蜜蜂腸道微生物的研究進(jìn)展及可能應(yīng)用

李瀟騰，胡福良

（1.浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)1901 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

蜜蜂是最主要的傳粉昆蟲類群之一，具有重要的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。蜜蜂體內(nèi)的腸道微生物與宿主的健康息息相關(guān)，因而近年來對(duì)蜜蜂腸道微生物的研究越來越熱門。本文綜述了蜜蜂腸道微生物的研究進(jìn)展，從腸道結(jié)構(gòu)、微生物結(jié)構(gòu)組成及分布、影響因素、功能作用等方面，探索蜜蜂腸道微生物本身的特性和與蜜蜂間的相互作用，以及可能的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 蜜蜂腸道微生物

1.1 蜜蜂的腸道結(jié)構(gòu)

腸道作為腸道微生物繁衍生息的場(chǎng)所，其微環(huán)境對(duì)其中微生物生長(zhǎng)存在顯著影響，包括微生物組成、結(jié)構(gòu)、功能等。蜜蜂成蟲的消化道主要分為3 部分：咽、食管、蜜囊和前胃組成前腸，起攝食作用，微生物數(shù)量相對(duì)較少；腹腔前中部處為中腸，相比其他昆蟲發(fā)達(dá)得多，主要功能為食物消化與營(yíng)養(yǎng)吸收；后腸包括小腸與直腸，負(fù)責(zé)吸收儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和排出消化廢物等，因此需要大量微生物。

1.2 蜜蜂腸道菌群的組成與分布

研究發(fā)現(xiàn)，工蜂腸道微生物主要分為9 大類，腸道中95%以上的微生物可歸屬其中。在9 種優(yōu)勢(shì)菌群中，有2 種革蘭氏陰性菌，分別為Gamma-1（Gilliamella apicola）和Beta（Snodgrassellaalvi），其余均為革蘭氏陽性菌，包括Gamma-2（Frischella perrara）、Alpha-1（Bartonella apis）、Alpha-2.1、Alpha-2.2（Parasaccharibacter apium）、Bifidobacterium、Firm-4 和Firm-5[1]。其中，Gamma-1、Beta、Bifidobacterium、Firm-4 和Firm-5 等5 大類菌群幾乎在所有蜜蜂中都存在，構(gòu)成蜜蜂腸道的核心菌群，而其余4 個(gè)菌種在腸道內(nèi)數(shù)量較少且分布不穩(wěn)定，可能不是蜜蜂特有的腸道菌。

腸道環(huán)境的變化造成了微生物分布的規(guī)律性，在蜜蜂腸道的不同部位有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)菌種[2]。后腸中微生物含量最豐富，約占90%以上，而前腸和中腸共占1%～4%，幽門處發(fā)現(xiàn)有少量微生物。蜜蜂在蜜囊生產(chǎn)蜂蜜[3]，雖然蜜囊中微生物數(shù)量極少，但研究發(fā)現(xiàn)蜜囊中含有種類豐富多樣的乳酸菌，主要由來自乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬的13 株LAB 組成。在回腸中，2 種革蘭氏陰性菌為主要菌種，Beta 以生物膜形式黏附在內(nèi)腸側(cè)壁上，Gamma-1 則在Beta 上附著生長(zhǎng)。

1.3 蜜蜂腸道微生物的影響因素

1.3.1 蜂種、日齡、遺傳多樣性

不同蜂種由于較大差異的生活方式，腸道微環(huán)境也不同，因而腸道中的優(yōu)勢(shì)菌群也不盡相同。以意大利蜜蜂、熊蜂和胡蜂為例，胡蜂的腸道微生物在三者中存在較大差別，其余二者則具有較多共性[1]?；ǚ?、花蜜為意大利蜜蜂和熊蜂的主要食物，而胡蜂的捕食目標(biāo)常為昆蟲。消化吸收利用的對(duì)象不同，菌群便朝不同結(jié)構(gòu)與組成發(fā)展。對(duì)同一種蜂來說，菌群也不是一成不變的，隨著蜜蜂日齡的變化，微生物種類也發(fā)生改變。以封蓋1 日齡蛹、破巢幼蜂、采集蜂3 個(gè)齡期的中華蜜蜂為研究對(duì)象，得到封蓋1 日齡蛹和破巢幼蜂的腸道微生物較相似，而采集蜂腸道微生物的種類最豐富。Martinson 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在幼蟲和剛出房的西方蜜蜂工蜂中，幾乎找不到細(xì)菌，而成年工蜂含有大量Gamma-1、Beta 和Firm-5 菌群。對(duì)蜂群而言，研究發(fā)現(xiàn)遺傳多樣性越高，蜜蜂的腸道微生物多樣性也越高[5]，且大多為有益菌并活力旺盛，但更具多樣性的菌群是否與遺傳多樣性存在必然聯(lián)系還未闡明[6]。

