Ein Bauchgefühl: Studium der Bugs in Bienen

Behind the Scenes Artikel wurde Live Science in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Es ist 1.825 Meilen von New Haven, Connecticut nach Austin, Texas, d.h. in der Regel 30 Stunden Fahrt und drei Nächte im Motel, keine einfache Fahrt für jedermann. Aber für Forscher an der Yale University in ein neues Labor an der University of Texas im August letzten Jahres, es erwies sich als besondere Herausforderung. Sie machten die Reise in einem Minivan mit einem Haustier Katze und 100.000 Bienen.

"Das war wahrscheinlich der heroischsten Veranstaltung in unserer Imkerei-Saga bis heute", sagt Biologe Nancy Moran, Professor an der University of Texas at Austin, Symbiose, vor allem bei mehrzelligen Gastgeber und Mikroben studiert. "Wir wollten ohne Bienen bei der Ankunft in Texas sein, und es war keine gute Zeit des Jahres um neue Kolonien zu starten."

Die Bienen – chauffiert von graduate Student Waldan Kwong und Postdoktorand Gordon-Bennett-Traveledin Boxen genagelt geschlossen, mit Klebeband über die Risse zwischen den Boxen, so dass sie nicht fliegen, um in den Minivan und Drahtgeflecht über die Vorderseite, so könnte sie sich kühlen, aber nicht entkommen. Sie erhalten auch nasse Schwämme in regelmäßigen Abständen zu halten hydratisiert.

"sie [Kwong und Bennett] Justturned die Klimaanlage ganz oben, und trug Pullover", sagt Moran. "Die Bienen sind weniger erregbar, wenn es kühler wird. In der Nacht sie wartete die Minivan bis nach Einbruch der Dunkelheit zu parken, und dann die Fenster geöffnet, so dass die Bienen im geschlossenen Raum überhitzt nicht. Es schien unwahrscheinlich, dass jemand versuchen würde, um etwas von einem van voller Bienen zu stehlen."

Die Bienen kamen in Austin ohne Probleme, und jetzt live auf dem Dach eines Gebäudes auf dem Campus, "wo ihre wichtigsten Futter möglicherweise fällt Soda auf weggeworfene Dosen rund um Campus," sagt Moran, der seit vielen Jahren studierte die mütterlich übertragenen Symbionten von Blattläusen und anderen Insekten Sap-Fütterung, aber hat in den letzten Jahren den Bienen erweitert. Symbionten sind Organismen, die nebeneinander existieren und sind aufeinander angewiesen, um überleben. "Ich arbeite seit vielen Jahren auf genomische Evolution in Bakterien, aber auch Liebe, Insekten und Insekten-Biologie," sagt sie. "So ist das ein System, das sowohl hat."

Der Darm-Mikroben in Bienen zu verstehen

Heute ist die breite Ziel ihrer Forschung, die Vielfalt und die Funktion von Darm Microbiota in Honigbienen und Hummeln, betont genomischer Ansätze, nicht anders als das aktuelle Forschungsinteresse an der menschlichen Mikrobiom zu verstehen. "Es hat eine Reihe von parallelen zu den Darm Microbiota von Menschen und anderen Säugetieren, weil es eine lange Zusammenarbeit entwickelten und spezialisierten Bakteriengemeinschaft ist und weil es Auswirkungen auf die Gesundheit der Gastgeber", sagt sie.

Der Darm Microbiota ist eine andere Dimension des tierischen Artenvielfalt, insbesondere dann, wenn die Tiere unverwechselbare und Co entwickelte Bakterienarten in ihren Eingeweiden haben, sagt Moran. "Bei den Insekten, erscheint dies nicht immer um wahr zu sein – viele scheinen eine ausgewählte Gruppe von Bakterien aus der Umwelt aufgenommen haben, und die Bakterien können in den unterschiedlichsten Lebensräumen außerhalb der Darm leben", sagt sie.

"Aber in Honigbienen und Hummeln, Darm wird dominiert von einer kleinen Anzahl von eng verwandten Gruppen,", fügt sie hinzu. "Warum?" Der Hauptgrund scheint diese Sozialität zu sein — soziale Interaktionen – ergibt eine Route für die zuverlässige Übertragung zwischen Individuen. Wechselwirkungen innerhalb der Bienenvölker sind die Grundlage für die Übertragung der Symbionten auf frisch geschlüpfte Bienen. Dies ist, wo das System gleicht die von Menschen und anderen Säugetieren, die soziale mindestens im Umfang des mütterlichen Fürsorge verlängert sind. "Darm Symbionten von Säugetieren sind spezialisiert und über diese sozialen Interaktionen übertragen."

Mikrobielle Darm Symbionten sind unverzichtbar für das Leben der meisten Tierarten, sondern ihre Vielfalt und Funktionen im Gastgeber und ihre Antworten auf ökologische Störungen sind kaum erforscht, sagt sie. Apis Mellifera, die Honigbiene, hat einen charakteristischen Satz von etwa acht symbiotische Bakterien-Spezies, von denen einige in anderen Apis -Arten und in der verwandten Gattung Bombus auftreten – Hummeln.

