蜜蜂幼虫的基因表达特征揭示了在草酸处理和白垩病条件下免疫系统的激活以及营养方面的权衡

《Environmental Toxicology and Pharmacology》:Gene Expression Signatures of Honey Bee Brood Reveal Immune Stimulation and Nutritional Trade-offs under Oxalic acid Treatment and Chalkbrood Disease

【字体: 时间:2026年03月21日 来源:Environmental Toxicology and Pharmacology 4.2

编辑推荐:

  Varroa destructor寄生和蜡酸处理(OA-G)对蜜蜂幼虫生理及基因表达的影响研究,发现OA-G显著上调defensin1和hymenoptaecin基因表达,abaecin基因表达下调,而卵黄蛋白基因(Vg)表达普遍抑制,揭示免疫与营养的权衡机制。

  
埃利什卡·贝拉诺娃(Eli?ka Beranová)|西尔维·多斯塔尔科娃(Silvie Dostálková)|马雷克·佩特里维尔斯基(Marek Pet?ivalsky)|佩尔·克里格(Per Kryger)|吉里·丹尼赫利克(Ji?í Danihlík)
奥洛穆茨帕拉茨基大学(Palacky University Olomouc)理学院生物化学系,捷克共和国奥洛穆茨

摘要

瓦罗阿螨(Varroa destructor)是全球蜜蜂最严重的害虫,而草酸(oxalic acid,简称OA)被广泛用于控制这种害虫。然而,草酸对蜜蜂幼虫生理的影响仍不清楚。我们研究了草酸-甘油(OA-G)条带和白垩病(Ascosphaera apis)感染对Apis mellifera预蛹基因表达的影响。十二个蜂群被分为对照组、OA-G组、A. apis组以及OA-G + A. apis组合组。处理后七天,使用RT-qPCR方法分析了抗菌肽(AmPs)、卵黄生成蛋白(Vg)和类似Vg的蛋白质B的基因表达情况。
OA-G处理显著上调了健康和受感染幼虫中的defensin1hymenoptaecin基因表达,表明免疫系统被强烈激活。相比之下,abaecin基因表达下调,而apidaecin仅在感染情况下增加。卵黄生成蛋白在所有处理组中均受到抑制,而类似Vg的蛋白质B则保持不变。这些结果表明,在草酸暴露和感染后,蜜蜂幼虫的免疫和营养系统之间存在权衡。

