A méhek bél mikrobiotája a baktériumok anyagcseréje és a hormonális jelátvitel révén elősegíti a gazda súlygyarapodását

Szerkesztette: Joan E. Strassmann, Washingtoni Egyetem, St. Louis, St. Louis, MO, és 2017. március 24-én jóváhagyta (2017. február 1-én kapott felülvizsgálatra)

Jelentőség

A méhek világszerte fontos növényi beporzók. A felnőtt munkavállalók bélje olyan speciális baktériumokat tartalmaz, amelyek a méheken kívül nem találhatók meg. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a bélbaktériumok megnövelik a fiatal felnőtt méhek súlygyarapodását, befolyásolják az inzulin- és vitellogeninszintet szabályozó gének expresszióját, és növelik a szacharózérzékenységet. A bélbaktériumok a bélben lévő fizikai-kémiai viszonyokat is alakítják, csökkentve a pH-t és az oxigénszintet. A perifériás rezidens baktériumok oxigént fogyasztanak, így fenntartják az anoxiát, amire a mikrobiális aktivitáshoz szükség van. Ezenkívül a bélbaktériumok rövid szénláncú zsírsavakat termelnek, fő metabolitként acetát és propionát, mint az emberi és más állatok belében. Ez a tanulmány bemutatja, hogy a mézelő méh bélében lévő baktériumok hogyan befolyásolják a gazdaszervezet súlygyarapodását, és javítja annak megértését, hogy a bélszimbiontok hogyan befolyásolják a gazda egészségét.

Absztrakt

Mind a rovarokban, mind az emlősökben a bél mikrobiota nagy anyagcsere képességekkel rendelkezik, és jelentősen hozzájárulhat az étrend szénhidrát emésztéséhez a bél ökoszisztémájában (11). Az élelmi rost fő fermentációs termékeiként a bél mikrobiotája által előállított rövid szénláncú zsírsavak (SCFA-k), nevezetesen acetát, propionát és butirát 80–130 mM koncentrációban felhalmozódnak az emberi vastagbélben (12), és fő energiaforrás a bél hámsejtjeihez (13) vagy a gazda fő légzőszubsztrátjaként (14). Ezenkívül a mikrobiális metabolitok mély hatással lehetnek a bélfiziológiára; például az oxigénkoncentrációra, a pH-ra és a redoxpotenciálra gyakorolt hatása elengedhetetlen lehet a gazda egészsége szempontjából (15). Mint neuroaktív vegyületek, a bélmikrobiota által termelt SCFA-k befolyásolhatják a gazdaszervezet idegi és immunútjait, és ezáltal befolyásolhatják az agy működését és viselkedését (16).

A mézelő méhek esetében a genomon alapuló vizsgálatok kimutatták, hogy a G. apicola törzsek potenciálisan emészthetnek olyan komplex szénhidrátokat (vagyis a pollensejt falából származó pektint), amelyeket a gazda egyébként emészthetetlen (17). Egy nemrégiben készült tanulmány azt dokumentálja, hogy a G. apicola törzsek több, a méhekre káros cukrot is felhasználhatnak (18). Azt azonban, hogy a méh bél mikrobiota hogyan befolyásolja a gazda fiziológiáját és a bél mikrokörnyezetét, még nem írták le. Ezért összehasonlítottuk a csíra nélküli (GF) mézelő méheket a hagyományos bélközösséggel (CV) rendelkező méhekkel annak azonosítása érdekében, hogy a bél mikrobiota hogyan befolyásolja a súlygyarapodást, a hormonális utak mögött álló gének expresszióját, a bél fizikai-kémiai körülményeit és a bélben lévő metabolitkészleteket hemolimfa.

Eredmények és vita

A bél mikrobiota elősegíti a gazdatest és a bél súlygyarapodását.

A bél mikrobiota növeli a méhek egész testtömegét, a bél súlyát, a hormonális jelátvitelt és a szacharóz érzékenységet. (A) A GF (n = 45) és a CV méhek (n = 49) teljes test nedves súlyának növekedési görbéi négy különböző csalánkiütésből származnak (a származási telep statisztikailag nem volt szignifikáns). (B) A GF és a CV méhek napi súlygyarapodása sterilizált táplálékkal vagy kaptárápoló méhek hátsó bélmintáival kiegészített táplálékkal történő etetés után (1. naptól a 15. napig). (C) A GF, a CV és a kaptárápoló méhek különböző bélrekeszeinek súlya (n = 25). A sávok a különböző csalánkiütésű méhek (GF, n = 4; CV, n = 4) és a különböző csalánkiütésű méhek (n = 3) összevont bélének átlagértékeit mutatják. (D) Az ilp, inR és Vg gének differenciális expressziója a különböző csalánkiütésből származó GF és CV méhek fejében vagy hasában. n = 3. (E) A GF (n = 27) és a CV (n = 41) méhek szacharóz-válasz küszöbértékeinek eloszlása hegedűs ábrán látható. A származási telep statisztikailag nem volt szignifikáns. Minden kör jelzi a méh válaszát a megadott szacharózkoncentrációra. A – D, ** P 2 tesztben). NS, nem jelentős.