Bienen sind natürlich von entscheidender Bedeutung ökologisch und ökonomisch, besonders in der Landwirtschaft, wo Honigbienen eine geschätzte $ 15 Milliarden Wert von landwirtschaftlichen Erzeugnissen in den Vereinigten Staaten, einschließlich mehr als 130 Früchte bestäuben, nach dem US Department of Agriculture. In den letzten Jahren jedoch gab es zunehmende Besorgnis über Verluste von grassierenden Bienenvölkern, genannt "Colony Collapse Disorder" und die allgemeine Gesundheit der Bienen im Allgemeinen. [Colony Collapse Disorder]

Während Moran und ihre Kollegen in erster Linie versuchen, erhalten ein grundlegendes Verständnis der biologischen Vielfalt und Funktion im System Biene Darm mikrobiellen Gemeinschaft, "einige Hummeln sind rar und haben Bereiche geschrumpft." Sind wir auch Vielfalt von ihren Darm Microbiota zu verlieren, und wird dies ein Faktor sein, bei dem Versuch, diese Arten zu sparen?", fragt sie. "Probleme mit Darm Microbiota Teil des Problems der Honigbiene Gesundheit, oder konnte Mikrobiota werden bewahrt, in einer Weise, die Bienen gedeihen hilft?

"Ein großer Teil des Problems mit Bienengesundheit ist zweifellos die abnehmende Verfügbarkeit von vielfältigen floralen Ressourcen und möglicherweise Nistplätze bei Hummeln", fügt sie hinzu. "Aber Exposition gegenüber Toxinen und die Krankheiten auch eine Rolle spielen, basierend auf zahlreiche Studien." Darm-Mikroben Rolle sehr plausibel eine im Host Widerstand zu diesen Dingen, und auch bei der Verbesserung der Ernährung. Wir hoffen, dass wir etwas Sinnvolles für die Bienen finden."

Die National Science Foundation (NSF) finanziert ihre Arbeit mit $2.006.416 über fünf Jahre im Jahr 2010 ausgezeichnet.

Antibiotika-Resistenz

Morans Forschung hat ergeben, dass Bakterien in den Eingeweiden von Honigbienen sehr widerstandsfähig gegen die vorbeugende Antibiotika Tetracyclin sind-wahrscheinlich das Ergebnis einer jahrzehntelangen Aussetzung zu ihr wegen des Einsatzes von Imkern, bakterielle Krankheiten zu verhindern. Morans Team identifiziert acht verschiedene Tetracyclin-Resistenz-Gene unter US Honigbienen, die das Antibiotikum ausgesetzt waren, aber die Gene wurden weitgehend abwesend in Bienen aus Ländern, wo solche Einsatz von Antibiotika ist verboten.

"In der Biene-System, obwohl Übertragung meist in Kolonien erfolgt, die Symbionten sind viel eher horizontale Übertragung zu unterziehen", sagt sie, Sinn Übertragung unter Mitgliedern der gleichen Spezies, die nicht über- und untergeordneten. "Dies hat massive Auswirkungen auf die Muster der Genomevolution in die Symbionten. Denn sie sind in der Rekombination und größere genetische Populationsgrössen haben, behalten sie normale Genom Größen, dynamischer Genome angekettet.

"Die Antibiotika-Resistenz-Studie war eine frühe Hinweis auf die dynamische Natur der diese Genome", fügt sie hinzu. "Es stellt sich heraus, dass in den Vereinigten Staaten, Antibiotika in der Imkerei seit den 1950er Jahren vor allem Tetracyclin verbreitet haben. Und der Darm Microbiota von US Honigbienen ist eine Fundgrube von Tetracyclin-Resistenz-Gene, die horizontal von anderen Bakterien übertragen wurden. Jetzt stellen wir fest, dass Stämme von der Biene Darm Microbiota eine Reihe von "Zubehör" Gene und Funktionen zeigen. Eine gegebene Belastung kann Hunderte von Genen, die sind nicht in eine andere Belastung der gleichen Art und betreffen Funktionen wie Zuckerstoffwechsel oder die Fähigkeit zum Abbau von Komponenten der Pollen Zellwände, haben."

Bis vor kurzem, hatte keiner von diesen Bakterienarten im Labor kultiviert worden, "aber jetzt können sie alle sein," sagt sie, Gutschrift auf die Arbeit von Kwong und Philipp Engel, postdoctoral Fellow in der Schweiz. "Wir haben In der Tat, amtliche Namen der Bakterienarten, die unser Schwerpunkt sind gegeben: Snodgrassella Alvi, Gilliamella apikalenund Frischella Perrara," benannt nach drei Biologen, die wichtige Beiträge in der Biologie der Honigbiene, Robert Snodgrass, Martha Gilliam und Karl von Frisch gemacht.

"Diese drei Leben zusammen in der Honigbiene Ileum (Teil des Verdauungstraktes) einerseits und zwei davon auch in Hummeln," sagt sie. "Aber wir stellen fest, dass es gibt diverse Stämme innerhalb der einzelnen Arten und verschiedene Bienenarten und verschiedenen Kolonien innerhalb einer Art verschiedene Stämme von Symbionten zu haben scheinen."

