Редактирано от Джоан Е. Страсман, Вашингтонски университет в Сейнт Луис, Сейнт Луис, Мисури, и одобрено на 24 март 2017 г. (получено за преглед на 1 февруари 2017 г.)

увеличаването

Значимост

Медоносните пчели са глобално важни опрашители на растенията. В червата на възрастни работници се съдържат специализирани бактерии, които не се срещат извън пчелите. Експериментални резултати показват, че чревните бактерии увеличават наддаването на тегло при млади възрастни пчели, влияят върху експресията на гени, регулиращи нивата на инсулин и вителогенин и повишават чувствителността на захарозата. Чревните бактерии също оформят физикохимичните условия в червата, понижавайки нивата на pH и кислорода. Резидентните периферни бактерии консумират кислород, като по този начин поддържат аноксия, необходима за микробната активност. В допълнение, чревните бактерии произвеждат късоверижни мастни киселини с ацетат и пропионат като основни метаболити, както в червата на хора и други животни. Това проучване демонстрира как бактериите в червата на медоносната пчела влияят върху наддаването на тегло на гостоприемника и подобрява нашето разбиране за това как симбионтите на червата влияят върху здравето на гостоприемника.

Резюме

Както при насекомите, така и при бозайниците, чревната микробиота може да притежава голям репертоар от метаболитни способности и може да допринесе значително за храносмилането на храната с храната в чревната екосистема (11). Късоверижните мастни киселини (SCFAs), а именно ацетат, пропионат и бутират, произведени от чревната микробиота като основни ферментационни продукти на диетични фибри, се натрупват в човешкото дебело черво в концентрации до 80–130 mM (12) и служат като основна енергиен източник за чревни епителни клетки (13) или като основен дихателен субстрат на гостоприемника (14). Освен това, микробните метаболити могат да имат дълбоко въздействие върху физиологията на червата; например, техните ефекти върху концентрацията на кислород, pH и редокс потенциала могат да бъдат от съществено значение за здравето на гостоприемника (15). Като невроактивни съединения, SCFAs, произведени от чревната микробиота, могат да повлияят на нервните и имунните пътища на гостоприемника и по този начин да повлияят на мозъчната функция и поведение (16).

В случая на медоносните пчели, геномни изследвания показват, че щамовете на G. apicola потенциално усвояват сложни въглехидрати (т.е. пектин от клетъчна стена на полени), които иначе са несмилаеми от гостоприемника (17). Неотдавнашно проучване документира, че щамовете на G. apicola също могат да използват няколко захари, които са вредни за пчелите (18). Обаче как микробиотата на пчелните черва влияе върху физиологията на гостоприемника и чревната микросреда все още не е описано. Следователно, сравнихме пчелите без бактерии (GF) с тези с конвенционална чревна общност (CV), за да идентифицираме как чревната микробиота влияе върху наддаването на тегло, експресията на гените, лежащи в основата на хормоналните пътища, физикохимичните условия на червата и метаболитните басейни в червата и хемолимфа.

Резултати и дискусия

Gut Microbiota насърчава увеличаването на теглото на домакините и на червата.

Чревната микробиота увеличава теглото на цялото тяло на пчелите, теглото на червата, хормоналната сигнализация и чувствителността към захарозата. (A) Криви на растеж на мокро тегло на цялото тяло на GF (n = 45) и CV пчели (n = 49) произхождат от четири различни кошера (колонията на произход не е статистически значима). (Б) Ежедневно увеличаване на теглото на пчелите GF и CV след хранене със стерилизирана храна или храна, допълнена с проби от задните черва на пчелите кърмачки (ден 1 до ден 15). (C) Тегло на различни отдели на червата на GF, CV и пчелни кърмачки (n = 25). Баровете показват средните стойности на 10–15 обединени черва на пчели от различни кошери (GF, n = 4; CV, n = 4) и пчелни кошери от различни кошери (n = 3). (D) Диференциална експресия на гени ilp, inR и Vg в главата или корема на GF и CV пчели с произход от различни кошери. n = 3. (E) Разпределение на праговете за отговор на захароза на пчелите GF (n = 27) и CV (n = 41), показани като цигулка. Колонията на произход не е била статистически значима. Всеки кръг показва пчелен отговор на предоставената концентрация на захароза. В A – D, ** P 2 тест). NS, не е значително.

