna och slemkörtlarna fortfarande utvecklas och spermierna finns kvar i testiklarna (figur 1). Ungefär sex till tolv dagar senare vandrar spermierna till sädesblåsorna, där de lagras fram till parningen. När vandringen är avslutad är drönaren könsmogen, och testiklarna tillbakabildas och upphör att fungera (figur 1).
Drottningar parar sig tidigt i livet under en eller några parningsflygningar. Bisamhällets tillväxt och livslängd beror delvis på mängden och kvaliteten hos de spermier som tas emot under dessa flygningar. Sädesvätskan bidrar till att hålla spermierna livskraftiga i hanens sädesblåsor, under parningen och senare i drottningens spermateka. Drottningen använder de lagrade spermierna under resten av livet. Spermieantalet varierar mycket mellan drönare, och faktorerna bakom deras fortplantningsförmåga är fortfarande inte helt klarlagda.
Tarmmikrobiotan bidrar till arbetsbinas hälsa. Forskning har kopplat den till immunförsvaret, skydd mot smittämnen, ämnesomsättning och möjligen beteende och utveckling. Arbetsbina är den största gruppen i samhället och deras mikrobiota har studerats ingående. De får tarmmikrober genom sociala kontakter och kontakt med material i kupan. Under normala förhållanden etableras tarmens mikrobiota ungefär fem dagar efter att bina krupit ut och förblir relativt stabil hos friska bin. Den består huvudsakligen av fem bakteriegrupper: Bifidobacterium, Snodgrassella, Gilliamella, Lactobacillus och Bombilactobacillus.Arbetsbina har dessa kärngrupper gemensamt, men bakteriestammarna inom grupperna varierar mellan individer. Det kan ge mikrobsamhällen med olika funktionella egenskaper.
Drönarnas tarm innehåller några av samma bakteriegrupper som arbetsbinas, men mikrobiotan är vanligtvis mindre artrik och varierar mer mellan individer.När studien genomfördes var det föga känt hur drönarna får sin mikrobiota och om social kontakt bidrar till att den etableras. Mikrober har påvisats i fortplantningsvävnader hos flera djur, däribland insekter. Hos exempelvis myggor och tsetseflugor har sådana bakterier förknippats med utveckling eller fortplantningsförmåga. Det fick forskarna att undersöka om det också finns bakterier i honungsbiets fortplantningsvävnader och om de kan ha betydelse för hälsa och fertilitet.
Det är svårt att studera drottningar experimentellt eftersom de är oumbärliga för bisamhället. Drottningens fortplantningsförmåga och livslängd beror delvis på vilka drönare hon parar sig med. Därför kan studier av drönare visa om bakterier förekommer i honungsbiets fortplantningsvävnader och vilken roll de kan ha.
Studien undersökte om drönarnas fortplantningsvävnader innehåller bakterier, hur drönarna får sin mikrobiota i tarmen och fortplantningsvävnaderna och hur dessa samhällen förändras under könsmognaden. Forskarna sekvenserade amplikon från 16S-rRNA-genen för att identifiera och beskriva bakterier i tarmen och fortplantningsvävnaderna hos drönare som fötts upp under normala eller experimentella förhållanden. De rapporterade för första gången bakterier i fortplantningsorganen hos honungsbiets drönare. Drönare som kröp ut naturligt och sedan hölls under sterila laboratorieförhållanden utan social kontakt bar sällan på de bakteriegrupper som är typiska för drönare och arbetsbin som fötts upp under normala förhållanden. Hit hör Snodgrassella, Bifidobacterium, Gilliamella, Lactobacillus och Bombilactobacillus. Resultaten tyder på att social kontakt med arbetsbina, exempelvis vid matning och putsning, bidrar till att mikrobiotan etableras i drönarnas tarm och fortplantningsvävnader. Fyndet av ett återkommande bakteriesamhälle i drönarnas fortplantningsorgan gör också honungsbiet till en möjlig modellorganism för att undersöka hur mikrober i fortplantningsvävnad kan påverka värdens biologiska fitness.
Material och metoder Läs hela artikeln
Resultat
Forskarna påvisade en mikrobiota i drönarnas fortplantningsvävnader. Det öppnar nya möjligheter att studera drönarnas fortplantningsförmåga. Försöket visade också att etableringen av typiska bakteriesamhällen i tarmen och fortplantningsvävnaderna i hög grad berodde på social kontakt med arbetsbina, eftersom drönare som kröp ut på ramar men sedan hölls i laboratoriet utan kontakt med arbetsbin inte utvecklade den typiska mikrobiotan. Drönarna som återfördes till samhället hölls i burar som begränsade kontakten med kupans material. Det stöder tolkningen att kontakt med de arbetsbin som skötte dem bidrog till att mikrobiotan etablerades. Liksom i tidigare studier hade drönarnas tarmmikrobiota lägre mångfald än arbetsbinas och dominerades av Lactobacillus-arter. En möjlig förklaring är att ambina matar och sköter drönarna och ofta ägnar dem mindre omsorg när resurserna är knappa.
Författarna antar att omfattningen av den sociala kontakten när drönaren kryper ut och därefter påverkar hur dess mikrobiota etableras. Skillnader i kost och levnadssätt kan också spela in. Arbetsbin äter betydligt mer pollen än drönare och deras kost förändras när de övergår från att sköta yngel till att samla föda. Födosökande arbetsbin tillbringar mycket tid utanför kupan, medan drönare främst lämnar samhället för flygningar i samband med parning.
