Бджоли України

Мед проти сахарози або кукурудзяний сироп з високим вмістом фруктози – дієтозалежна експресія генів у медоносних бджіл.

Marsha M. Wheeler & Gene E. Robinson
Scientific Reports volume 4, Article number: 5726 (2015)

Сильний спад популяцій медоносних бджіл змусив шукати ключові фактори, що впливають на здоров’я медоносних бджіл. Основне занепокоєння викликає харчування, оскільки недоїдання медоносних бджіл пов’язане з порушенням імунної системи та підвищеною сприйнятливістю до пестицидів. Часто пасічники підгодовують бджіл кукурудзяним сиропом з високим вмістом фруктози (HFCS) або сахарозою після відкачування меду або в безвзяткові періоди.

Згідно наведеного дослідження, підкормка будь-яким із цих двох альтернативних джерел вуглеводів викликало сотні відмінностей у експресії генів у жировому тілі, периферійній тканині, що чутливі до поживних речовин. Ці відмінності в експресії включали гени, що беруть участь у метаболізмі білка та зниженні окислення. Відмінності між HFCS та кормами з сахарозою були набагато більш тонкими і включали кілька генів, що беруть участь у вуглеводному та ліпідному обміні. Результати свідчать про те, що альтернативні харчові замінники, які широко використовуються у бджільництві, не забезпечують бджіл повноцінним харчуванням в порівнянні з медом.

Основним для здоров’я медоносних бджіл є харчування. Недоїдання бджолиних колоній може бути наслідком густоти розміщення відносно доступної флори, дефіцитом пилку чи нектару з низьким поживним значенням. Погане харчування може зробити бджіл більш сприйнятливими до пестицидів і призвести до ушкодження імунної системи, що робить бджіл більш вразливими до захворювань.

Основним природним джерелом вуглеводів медоносних бджіл є нектар, який збирається з квітів, транспортується у вулик і переробляють у мед для зберігання. Це перетворення включає в себе зниження вмісту води до 16-20% , з додаванням виділень залоз, які містять мікроорганізми і ферменти, в тому числі амілази, глюкози оксидази та інвертази. Вони підвищують кислотність і перетворюють сахарозу в нектарі в глюкозу та фруктозу.

Кінцеві складові меду різняться залежно від джерела нектару, але в основному це фруктоза (30–45%), глюкоза (24–40%) та сахароза (0,1–4,8%), а також сліди інших дисахаридів, вітамінів, мінералів, амінокислоти та різноманітні фенольні сполуки.

Дорослі медоносні бджоли використовують мед як паливо для енергоємних польотів та терморегуляції колоній. На відміну від личинок, дорослі бджоли мають низький рівень ліпідів у тілі і не можуть виживати протягом тривалого періоду часу без джерела вуглеводів. Постійний запас цукру особливо важливий для бджіл, що зайняті годівлею, оскільки їхня дієта, в основному на основі вуглеводів. Порівняно з молодшими бджолами, які спеціалізуються на виконанні завдань всередині вулика, бджоли-збирачки також мають більш високу швидкість метаболізму і втрачають більше половини власних запасів ліпідів у тілі.

Бджолярі часто дають додаткові вуглеводи у вигляді кукурудзяного сиропу з високим вмістом фруктози (HFCS) або сахарози після відкачування меду або в безвзятковий період. Підгодівля HFCS стало поширеною практикою після попередніх досліджень, які показали прийнятну виживаність медоносних бджіл та еквівалентну продукцію меду та довгострокову продуктивність щодо годування медом. Крім того, HFCS має співвідношення фруктози та глюкози, подібне до меду, що складається з 55% фруктози та 42% глюкози. HFCS також дешевше сахарози і є менш трудомістким для підгодівлі, оскільки він надходить у рідкій формі.

Однак питання щодо придатності HFCS для медоносних бджіл виникли, частково через колапс бджолиних колоній CCD та в результаті досліджень, що показують, що HFCS може мати шкідливий метаболічний вплив у ссавців. Штучний мед, що виробляється виключно з HFCS, має інший вуглеводний профіль (містить фруктозил-фруктозу), ніж штучний мед, вироблений із сахарози, і, як показано, зменшує нарощування бджіл навесні та виробництво воску відносно сахарози. Крім того, зростає доказ того, що компоненти натурального меду, відсутні у сахарозі та HFCS, позитивно впливають на ксенобіотичну систему детоксикації медоносних бджіл. Ці результати говорять про те, що мед, сахароза та HFCS можуть по-різному впливати на фізіологію та здоров’я медоносних бджіл.

Ми дослідили цю проблему за допомогою генетичного аналізу, щоб всебічно дослідити вплив меду, сахарози та HFCS на експресію генів жирового тіла в бджолиному організмі. Жирове тіло бджоли – це багатофункціональний орган, відповідальний за зберігання поживних речовин, мобілізацію енергії та вироблення антимікробних пептидів. Зберігання та мобілізація поживних речовин поєднані з гормональними сигналами, які включають інсулін та адипокінетичний гормон для задоволення постійних фізіологічних потреб. У дорослих медоносних бджіл жирове тіло, як відомо, транскрипційно реагує на харчові маніпуляції, що впливають на здоров’я та старіння.

Ми зосередили увагу на жирове тіло, щоб вивчити вплив різних дієтичних джерел вуглеводів на експресію генів, які беруть участь у гормональній сигналізації, зберіганні поживних речовин, метаболізмі енергії та імунній функції. У цьому дослідженні ми використовували бджіл старшого віку (18–21 день), оскільки їх раціон в основному на основі вуглеводів і тому, що старші бджоли є основними споживачами вуглеводних добавок всередині вулика.

