Пчела как модель человека?
Исследовать взаимодействие симбионта и хозяина очень непросто. Кишечные сообщества млекопитающих включают сотни видов, и определить вклад одного из них практически невозможно. Кроме того, состав микробиоты зависит от внешних условий и потому неустойчив.
Совершенно иная ситуация сложилась в кишечнике медоносной пчелы Apis mellifera. Его населяет всего девять доминирующих видов бактерий, относящихся к пяти группам: Snodgrassella, Gilliamella, Bifidobacterium и две линии Lactobacillus. Такая композиционная простота облегчает изучение. Все виды можно культивировать в лаборатории и заражать ими насекомых, свободных от симбионтов, то есть проводить сравнительное исследование.
Микрофлора медоносных пчел специализирована, она встречается только в кишечнике A. Mellifera и в улье. Ее становление совпало с формированием пчелиной социальности, у одиночных пчел этих бактерий нет или они присутствуют в следовых количествах. Социальность обеспечивает постоянство состава микрофлоры. Пчелы живут большими группами и заглатывают бактерии, которые содержатся в экскрементах, на поверхностях внутри улья, а иногда и в пище, которую получают от других рабочих пчел (такое взаимное кормление называется трофоллаксисом).
Рис. 1. Пищеварительный тракт медоносной пчелы
Формирование микрофлоры происходит постепенно и строго соответствует пищевым потребностям пчелы в зависимости от ее возраста и статуса. Личинки поначалу свободны от бактерий, но их кормят рабочие пчелы: сперва маточным молочком (секретом специальных желез), затем медом, нектаром и пыльцой. В результате личинки обзаводятся бактериями из улья, корма и кишечника взрослых особей, но это сообщество неустойчиво. У юной пчелы, только вышедшей из куколки, кишечник чист, и бактерии появляются там в первые дни жизни, до того, как пчелы покинут улей. Микрофлора поселяется главным образом в тонкой и толстой кишке, в других отделах пищеварительного тракта бактерий мало (рис. 1).
Поскольку диета рабочих пчел богата сахарами и другими углеводами (нектаром, медом и пыльцой), большинство видов кишечных бактерий расщепляет эти соединения. Некоторые симбионты разлагают даже редкие сахара (маннозу, арабинозу, раффинозу, галактозу и лактозу), которые для пчел не перевариваемы и потенциально токсичны.
У пчелиных маток и трутней микрофлора беднее. У трутней она сходна с микробиотой рабочих пчел, в ней много лактобацилл. В кишечнике личинок и маток в изобилии встречается специфическая бактерия Parasaccharibacter apium. Она также присутствует в железах рабочих пчел, которые кормят молочком матку и личинок. P. Apium хорошо приспособилась к аэробным условиям и высокому содержанию сахара, токсичным для большинства кишечных симбионтов, и прекрасно себя чувствует в маточном молочке, нектаре и меде.
Изменения в составе кишечной микробиоты ухудшают здоровье хозяина, попустительствуют патогенам и увеличивают смертность. Микрофлору медоносных пчел много лет изучает профессор Техасского университета в Остине Нэнси Моран. Вместе с коллегами она исследовала влияние кишечной микробиоты на рост рабочей пчелы.
Роль микрофлоры познается в сравнении. Сравнивать нужно обычных и безмикробных насекомых. Чтобы их получить, куколок удаляют из улья, и они развиваются в стерильных лабораторных условиях. Часть вылупившихся пчел кормят стерильной пищей, и в их кишечнике не более 10 тысяч случайных бактерий. Другой группе насекомых дают корм, зараженный бактериями из кишечника рабочих пчел. У них формируется нормальная микрофлора, которую положено иметь здоровой пчеле. Обе группы насекомых в лабораторных условиях выживают одинаково, но безмикробные пчелы весят на 82% меньше, чем пчелы с нормальной микрофлорой и рабочие особи из обычного улья.
Рис.2.
Благодаря микробиоте рабочая пчела нормально растет, активно реагирует на запах сахарозы и экспрессирует гены, регулирующие метаболизм и поведение. Ее кишечные симбионты, в том числе G. Apicola и Lactobacillus sp., расщепляют сахара и синтезируют короткоцепочечные жирные кислоты, которые обеспечивают рост насекомого. Этим бактериям нужны анаэробные условия, которые обеспечивает S. alvi: она активно связывает кислород, не допуская его в просвет кишечника
Рост, размножение, поведение и старение пчел находятся под контролем инсулиноподобных пептидов и двух рецепторов к ним. Кроме того, в инсулиноподобном пути участвует белок вителлогенин, регулирующий питание пчел. У A. Mellifera с нормальной микробиотой гены этих белков экспрессируются активнее, чем у безмикробных, благодаря чему пчела увеличивает вес (рис. 2). Чтобы пчела хорошо питалась, она должна чувствовать запах сахарозы. Эта чувствительность, а также трудовое поведение рабочих пчел находятся под контролем инсулиноподобного пути. Активируя этот путь, кишечная микробиота существенно повышает чувствительность пчел к сахарозе.
Экспрессию генов инсулиноподобного пути стимулирует высокое содержание аминокислот. Ими пчелу снабжают кишечные бактерии. Кроме того, симбионты пчелы синтезируют короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК) — уксусную, пропионовую и масляную. Эти кислоты — результат ферментации сахаров — служат основным источником энергии для хозяина (и клеток кишечника, в частности). КЦЖК также влияют на нервную и иммунную системы пчелы, то есть на ее поведение и функции мозга.
Расщепляют углеводы и синтезируют КЦЖК в основном бактерии Gilliamella apicola, живущие в тонкой кишке, и Lactobacillus spp., облюбовавшие толстую кишку. Некоторые штаммы G. Apicola разлагают даже пектин — компонент клеточной стенки пыльцевых зерен, которые пчелы своими силами переварить не могут, поскольку не вырабатывают пектиназы. Однако пыльца — важная часть их рациона, ее насекомые усваивают благодаря ферментам симбионтов.
Для успешной работы кишечным бактериям необходимы бескислородные условия, а меж тем кислород просачивается через стенку кишечника, и его концентрация может достигать 1%. Но у пчел есть специальный перехватывающий симбионт — Snodgrassella alvi. Он обитает у самой стенки, углеводы не расщепляет, а окисляет продукты метаболизма других бактерий: цитрат, малат, ацетат и молочную кислоту. При этом кислород расходуется и не проходит дальше в просвет кишечника, где живут анаэробные симбионты (рис. 2).
Кишечное микробное сообщество медоносных пчел специфично и хорошо организовано пространственно, бактерии помогают пищеварению хозяина, обеспечивают его здоровье и нормальное развитие. По мнению Нэнси Моран, эти особенности делают медоносную пчелу прекрасным объектом для изучения микробиоты человека, в том числе факторов, влияющих на формирование симбиотического сообщества. Однако пчелы — объект настолько уникальный, сложный и ценный, что достойны изучения сами по себе.
Источник: elementy.ru