1.3.2 季節(jié)、環(huán)境、社會(huì)性

季節(jié)變化導(dǎo)致的采食的蜜粉源差異也能改變蜜蜂腸道內(nèi)的微生物，Martinson 等[7]針對(duì)夏季和冬季的蜜蜂，進(jìn)行腸道微生物的差異比較，發(fā)現(xiàn)在中腸中，冬季蜜蜂腸道中的細(xì)菌和酵母菌數(shù)量均多于夏季蜜蜂。蜜蜂的生存環(huán)境對(duì)蜜蜂體內(nèi)腸道微生物多樣性的影響報(bào)道較少，但我國(guó)蜜蜂資源分布廣泛，地理環(huán)境存在顯著差異，由環(huán)境引起的腸道菌群變化有待進(jìn)一步探索。社會(huì)性行為在蜜蜂的生產(chǎn)生活中起著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，社會(huì)性行為對(duì)腸道菌群演變也有著關(guān)鍵影響，有利于菌群的進(jìn)化保持其特異性和必要共性[8]。

1.3.3 抗生素、農(nóng)藥

蜜蜂腸道微生物在環(huán)境中殘留抗生素或養(yǎng)蜂過程使用抗生素的影響下，易出現(xiàn)失調(diào)的情況，在喂食抗生素實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)真菌種類可在抗生素抑制下明顯減少，同時(shí)也有研究表明抗生素可作用于蜜蜂基因庫，產(chǎn)生耐藥基因，長(zhǎng)時(shí)間使用單一抗生素可能導(dǎo)致相應(yīng)抗性基因產(chǎn)生[9]。農(nóng)藥的長(zhǎng)時(shí)間大劑量使用也可對(duì)蜜蜂造成危害，在高濃度農(nóng)藥環(huán)境中，蜜蜂為更好保持生理活性和正?；顒?dòng)，而產(chǎn)生抗藥性。

1.4 蜜蜂腸道微生物的功能作用

1.4.1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收與供給

腸道提供了微生物的棲息場(chǎng)所，反過來，腸道菌群促進(jìn)了腸道的發(fā)育，增加腸道重量，進(jìn)一步加快蜜蜂的生長(zhǎng)。在幫助蜜蜂消化吸收食物成分中腸道微生物起了重要作用[1]?；ǚ壑卸喾N成分可被核心菌群降解，包括黃酮類化合物及花粉壁相關(guān)成分。同時(shí)，腸道菌群還能夠?yàn)樗拗魈峁I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括氨基酸、維生素B 以及固醇等必需養(yǎng)分，如Alpha-1 菌群有維生素B12 合成系統(tǒng)，合成的維生素便可供蜜蜂利用[10]。

1.4.2 增強(qiáng)免疫與抗病能力

在蜜蜂腸道內(nèi)，益生菌群的穩(wěn)定性較強(qiáng)，在外界病原菌影響下可以保持體內(nèi)腸道微環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡，在宿主抵抗病原過程中發(fā)揮重要作用[11]。例如蜜蜂腸道內(nèi)的芽孢桿菌屬的多種菌群可以抑制美洲幼蟲腐臭病的病原菌——球囊菌等的生長(zhǎng)[1]，還有一些菌群會(huì)刺激蜜蜂產(chǎn)生防御素、抗菌肽等抵抗物質(zhì)，增強(qiáng)了蜜蜂的免疫能力。同時(shí)，腸道微生物還可幫助宿主抵御病毒、真菌、細(xì)菌等的侵襲，因此菌群失調(diào)的蜜蜂受致病菌感染的可能性則會(huì)大大增加。