Ми провели експеримент, використовуючи старших за віком бджіл, які зазвичай споживають цукрові розчини всередині вулика і не перетравлюють пилок; отже, компоненти в меді можуть забезпечувати критичні харчові компоненти та індуктори, які інакше відсутні у цій віковій групі. Попередні дослідження вже визначили медові компоненти, які поглиблюють шляхи детоксикації в кишечнику; наші результати надалі показують, що мед викликає зміни експресії генів у більш глобальному масштабі. Ці зміни можуть мати токсикологічне значення в природних умовах у сучасних агроекосистемах, де бджоли регулярно потрапляють під дію токсинів та пестицидів.

Ми використовували бджіл з бджолосімей Університету з досліджень бджіл штату Іллінойс, що утримуються відповідно до стандартних методів бджільництва. Бджоли являли собою суміш європейських підвидів, характерних для цього регіону. Щоб звести до мінімуму генетичні коливання в досліді, ми використовували дорослих бджіл-працівників з колонії, похідної від матки, осеміненої одним трутнем; внаслідок гаплодиплоїдії ці бджоли були пов’язані між собою середнім коефіцієнтом спорідненості 0,75. Експеримент повторювався у двох незалежних випробуваннях, щоразу використовуючи бджіл з різних, неспоріднених, колоній.

Під час досліду використовували дорослих бджіл у віці від 18 до 21 дня. Це старші бджоли, які легко споживають різні вуглеводні корми у вулику. Для отримання бджіл одного віку сотові рамки з печатним розплодом помістили в інкубатор (34 ° C / 30% відносної вологості), щоденно помічали одноденних бджіл плямою фарби (фарба Testor’s, Rockford, IL, США) на дорсальній поверхні грудної клітки та повертали у свою початкову сім’ю. Це повторювали три дні поспіль, щоб отримати базову популяцію >500 бджіл, що розміщуються у вулику.

Помічені бджоли були зібрані у віці 18–21 дня, поміщені у клітки з оргскла (10 × 10 × 7 см; 15 бджіл на клітку) та розпочато харчування в умовах лабораторії. Всі клітки утримували в інкубаторі при 29°С. Споживання корму та смертність контролювали щодня протягом 7 днів. Після цього бджіл заморожували і зберігали при -80 ° С для аналізу кДНК та послідовність РНК.

Щоденні вимірювання, проведені протягом тижневих випробувань, показали однаковий рівень споживання їжі для бджіл, які годували медом, HFCS або сахарозою (0,040 ± 0,001, 0,036 ± 0,002, 0,032 ± 0,003 г / бджола / день відповідно, F = 4,26 P = 0,055).

РНК-секвенування (РНК-seq) проводили для вивчення впливу кожного дієтичної підкормки на експресію гена жиру в організмі. Загалом 5 груп зразків були відстежені за дієтою. Дослідили ефекти підкормки, використовуючи графіки багатовимірного масштабування (MDS) (використовуючи зміну журналу складання 100 найпопулярніших генів), створені для кожної колонії.

Відмінності в експресії генів жирового тіла в організмі бджоли, спричинені годуванням медом, сахарозою або кукурудзяним сиропом з високим вмістом фруктози (HFCS).
(A) Кількість диференційно експресованих генів (DEG) для кожного раціону (FDR <0,1). (B) Кількість DEG, які перетинаються серед порівнянь кормів. (C) Категорії генної онтології (P <0,004) для кожного раціону.

Харчування медом виявило сотні відмінностей в експресії генів відносно HFCS та сахарози (мал.А). У бджіл, що годувались медом або HFCS, було 104 гени, диференційовано експресованих (FDR <0,1), і 220 генів, диференційно експресованих між бджолами, які споживали мед або сахарозу.

На відміну від цього, відмінності між HFCS та сахарозним сиропом були набагато більш обмеженими, із загальною кількістю 8 генів, що експресуються між цими двома групами. Порівняння генів показують значне перекриття (64 гени) між медом та сахарозою (29,1% перекриваються) та медом проти HFCS (61,5% генів, що перекриваються.

Для подальшого розуміння біологічної значущості цих відмінностей в експресії генів жирового тіла в організмі медоносної бджоли ми порівняли наші результати з трьома опублікованими раніше експериментами щодо харчових аспектів поведінкового дозрівання у медоносних бджіл.

Поведінкове дозрівання у медоносних бджіл передбачає перехід від раціону з високим вмістом білку до раціону з високим вмістом вуглеводів та втрату приблизно 50% жирових ліпідів тіла, при переході від роботи у вулику до збору нектару. Цей поведінковий та фізіологічний зсув також включає зниження зберігання ліпідів вітеллогеніну, що було пов’язано з тривалістю життя медоносних бджіл та зниженням імунітету.

Ми виявили значний збіг між раніше повідомленими змінами в експресії генів жирового тіла в організмі, які відбуваються під час переходу від роботи у вулику до льотної активності, і нашим теперішнім списком генів. Аналізи збагачення показали, що підмножина генів, що належать бджолам з харчуванням Мед відносно Сахарози або Мед відносно HFCS, і експеримент, пов’язаний з дозріванням, були пов’язані з метаболізмом білка та зменшенням окислення. Значний збіг був також між списками генів цього досліду та списком генів експерименту “Механізми стійкої втрати ліпідів у соціальних комах”

Ми не знайшли суттєвого збігу між нашим списком генів з раніше опублікованими списками досліджень де бджоли отримували підгодівлю медом з пилком чи сахарозою. Це вказує на те, що пилок значною мірою відповідає за зміни експресії генів. Відсутність статистичного збільшення змін, спричинених пилком, частково відображає відносно низький рівень білка в меді.

Інші матеріали по темі:

Штучна підгодівля скорочує життя бджіл

Вплив способів створення запасів корму на вирощування бджіл у період осінньої ротації їх генерацій