Микробы пчел формируют социальное поведение колонии

Для улья(мишени) атака может обернуться катастрофой - пчелы могут быть убиты, пытаясь защитить пищу колонии, в то время как кража меда оставляет колонию под угрозой голода в течение зимы.

Колонии пытаются предотвратить эти вторжения, размещая пчел-охранников за пределами улья, чтобы следить за тысячами пчел, входящих и выходящих из улья. Пчелы-охранники используют запах кутикулярных углеводородов других пчел (КУ) для идентификации особей, которые пытаются проникнуть из разных семей.

Считалось, что различия в составе КУ зависят от генетики, но исследователи показали, что дневные пчелы могут быть интегрированы в чужой улей с малым процентом отторжения со стороны другой колонии.

Кэсси Вернье, бывшая аспирантка Вашингтонского университета в Сент-Луисе, пыталась найти ответы в микробиоте пчел на загадку способностей насекомых распознавать химические знаки.
«Геном человека состоит не только из собственных генов, но и из геномов всех микроорганизмов, живущих в этом теле», - говорит она. Чтобы узнать, может ли микробиота пчел влиять на состав кутикулярных углеводородов, Вернье и ее коллеги из Вашингтонского университета провели эксперименты по культивированию перекрестных ульев, в которых молодые пчелы выращивались как в своих собственных, так и в чужих колониях.

Чашка Петри с бактериями, выращенными в кишечнике медоносной пчелы.

Команда секвенировала образцы кишечника пчел и проанализировала экстракты КУ в обеих группах, обнаружив, что и родной улей пчелы, и улей, в котором она выросла, влияют на микробиом кишечника насекомого, который, в свою очередь, влиял на состав кутикулярных углеводородов.

Ученые идентифицировали у испытуемых 14 видов бактерий, различающихся по численности и вариациям в зависимости от места выращивания пчелы, шесть из которых были одинаковыми среди пчел, которые выросли в одном улье, независимо от генетической связи.
Исследователи также скармливали различные смеси микробов отдельной группе только что вылупившихся пчел и обнаружили, что у этих пчел также развиваются разные микробные сообщества, что, в свою очередь, приводит к многочисленным разновидностям КУ.

Как оказалось, пчелы с родственным микробиомом принимают чужих в свою колонию, а своих, зараженных теми же бактериями - не идентифицируют, при этом кусают, жалят и выталкивают из улья. «Это первый случай, когда показано, что микробиом играет роль в основной социальной биологии насекомого, а не в аспектах, которые связанны со здоровьем», - говорит Вернье. «В данном случае, похоже, это стимулирует базовое социальное поведение, которое помогает колонии выжить».

Нэнси Моран, биолог из Техасского университета в Остине, которая не участвовала в исследовании Вернье и помогала в исследовании микробиоты пчел, считает новое исследование «очень убедительным», добавляя, что оно указывает на еще одну важную роль, которую играет микробиологическая популяция у пчел.

Моран говорит, что изменения в микробиоме будут важным фактором сокращения численности колоний, отмечая, что пестициды, которые пчеловоды используют для уничтожения клещей в своих колониях, а также средства для уничтожения сорняков, такие как глифосат, могут уничтожить микробные сообщества пчел и сделать насекомых уязвимыми перед инфекциями.

Пчелы-охранники осматривают возможного злоумышленника у входа в их улей.

Лаборатория Нэнси Моран обнаружила, что микробиомы кишечника медоносных пчел по всему миру различаются по химическому составу, и эволюция микробиома длится уже около 80 миллионов лет.

«У каждой рабочей пчелы в любой точке мира есть один и тот же набор бактерий» с точки зрения микробных таксонов, - объясняет она, хотя, как показывает исследование Вернье, вариации на уровне штаммов в этом микробном сообществе играют решающую роль для распознавания "соседа по колонии".

Микробиолог Ирен Ньютон из Индианского университета в Блумингтоне, которая не участвовала в исследовании Вернье, также обнаружила новые роли микробиома в метаболизме, поведении и здоровье пчел.
Она была поражена предыдущими исследованиями, которые показали, что пчелы могут определять, когда их пчелиная матка была оплодотворена, и различать большие и низкие объемы семенной жидкости в ней, основываясь на ее запахе, и в результате могут изменять свое поведение по отношению к ней.

Ньютон хотела узнать больше о биологии матки и с тех пор обнаружила, что одна бактерия - Bombella apis особенно распространена в микробиомах маток, однако, рабочие пчелы и хранилища нектара также содержат небольшие количества этих бактерий. Она говорит, что это единственный обнаруженный ею микроб, который может расти в «сильнодействующей антимикробной» среде маточного молочка, которым рабочие пчелы кормят королеву.

В прошлом году лаборатория Ньютон опубликовала исследование на сервере препринтов bioRxiv, показывающее, что Bombella apis продуцирует противогрибковые метаболиты, с помощью которых микроб помогает предотвратить проникновение грибковых патогенов в организмы пчел. «Поражает тот факт, что пчелы приносят пыльцу обратно в колонию, и мы не видим грибов в качестве основных частей каких-либо компонентов микробиома пчел», - говорит она, отмечая, что пчелы могут взаимодействовать с тысячами цветов в день, но при этом устойчивы ко многим грибковым патогенам, поражающих растения.

Ньютон добавляет, что пчелы представляют собой нечто вроде принципа Златовласки для изучения функций микробиома у насекомых.
"Они - золотая середина между не слишком сложными и не слишком простыми насекомыми". Другие известные модели животных, такие как Drosophila melanogaster, обычно имеют только несколько типов бактерий, и состав микробиома гораздо более подвержен воздействию окружающей среды, потому что, в отличие от пчел, мухи не имеют центральной колонии, где они могут обмениваться бактериями друг с другом. Что касается Вернье, изучение микробиомов пчел изменило ее взгляд на пчел, говорит она. «Когда я вижу пчелу, я сразу думаю о том, что внутри нее».