2 蜜蜂腸道微生物的可能應(yīng)用

2.1 益生菌類飼料添加劑

在國(guó)內(nèi)，養(yǎng)殖業(yè)大量使用抗生素使得動(dòng)物產(chǎn)生抗藥性、動(dòng)物產(chǎn)品抗生素殘留超標(biāo)、環(huán)境污染問題等，一定程度上影響了產(chǎn)業(yè)發(fā)展與動(dòng)物產(chǎn)品質(zhì)量，而益生菌類飼料添加劑作為抗生素替代方案具有廣闊的應(yīng)用前景。益生菌具有穩(wěn)定、沒有致病性、容易擴(kuò)增、適應(yīng)腸道微生態(tài)、普通條件下不易失活的特點(diǎn)[12]。對(duì)家畜來說，生長(zhǎng)過程涉及腸道微生態(tài)的變化，容易引起腹瀉、腸道機(jī)能失調(diào)、免疫力降低等問題，而家禽飼養(yǎng)過程條件變化多，腸道易被病原菌感染，影響家禽健康和食品安全。研究證明，益生菌的使用可增強(qiáng)動(dòng)物抵抗病原菌的作用，對(duì)腸道機(jī)能失調(diào)具有很好地預(yù)防和治療作用[13]。蜜蜂腸道微生物在一定程度上可提高蜜蜂免疫力、抑制病原菌生長(zhǎng)，刺激宿主產(chǎn)生抗菌肽等抑菌物質(zhì)，從而保護(hù)宿主腸道微生態(tài)的穩(wěn)定，同時(shí)免受病原菌侵襲。蜜蜂多以植物的花粉和花蜜為食，攝入食物中的微生物主要來源于植物附著微生物，那么對(duì)于以植物性飼料為主的家禽家畜，食入微生物來源是否有一定相似性，在蜜蜂中起作用的微生物在被制成添加劑后是否對(duì)其他動(dòng)物有相似功效或被動(dòng)物攝入后是否還存在原有的功能。這是益生菌開發(fā)的一個(gè)方向，從特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物到家畜家禽等大動(dòng)物，在腸道微生物方面，由特異性向更廣方向的研究有待深入。

2.2 疾病模型

目前，模式動(dòng)物越來越成為研究熱點(diǎn)。蜜蜂雖然腸道簡(jiǎn)單，但在功能結(jié)構(gòu)和菌群組成等方面又與人的腸道存在相似，具備研究參考價(jià)值，因此將蜜蜂作為優(yōu)良模式平臺(tái)研究腸道菌群功能是可行的一個(gè)選擇[14]。以肥胖癥和Ⅱ型糖尿病為例[15]，將蜜蜂作為模式動(dòng)物研究食品與疾病的關(guān)系，從腸道微生物方面，提出飲食干預(yù)協(xié)助治療的視角。研究表明，腸道菌群的改善可改變機(jī)體對(duì)食物的吸收，減少脂肪蓄積，從而改善肥胖及相關(guān)代謝指標(biāo)。在Ⅱ型糖尿病患者體內(nèi)，腸道菌群失調(diào)，種類和數(shù)量均異于正常人。蜜蜂的胰島素樣肽的基因序列、結(jié)構(gòu)和功能與人類相似，具有調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)的功能，在評(píng)估Ⅱ型糖尿病中，胰島素的分泌水平和胰島素肽的表達(dá)水平的差異均為重要指標(biāo)，因此蜜蜂是對(duì)Ⅱ型糖尿病表型進(jìn)行評(píng)估研究的良好模型。蜜蜂相比鼠、斑馬魚等模式動(dòng)物，擁有腸道微生物組成簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 轉(zhuǎn)基因作物安全性指標(biāo)

轉(zhuǎn)基因作物為目前一大熱門話題，其安全性是人們考量的關(guān)鍵要素之一。在自然環(huán)境中，蜜蜂活動(dòng)與作物本身具有互作關(guān)系，轉(zhuǎn)基因作物對(duì)蜜蜂的影響在一定程度上可作為安全性評(píng)估的研究對(duì)象。而在蜜蜂的活動(dòng)中，腸道微生物是反映健康與某些生理變化的有效研究對(duì)象，因此腸道微生物可成為研究重點(diǎn)。目前，針對(duì)玉米、油菜、棉花等轉(zhuǎn)基因作物，蜜蜂腸道微生物的變化與否已有部分研究，結(jié)果顯示在轉(zhuǎn)基因作物花粉的作用下，蜜蜂腸道菌落組成未發(fā)生明顯改變，且未檢測(cè)到外源基因的橫向轉(zhuǎn)移[16]。這些研究能為轉(zhuǎn)基因作物安全性檢測(cè)提供科學(xué)支持，且在更多作物種類上具有應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

目前，蜜蜂腸道微生物方面的研究越來越熱門，且已取得不錯(cuò)進(jìn)展。從其結(jié)構(gòu)組成及分布、影響因素、功能作用等方面均有一定了解，但腸道微生物與宿主間作用機(jī)制尚不明確，腸道微生物間相互關(guān)系的研究還有待深入。蜜蜂具有生命周期短、繁殖快、養(yǎng)殖成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，就腸道微生物而言，其結(jié)構(gòu)和功能與人類等哺乳動(dòng)物腸道中的菌群存在一定共性，因此作為新型模式生物探索人類相關(guān)疾病、食品、動(dòng)物產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊前景。