Inzulin/inzulinszerű jelzés és szacharóz érzékenység.

Kimutatták, hogy a mézelő méhek súlygyarapodása összefügg az inzulin inzulin/inzulinszerű jelátvitellel (IIS) (26). Az IIS út kulcsfontosságú szerepet játszik a rovarok növekedésében, szaporodásában és öregedésében (27), és szabályozza a mézelő méhek tápanyag homeosztázisát és viselkedését (28, 29). A mézelő méh genom két inzulinszerű peptidet (ILP) és két feltételezett inzulinreceptort (InR) kódoló géneket tartalmaz ezekhez a peptidekhez (30). Ezenkívül a vitellogenin (Vg), egy tojássárgája fehérje, kölcsönhatásba lép az IIS útjával a méhek táplálkozási állapotának szabályozására (31). Az ILP-ket előnyösen a dolgozó méhek fejében fejezik ki, míg az InR és a Vg a hasban jobban kifejeződik (32).

Megvizsgáltuk a két ILP gén (ilp1 és ilp2) expressziós szintjét 7-d éves méhek fejében, valamint két InR gén (inR1 és inR2) és egy Vg gén expressziós szintjét ugyanazon méhek hasában. Az ilp1 és Vg gének 5,8, illetve 4,9-szer nagyobb mértékben expresszálódtak CV-ben, mint GF méhekben, és az ilp2 és az inR1 is fokozta az expressziót a CV méhekben (1D. Ábra). Így a CV méhek fokozott inzulintermelést és reakciókészséget mutatnak. Az IIS útvonal reagál az étrendre, és az ilp1 expresszió a fehérjében gazdag étrenden a legmagasabb; ráadásul az ezzel a táplálékkal táplált méhek nagyobb testtömeghez jutnak (26 Eredményeink arra utalnak, hogy a bélbaktériumok aminosavakat szolgáltatnak, amelyek növelik az IIS gén expresszióját és a súlygyarapodást. A magas fehérjetartalmú étrendet folytató méhek káros súlygyarapodást és rövid élettartamot mutatnak (26); a CV és a GF méhek hasonló túlélése azonban azt jelzi, hogy a CV méhek súlygyarapodása nem befolyásolja a hosszú élettartamot. Ezzel szemben az inR2 expressziója nem változott szignifikánsan, ami arra utal, hogy ez nem reagál a tápanyag-manipulációkra, amint az ilp2 esetében látható (33, 34).

Megállapítottuk azt is, hogy a mikrobiota jelenléte hogyan befolyásolja a bél hámsejtjeinek teljes transzkripcióját. Az RNS szekvenálás elemzésében kimutatott 10 189 gén közül 221 gazda gén expressziója szignifikánsan nagyobb a CV méhekben (Dataset S1). Érdekes módon a legjelentősebben felfelé szabályozott gén az alacsony sűrűségű lipoprotein receptor szupercsaládhoz tartozik (S1. Ábra és S1 adatkészlet), amely a Drosophila-ban található Vg-receptort kódolja (35). A Vg-receptor azonban általában a petefészkben expresszálódik, ami azt sugallja, hogy az átiratok a petefészek maradványaiból származnak a boncolt bélekkel. Ennek ellenére az ilyen stimuláció összhangban áll a hasi Vg-expresszió növekedésével.

A mézelő méh gének transzkripciós expressziós profiljának összehasonlítása CV és GF méhekben. A vulkán ábrázolása a minták közötti átírások szeres változását (CV/GF) jelenti. n = 3.

Az IIS út szabályozza a dolgozó mézelő méhek viselkedését, beleértve a munkamegosztást és a szacharóz érzékenységet (29, 36). A szacharózérzékenység az energiaállapot és a jóllakottság mutatója a mézelő méhekben (37). A CV és a GF méhek proboscis kiterjesztési válaszának mérésével (Movie S1) azt találtuk, hogy a bél mikrobiota jelentősen megnöveli a szacharóz érzékenységet: Több CV méh válaszolt a szacharóz alacsonyabb koncentrációira (azaz a CV méhek „éhesebbek, mint a GF méhek). (1E. Ábra). Összevont eredményeink bizonyítják, hogy a mézelő méhek bélmikrobiota stimulálja az IIS és a Vg expresszióját, ami viszont befolyásolja a méhek jóllakottságát és végső soron elősegíti a gazdaszervezet súlygyarapodását. Ez a megfigyelés összhangban áll azokkal az eredményekkel, amelyek azt mutatják, hogy az IIS elősegíti a növekedést más bélmikrobiota modellekben, mint például a Drosophila (23) és az emlősök (38).