Antalet kopior av 16S-genen tydde först på oväntat höga bakteriemängder i tarmen och fortplantningsvävnaderna hos drönare som hölls i laboratoriet (NE-D0 och Lab-D5), trots att de typiska bakteriegrupperna hos honungsbin saknades. En möjlig förklaring är att binas vanliga bakterier normalt konkurrerar ut miljömikrober. I kupan hjälper ambina drönarna att avlägsna vaxlocket vid kläckningen och matar dem genast. Det kan vara början på etableringen av mikrobiotan. Författarna föreslår att en del av eller alla bakterier som påvisades hos laboratoriedrönarna kan ha kommit från yngelcellerna när de kröp ut. Cellerna kan innehålla växtmaterial och miljömikrober.
Många NE-D0-prover gav inga användbara sekvensdata, möjligen för att tarmen och fortplantningsvävnaderna innehöll mycket få bakterier. Efter kvalitetsfiltrering kom över 10 % av sekvensavläsningarna från tarmproverna från mitokondrier eller kloroplaster, eller kunde inte klassificeras. Hos vissa individer översteg andelen 40 %, vilket tyder på att få sekvenser var bakteriella. Mitokondrie- och kloroplastsekvenser förekommer ibland vid 16S-analyser av biets tarm på grund av värdvävnad och växtmaterial, men utgör vanligen en liten andel, exempelvis mindre än 1 %. Andelen mitokondriella eller oklassificerade avläsningar var också ovanligt hög i testikelprover från laboratoriedrönare, särskilt i NE-D0-gruppen. Omogna drönares testiklar innehåller många spermier, vars mittparti till stor del består av mitokondriella derivat.
Antalet kopior av 16S-genen som mättes med kvantitativ PCR (qPCR) kan därför ha överskattat mängden bakterier i laboratoriedrönarnas vävnader. Primrarna kan även amplifiera mitokondrie- eller kloroplast-DNA. Efter studien upptäckte forskarna att deras qPCR-primrar var särskilt benägna att oavsiktligt amplifiera mitokondrie-DNA i prover med få bakterier. Samhällena i tarmen och fortplantningsvävnaderna var överlag likartade hos Hive-D5 och Hive-D18 och dominerades av Lactobacillus i båda grupperna. Skillnader i den totala bakteriemängden och bakteriegruppernas relativa andelar kan spegla förändringar under mognaden. Den absoluta mängden i varje grupp mättes dock inte. En förändrad andel visar därför inte att antalet bakterier i gruppen har ändrats.
Grupperna NE-D0, Lab-D5 och Hive-D5 provtogs på sensommaren 2021. Hive-D18-drönarna kom från ett annat samhälle våren 2022, eftersom arbetsbina sommaren 2021 slutade sköta drönarna, som dog innan de blev könsmogna. Tidigare studier av arbetsbin har funnit att samhällets ursprung har liten inverkan på tarmmikrobiotans sammansättning men att årstiden kan påverka både sammansättningen och den absoluta bakteriemängden. Hos vinterbin har man exempelvis observerat fler bakterier och lägre mångfald inom enskilda prover. Årstiden kan därför bidra till skillnaderna mellan Hive-D5 och Hive-D18. Bakteriemängden var större hos vårens Hive-D18-drönare än hos sensommarens Hive-D5-drönare. Alfadiversiteten i tarmen och fortplantningsvävnaderna skilde sig inte signifikant mellan grupperna, och Lactobacillus dominerade i båda.
Fler studier behövs för att avgöra hur årstid, ursprungssamhälle och andra miljöfaktorer påverkar drönarnas mikrobiota. Tarmen och fortplantningsvävnaderna innehöll liknande bakteriegrupper. Steril dissektion, försiktighetsåtgärder för att hålla tarmen intakt och tydliga bakteriesignaler i fortplantningsvävnaderna talar emot oavsiktlig förorening med tarminnehåll. Liknande samhällen i båda vävnaderna har även observerats hos andra insekter, däribland tomatmalen (Tuta absoluta) och vissa myggor.
Honungsbin har specialiserade tarmsamhällen som har utvecklats tillsammans med värden. Vissa centrala bakteriegrupper kan omfatta stammar som är anpassade till särskilda vävnader och har olika funktioner. Hur bakterierna når fortplantningsvävnaderna är fortfarande okänt. Eftersom bakteriegrupperna liknade varandra inom varje drönare föreslår forskarna att immunsystemet och tarmbarriären fortfarande utvecklas vid kläckningen. Tarmbakterier skulle då kunna nå andra organ. Fluorescens-in situ-hybridisering (FISH) eller annan fluorescerande märkning kan hjälpa till att lokalisera cellerna i vävnaden. Metagenomisk sekvensering och odling kan användas för att undersöka skillnader mellan stammar.
Arbetsbinas tarmmikrober bidrar till ämnesomsättningen, försvaret mot smittämnen och immuniteten och kan även påverka utvecklingen. Effekterna på drönarnas hälsa undersöktes inte direkt, även om likheterna mellan samhällena antyder att vissa funktioner kan vara gemensamma. Såvitt författarna visste var detta den första studien som beskrev bakterier associerade med honungsbiets fortplantningsvävnader. Effekter på drönarnas hälsa eller fertilitet och eventuella följder för drottningar och bisamhällen är fortfarande hypoteser.
Framtida studier behöver visa vilken funktion bakterierna i fortplantningsvävnaderna har. Resultaten visar att de är värda att undersöka i studier av drönarnas hälsa och fortplantningsförmåga. Honungsbiet kan även vara en modell för forskning om mikrobiotan i såväl fortplantningsvävnaderna som tarmen.
Publicerad online 19 december 2024 · mSphere · DOI 10.1128/msphere.00705-24
Hela artikeln https://journals.asm.org/doi/10.1128/msphere.00705-24
Författare · 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) och (Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, USA)
Kommentarer