Ein weiterer Postdoktorand in ihrem Labor, Hauke Koch, war der erste, um herauszufinden, dass Darm Symbionten von Hummeln gegen Protozoen Parasiten schützen, "so dass wir versuchen zu sehen, ob das bei Honigbienen gilt, und auch um die Erkenntnisse in Hummeln zu erweitern", sagt sie.

Sie und ihre Mitarbeiter auch eine Umfrage der Darm Symbionten in drei Hummel-Arten zu ermitteln, ob ökologische Faktoren — vor allem landwirtschaftliche Betriebsführung oder der geografischen Lage — Symbiont Gemeinden betroffen. "Und es stellt sich heraus, dass verschiedene Hummel Arten gehören zu der gleichen Symbionten, besonders Snodgrassella und Gilliamella, aber eine Bumble Bee Art schien manchmal vermisse geimpft wird," sagt sie. "Die 'richtigen' Symbionten fehlen einfach von einigen Einzelpersonen. Dies unterscheidet sich sehr von Honigbienen, wo jede Arbeitsbiene hat die wichtigsten Symbionten, und wir denken, dass es auf ihre unterschiedlichen Lebenszyklen und Sozialleben beziehen könnte."

Diese Arbeit liefert eine Grundlinie für das Verständnis, wie der Darm Microbiota von Honigbienen und Hummeln variiert zwischen den Kolonien und wie diese Variante Kolonie Gesundheit beeinträchtigen könnte. "Durch Etablierung von Methoden zur Kultivierung und Typ Stämme, die von verschiedenen Labors untersucht werden können, können wir beginnen, die mechanistische Grundlage für Gastgeber, besiedeln entwirren", sagt sie. "Und wir können beginnen zu verstehen, wie die normalen Mikrobiota interagiert mit Krankheitserregern, die Bienen zu infizieren."

Das Temperament der Bienen

Wenn es Zeit, neue Kolonien zu starten, Morans Lab befiehlt Bienen aus verschiedenen Orten des Landes, doch begünstigt northern California Bienen wegen ihrer "sehr süßen Persönlichkeiten," d.h. sie ruhig zu bleiben, wenn der Bienenstock geöffnet wird, und keine Zeile oben auf aggressive Weise, Vorbereitung zum Angriff, sagt sie. "Man kann nähern die Bienenstöcke ohne alarmierende ihnen", sagt sie. "Feisty Bienen sind empfindlich und anfällig für Angriffe, wenn jemand gerade in der Nähe der Bienenstock bekommt." Wir hatten einige Texas Bienen, aber sie waren ein bisschen feisty, vielleicht wusste sie nicht, wie sein plumpste in Neu-England,"bevor sie nach Austin gezogen.

Laborantin Kim Hammond kümmert sich um die Bienen und entwickelte sich zu einem Meister Imker, sagt Moran. "In der Tat, vielleicht ist sie zu gut – können wir die Krankheit-Organismen, die meisten Imker beklagen, auch wenn wir ihnen in unseren Kolonien Probe möchten nicht wiederherstellen. Sie hält die Biene Kolonien sehr gesund, und wir manchmal nicht erkennen Krankheitserreger, die allgemein üblich sind.

"Die Hauptsind Nosema Arten, die sind eukaryontische Krankheitserreger, die im Zusammenhang mit Pilzen und RNA-Viren, wie z. B." verformt Wing Virus "" fügt sie hinzu. "In einigen unserer Experimente wollen wir Bienen mit Krankheitserregern, um festzustellen, ob die Mikrobiota vor Krankheitserregern schützt zu infizieren. In diesen Fällen müssen wir gehen, um andere Imker zu versuchen und die Krankheit-Organismen zu finden."

Neu für Bienenforschung und wollen lernen die Grundlagen der Bienenzucht, gehalten Moran tatsächlich mehrere Kolonien in ihrem eigenen Hof seit mehreren Jahren.

"Aber ich muss zugeben, ich habe Angst vor Stacheln," sagt sie. "Ja ich ein paar Mal gestochen. In direkter Zusammenarbeit mit den Kolonien, ist es üblich, gelegentlich gestochen werden. Natürlich tragen wir Biene Anzüge. Im Labor wir arbeiten meist mit jungen Arbeiterinnen, die nicht viel stechen, plus haben wir ihnen enthalten. Wenn eine studentische Hilfskraft Stiche besorgt ist, haben wir nur sie arbeiten zu Aspekten, die kein Risiko haben. Aber wir halten ein Adrenalin-Kit um für mögliche Fälle des Bisses einer Person allergisch, die das Risiko nicht erkennen könnte. Bisher hatten wir nicht alles überhaupt ernst."

Und natürlich gibt es mindestens eine süße Nebeneffekt der Forschung. "Wir Honig, was sehr hilfreich als Geschenke an Menschen, die weniger über gestochen Sorgen machen," sagt sie.

Anmerkung der Redaktion: Die Forscher in Behind the Scenes Artikel dargestellt wurden unterstützt durch die National Science Foundation , die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter die Kulissen-Archiv.