Инсулин/инсулиноподобна сигнализация и захарозна чувствителност.

Доказано е, че наддаването на тегло при медоносните пчели е свързано с инсулин инсулин/инсулиноподобна сигнализация (IIS) (26). Пътят на IIS играе ключова роля за растежа, размножаването и стареенето на насекомите (27) и е регулатор на хомеостазата и поведението на хранителните вещества при медоносните пчели (28, 29). Геномът на медоносната пчела съдържа гени, кодиращи два инсулиноподобни пептида (ILP) и два предполагаеми инсулинови рецептора (InRs) за тези пептиди (30). В допълнение, вителогенинът (Vg), протеин от яйчен жълтък, взаимодейства с пътя на IIS, за да регулира хранителния статус на пчелите (31). ILPs са преференциално изразени в главите на работни пчели, докато InRs и Vg са по-силно изразени в корема (32).

Изследвахме нивата на експресия на двата ILP гена (ilp1 и ilp2) в главите на 7-d-стари пчели и на два InR гена (inR1 и inR2) и един Vg ген в корема на същите пчели. Гените ilp1 и Vg бяха изразени 5.8 и 4.9 пъти по-високи в CV, съответно в GF пчелите, а ilp2 и inR1 също увеличиха експресията в CV пчели (фиг. 1D). По този начин CV пчелите имат подобрено производство на инсулин и реакция. Пътят на IIS отговаря на диетата и експресията на ilp1 е най-висока при богата на протеини диета; освен това пчелите, хранени с тази диета, получават повече телесно тегло (26). Нашите резултати показват, че чревните бактерии доставят аминокиселини, които увеличават експресията на IIS гена и увеличаването на теглото. Пчелите на диети с високо съдържание на протеини показват вредно наддаване на тегло и кратък живот (26); обаче подобното оцеляване на пчелите с CV и GF показва, че увеличаването на теглото на пчелите с CV не влияе на дълголетието. За разлика от това, експресията на inR2 не е била значително променена, което предполага, че не реагира на манипулации с хранителни вещества, както е показано за ilp2 (33, 34).

Също така определихме как присъствието на микробиота влияе върху цялостния транскриптом на чревните епителни клетки. От 10 189 гена, открити в анализа на секвенирането на РНК, 221 гена гостоприемник са значително по-силно изразени в CV пчели (Dataset S1). Интересното е, че най-значително регулираният нагоре ген принадлежи на суперсемейството на липопротеиновите рецептори с ниска плътност (фиг. S1 и набор от данни S1), което кодира Vg рецептора в дрозофила (35). Въпреки това, Vg рецепторът обикновено се експресира в яйчника, което предполага, че транскриптите произхождат от остатъка на яйчниците с разчленените черва. Независимо от това, подобна стимулация е в съответствие с увеличаването на експресията на Vg в корема.

Сравнение на транскрипционните профили на експресия на гени от пчелни пчели в CV и GF пчели. Графикът на вулкана отчита промяна на сгъването (CV/GF) на транскриптите между пробите. n = 3.

Пътят на IIS регулира поведението на пчелите-пчели, включително разделението на труда и чувствителността към захарозата (29, 36). Захарозната чувствителност е показател за енергийно състояние и ситост при медоносните пчели (37). Чрез измерване на отговора на хоботното удължаване както на пчелите с CV, така и на GF (Movie S1), установихме, че чревната микробиота значително повишава чувствителността към захарозата: Повече пчели от CV реагират на по-ниски концентрации на захароза (т.е. пчелите с CV са по-гладни от пчелите с GF) (Фиг. 1Е). Нашите комбинирани резултати предоставят доказателство, че чревната микробиота на медоносните пчели стимулира експресията на IIS и Vg, което от своя страна влияе върху ситостта на пчелите и в крайна сметка насърчава увеличаването на теглото на гостоприемника. Това наблюдение е в съответствие с резултатите, показващи, че IIS насърчава растежа в други модели на чревна микробиота като Drosophila (23) и бозайници (38).