Fizikai-kémiai körülmények.

Fizikai-kémiai viszonyok és SCFA-profilok a GF és CV méhek belében. (A) Az oxigénkoncentráció radiális profiljai a különböző csalánkiütéses GF (n = 3) és CV (n = 3) mézelő méhek ileumában. A CV ileum központi régiói mindig abszolút anoxikusak (0% oxigén). Az egyes értékek eltérése általában kevesebb, mint 0,2% oxigén. A mélység az elektróda csúcsa és az agaróz felülete közötti távolságra vonatkozik. Az oxigénkoncentráció-gradiens vázlatos ábrázolása mikrooxikus perifériát mutat a CV bee ileum anoxikus központja körül, míg az oxigén még a GF beeileus közepén is jelen van. (B) A CV ileum hám transzmissziós elektronmikroszkópos felvételei bakteriális réteggel. (C) A pH és a redoxpotenciál mikroelektródprofiljai a GF és a CV béltengely mentén. A bél be volt ágyazva egy mikrokamrába agarózzal. A minták különböző csalánkiütésből származnak, de a származási telep statisztikailag nem volt szignifikáns. A hibasávok az SD-t jelzik (n = 4). (D) Az SCFA koncentrációi a GF és CV mézelő méhek ileumában, végbélében és hemolimfájában. A minták különböző kaptárakból származnak; a származási kolónia statisztikailag nem volt szignifikáns. A koncentrációértékek teljes listáját az S1 táblázat mutatja.

A Snodgrassella alvi wkB2 törzs oxigénfogyasztása. (A) A S. alvi szubsztrátum-specifikus oxigénfogyasztása. (B) Az S. alvi wkB2 törzs oxigénfogyasztási aránya az S. acetivorans és a Citrobacter sp. törzs RFC-10 különböző szubsztrátokon. Az adatok átlag ± SD (n = 3) formájában vannak feltüntetve.

A méh bél mikrobiota csökkent pH-értéket és redoxpotenciált is okoz (2C. Ábra), ami a baktériumok metabolikus aktivitását tükrözi. A pH axiális profiljai nagyobb savasságot mutattak a CV méhekben, mint a GF méheknél az egyes bélrégiók közepén, míg a pH a bél mentén növekszik, és az ileum és a végbél felé csökken mindkét esetben (2C. Ábra). Különösen az ileumban és a végbélben, ahol a legtöbb baktérium lokalizálódik, a CV értékek alacsonyabbak a CV méhekben (5,2 körül), mint a GF méhekben (6,0 körül), ami arra utal, hogy a különbség a mikrobiális aktivitást tükrözi. Mindkét béltípusban a redoxpotenciál az egész bélben pozitív, annak ellenére, hogy a bél anoxikus (2C. Ábra). Az emlős rendszereken végzett kísérletek során a vastagbél pH-jának és a redox státusznak fontos fiziológiai hatása van a Ca 2+ hozzáférhetőségére és a bélközösség összetételére (44). Ennek a csökkent vastagbél-pH-nak egyik fő oka az aktív fermentáció, ami az SCFA-k jelentős növekedését eredményezi (45).

Bélmetabolitok.

Az azonos korú GF és CV méhek bélmetabolitjai három különböző csalánkiütésből (15 nappal a kelés után)

A GF és a CV méhek közötti különböző bélfermentációs profilokat az oxigén állapota alakíthatja, amint azt a csótányok mutatják (50). A két legelterjedtebb méh bélfermentátor, a G. apicola és a Lactobacillus sp. In vitro tenyészeteiben a fermentációs termékek erősen függtek az oxigéntől (S2 és S3 táblázat), tisztázva a bél SCFA profiljainak különbségeit (2D. Ábra). . A G. apicola fő fermentációs terméke a környezeti levegő alatt a malát, de az O2 csökkenésével a G. apicola több acetát és propionát termelésére vált át (S2. Táblázat), ami összhangban van az in situ eredményekkel. Bár a Lactobacillus fajokat tejsavtermelőknek tekintik (51), jelentős mennyiségű acetátot termelnek, ha a fejtér 2% O2-t tartalmaz (S3. Táblázat). Az elmozdulást a laktátról az acetát képződésére O2 jelenlétével dokumentálták az Enterococcus RfL6 törzsben a termesz bélből (52). Eredményeink azt mutatják, hogy a bélben élő baktériumok hozzájárulnak a hátsó bélben észlelt fő SCFA-khoz.

Különböző oxigénkoncentrációk mellett tenyésztett G. apicola wkB1 törzs fermentációs termékei