Исследование микробиома пчёл: симбионты, здоровье и путешествие на 3000 км
Исследователи во главе с эволюционным биологом Нэнси Моран совершили героический переезд из Йельского университета в Техасский университет в Остине, преодолев 1825 миль (около 3000 км) в минивэне с кошкой и 100 000 пчёл. Пчёлы перевозились в запечатанных ящиках с проволочной сеткой для вентиляции и регулярно получали влажные губки. Целью было сохранить колонии для непрерывности исследований симбиоза между многоклеточными хозяевами и микробами.
Цель и значение исследований
Широкой целью работы является понимание разнообразия и функций кишечной микробиоты медоносных пчёл (Apis mellifera) и шмелей (род Bombus). Эта система имеет параллели с микробиомом человека:
- Это длительно совместно эволюционировавшее и специализированное бактериальное сообщество.
- Оно влияет на здоровье хозяев.
Кишечные микробные симбионты необходимы для жизни большинства видов животных. У медоносной пчелы есть характерный набор из около восьми видов симбиотических бактерий, некоторые из которых встречаются у других видов Apis и у шмелей. Социальность пчёл обеспечивает надёжную передачу симбионтов между особями внутри колонии, что аналогично передаче у млекопитающих через материнскую заботу.
Пчёлы критически важны экологически и экономически: в США они опыляют сельхозкультуры на $15 млрд ежегодно. Изучение их микробиома может помочь в понимании проблем со здоровьем, включая синдром разрушения колоний (CCD).
Ключевые открытия
1. Устойчивость к антибиотикам
Бактерии в кишечнике американских медоносных пчёл высоко устойчивы к тетрациклину. Команда Морана обнаружила восемь разных генов устойчивости к тетрациклину у пчёл, подвергавшихся воздействию этого антибиотика (который десятилетиями использовался пчеловодами США для профилактики болезней). Эти гены в основном отсутствовали у пчёл из стран, где такое использование запрещено. Это свидетельствует о горизонтальном переносе генов и динамической природе геномов симбионтов.
2. Культивирование и номенклатура
Недавно все основные виды бактерий-симбионтов удалось культивировать в лаборатории. Трем ключевым видам, обитающим в подвздошной кишке пчелы, даны официальные названия в честь выдающихся биологов:
- Snodgrassella alvi
- Gilliamella apicola
- Frischella perrara
Два из них также живут в шмелях. Внутри каждого вида обнаружены различные штаммы с уникальными наборами «аксессуарных» генов, влияющих на метаболизм сахаров или расщепление компонентов пыльцы.
3. Защита от паразитов
Исследования показали, что кишечные симбионты шмелей защищают хозяев от простейших паразитов. Учёные пытаются выяснить, верно ли это для медоносных пчёл.
4. Различия между видами
Обследование трёх видов шмелей показало, что, в отличие от медоносных пчёл, у которых у каждой рабочей особи есть основные симбионты, у некоторых особей шмелей правильные симбионты могут отсутствовать. Это может быть связано с различиями в жизненных циклах и социальной организации.
Практические аспекты работы
- Финансирование: Национальный научный фонд США (NSF) выделил на эти исследования $2 006 416 на пять лет (с 2010 г.).
- Пчёлы для исследований: Лаборатория заказывает пчёл из разных регионов, отдавая предпочтение пчёлам из Северной Калифорнии за их «очень спокойный характер». Техасские пчёлы в ходе эксперимента оказались более «задиристыми».
- Здоровье колоний: Благодаря мастерству техника-пчеловода Кима Хаммонда колонии в лаборатории очень здоровы, что иногда затрудняет поиск распространённых патогенов (например, видов Nosema или РНК-вирусов вроде Deformed Wing Virus) для экспериментов по заражению.
- Меры безопасности: Исследователи работают в защитных костюмах, в лаборатории используют молодых пчёл, которые меньше жалят. На случай аллергических реакций есть набор с эпинефрином.
- Бонус: Побочным продуктом исследований является мёд, который используется в качестве подарков.