Физикохимични условия.

Физикохимични условия и профили на SCFA в червата на GF и CV пчели. (А) Радиални профили на концентрация на кислород в илеума на GF (n = 3) и CV (n = 3) медоносни пчели от различни кошери. Централните области на CV илеумите винаги са абсолютно аноксични (0% кислород). Отклонението за всяка стойност обикновено е по-малко от 0,2% кислород. Дълбочината се отнася до разстоянието между върха на електрода и повърхността на агарозата. Схематичното представяне на градиента на концентрация на кислород показва микрооксична периферия около аноксичния център в CV пчелен илеум, докато кислородът присъства дори в центъра на GF пчелен илеум. (Б) Трансмисионни електронни микрофотографии на CV илеумния епител с бактериален слой. (C) Микроелектродни профили на рН и редокс потенциал по оста на GF и CV на червата. Червата бяха вградени в микрокамера с агароза. Пробите са с произход от различни кошери, но колонията на произход не е била статистически значима. Лентите за грешки показват SD (n = 4). (D) Концентрации на SCFA в илеума, ректума и хемолимфата на GF и CV медоносните пчели. Пробите са с произход от различни кошери; колония на произход не е била статистически значима. Пълният списък на стойностите на концентрацията е показан в таблица S1.

Консумация на кислород от щам Snodgrassella alvi wkB2. (А) Консумация на кислород на S. alvi, специфична за субстрата. (B) Скоростта на консумация на кислород на щам S. alvi wkB2 в сравнение с тази на S. acetivorans и Citrobacter sp. щам RFC-10 върху различни основи. Данните са показани като средно ± SD (n = 3).

Микробиотата на пчелните черва също причинява намалено рН и редокс потенциал (фиг. 2С), отразявайки бактериалната метаболитна активност. Аксиалните профили на рН показват по-голяма киселинност при CV пчелите, отколкото при GF пчелите в центъра на всяка област на червата, докато рН се увеличава по средата на червата и намалява към илеума и ректума и при двете (фиг. 2С). Особено в илеума и ректума, където повечето бактерии се локализират, стойностите на pH са по-ниски при пчелите с CV (около 5,2), отколкото при пчелите с GF (около 6,0), което предполага, че разликата отразява микробната активност. И при двата типа черва редокс потенциалът е положителен в червата, въпреки че червата е аноксична (фиг. 2В). В експерименти върху системи на бозайници, рН на дебелото черво и редокс състоянието имат важни физиологични ефекти върху наличието на Ca 2+ и върху състава на чревната общност (44). Основна причина за това намалено рН на дебелото черво е активната ферментация, водеща до значително увеличение на SCFAs (45).

Чревни метаболити.

Чревни метаболити на GF и CV медоносни пчели от една и съща възрастова група от три различни кошера (15 дни след появата)

Различните профили на ферментация на червата между GF и CV пчелите могат да се определят от кислородния статус, както е показано при хлебарки (50). В действителност, при in vitro култури на двата най-разпространени ферментатора на пчелни черва, G. apicola и Lactobacillus sp., Ферментационните продукти силно зависят от състоянието на кислорода (таблици S2 и S3), изяснявайки разликите в профилите на SCFA на червата (фиг. 2D) . Основният ферментационен продукт на G. apicola под атмосферния въздух е малатът, но с намаляване на O2, G. apicola преминава към производството на повече ацетат и пропионат (Таблица S2), както е в съответствие с резултатите in situ. Въпреки че видовете Lactobacillus се считат за производители на млечна киселина (51), те произвеждат значителни количества ацетат, когато пространството за главата съдържа 2% от O2 (Таблица S3). Преминаването от образуване на лактат към ацетат с присъствие на O2 е документирано в щама Enterococcus RfL6 от червата на термита (52). Нашите резултати показват, че пребиваващите чревни бактерии допринасят за основните SCFAs, открити в задните черва.

Ферментационни продукти на щам G. apicola wkB1, култивирани при различни концентрации на кислород