引言

全球蜜蜂种群的健康受到多种因素的负面影响,如接触杀虫剂、营养不良以及各种病原体的侵袭。其中一些病原体(例如Paenibacillus larvae、畸形翅病毒、急性麻痹病毒)会导致蜂群崩溃。相比之下,其他病原体通常只影响或杀死部分蜂群,但仍可能导致蜂群显著虚弱(Aronstein & Holloway, 2013)。Ascosphaera apis是一种真菌,会引起白垩病,主要影响幼虫的消化道。白垩病的发展取决于蜂群发育过程中的生理失衡或应激环境(Aronstein et al., 2010)。严重的白垩病感染可使蜂蜜产量减少14–64%,并导致高达80%的幼虫死亡(Albo et al., 2017)。这种真菌的传播得益于其抗性孢子的形成(Aronstein and Holloway, 2013, Jensen et al., 2013)。
成年蜜蜂对A. apis不具有抵抗力,但它们会在蜂群内部和之间传播孢子。当幼虫摄入受污染的食物时,孢子会在肠道中萌发并侵入体腔(von Knoblauch et al., 2024)。受感染的幼虫在24小时内停止进食,48小时内死亡,并随后木乃伊化,产生大量孢子(Albo et al., 2017)。死亡原因是组织损伤和系统性中毒(Deneke et al., 2023)。幼虫特别容易感染,这可能是由于肠道环境条件和免疫系统发育不成熟,使得真菌更容易入侵(Evans et al., 2006)。
瓦罗阿病是由Varroa destructor引起的蜜蜂寄生虫病,被认为是导致全球养蜂业蜜蜂种群损失的主要因素之一(Krej?í et al., 2023)。这种螨虫以发育中的蜜蜂和成年蜜蜂的血液淋巴和脂肪体为食(Han et al., 2024, Ramsey et al., 2019),导致蜜蜂个体虚弱,从而更容易受到病毒和细菌感染。除了直接的营养损害外,Varroa感染还会引起宿主的生理和免疫学变化。例如,转录组学和蛋白质组学分析显示,寄生后蜜蜂的氧化应答和嗅觉功能受到显著抑制(Kunc et al., 2023)。此外,Varroa感染还会影响关键的营养和发育参数,导致成年蜜蜂寿命缩短,以及蜂群越冬成功率降低。
由于未得到控制的瓦罗阿病会严重损害蜂群健康,而且由于螨虫抗性的增加,合成杀螨剂的效果也在下降,养蜂人越来越多地转向天然替代品,特别是草酸(OA)来控制Varroa。Maggi等人(2016)提出了一种创新方法,即将草酸溶解在甘油中并浸渍在纸条上(OA-G条带)。这种方法被认为是长期治疗手段,因此无需将幼虫从蜂群中移除;然而,这种应用中的高浓度酸可能会改变蜂群的体液免疫(Pin?áková et al., 2025)。实际上,即使在较低剂量下,草酸也对蜜蜂(尤其是幼虫)有毒(Aliano et al., 2006, Toomemaa et al., 2010, Gregorc et al., 2004, Hatjina and Haristos, 2005)。最近的研究发现,成年蜜蜂在接触OA-G条带后72小时内免疫系统会被激活(Pin?áková et al., 2025)。OA-G处理后48小时内,抗菌肽(AmPs)水平显著增加,成年蜜蜂的血液淋巴抗菌活性也增强。
蜜蜂通过多种屏障抵御A. apis,包括肠道的围食膜、幼虫的中肠微生物群以及体液和细胞免疫(Aronstein et al., 2010, Khan et al., 2020)。感染后,真菌侵入肠道壁会触发全身免疫反应(Jensen et al., 2009, von Knoblauch et al., 2024, Zhang et al., 2023),从而上调抗菌肽(AmPs)的产生,促进吞噬作用、黑色素沉着、病原体的酶解或生物竞争(Albo et al., 2017, Evans et al., 2006)。主要的抗菌肽——apidaecins、abaecin、defensins和hymenoptaecin——会被释放到血液淋巴中,作为应激条件下体液免疫激活的标志物(Dostálková et al., 2021, Hurychová et al., 2024, Pin?áková et al., 2025)。细胞免疫反应在病原体侵入内部环境后立即开始,而抗菌肽(AmP)通常在感染后几小时内出现在血液淋巴中(Deneke et al., 2023)。在蜂群层面,清除受感染幼虫的行为提供了社会性免疫保护(Dyrbye-Wright et al., 2025)。
卵黄生成蛋白(Vg)是昆虫血液淋巴中最丰富的储存磷脂多糖蛋白之一,其多功能作用越来越受到重视。除了作为卵黄前体的传统作用外,Vg还参与免疫调节和抗氧化防御,被认为是蜜蜂生理状态和寿命的标志物(Dostálková et al., 2021, Harwood et al., 2019, Kunc et al., 2019, Salmela et al., 2016)。此外,Vg还被证明能结合病原体相关的分子模式(PAMPs),如脂多糖和肽聚糖,表明其在先天免疫识别中起直接作用。Vg的表达反映了生长、发育和免疫投入之间的资源分配。
蜜蜂中的类似Vg的蛋白质(Vg-like-A、-B和-C)是由祖先卵黄生成蛋白基因复制而来。这些蛋白质与卵黄生成蛋白在结构上既有相似之处也有差异(Salmela et al., 2016)。尽管其功能尚未完全明确,但Vg-like-B在整个幼虫发育过程中都表达,并与氧化应激管理有关,表明其在能量需求高的发育阶段起着维持生理平衡的作用。
尽管已有证据表明草酸对蜜蜂幼虫具有细胞毒性,但关于其在发育过程中的分子和生理效应仍存在关键空白,尤其是通过OA-G条带应用时,这种方法可确保幼虫长时间系统性地暴露于草酸(Maggi et al., 2016, Pin?áková et al., 2025)。草酸如何作用于螨虫,以及更重要的是,它如何调节发育中蜜蜂的免疫系统,目前仍不清楚。
为填补这一空白,我们的研究重点探讨了OA-G条带处理对发育中蜜蜂幼虫的生理和转录影响。通过分析健康预蛹和同时感染白垩病A. apis的幼虫的基因表达模式,我们旨在提供关于这种持久性治疗剂的毒理学和免疫学效应的新见解,超越单纯的螨虫控制,特别关注幼虫健康状况。

实验部分

蜜蜂样本

实验在两个养蜂场进行:一个位于丹麦奥胡斯大学的弗拉克贝格(Flakkebjerg),另一个位于阿尔斯特德(Alsted),由私人养蜂人拥有。在弗拉克贝格,选择了六个无症状且临床健康的蜂群(通过观察幼虫和工蜂的临床症状确定)。这六个蜂群被分为两组:三组归为对照组,三组归为OA-G处理组。

抗菌肽的基因表达

评估了处理和A. apis感染对抗菌肽abaecin、apidaecin、defensin1hymenoptaecin基因表达的影响。观察到abaecin基因表达发生显著变化(单因素方差分析,d.f.=3,P < 0.001,F=8.9)(图2A,补充材料S4)。OA-G处理后,健康蜂群(OA-G组)和患病蜂群(OA-G & A. apis组)的预蛹中abaecin的相对基因表达均降低。

讨论

养蜂人常用有机酸作为杀螨剂来控制Varroa destructor感染。其中,草酸因其天然存在于蜂蜜中、被认为安全以及在养蜂季节使用限制较少而受到青睐(Moosbeckhofer et al., 2003)。Maggi等人(2016)引入了一种创新的草酸应用方法,即将浸渍在甘油基草酸溶液中的纤维素条带放置在蜂箱内数周。

结论

本研究表明,草酸处理和白垩病显著影响Apis mellifera幼虫的生理。抗菌肽(AmP)基因表达以及卵黄生成蛋白(Vg)和类似Vg的蛋白质B的分析揭示了复杂的、特定于条件的免疫反应。
草酸暴露导致健康和受感染预蛹中的defensin1hymenoptaecin基因表达升高,而abaecin表达降低。

资助

本研究得到了捷克农业部(QL24010241)、IGA_PrF_2025_025以及奥洛穆茨帕拉茨基大学基金会的支持。

伦理声明

本研究无需人类受试者或动物福利委员会的伦理批准。

作者贡献声明

佩尔·克里格(Per Kryger):撰写、审稿与编辑、监督、方法论、概念设计。吉里·丹尼赫利克(Jiri Danihlík):撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、概念设计。埃利什卡·贝拉诺娃(Eli?ka Beranová):撰写初稿、调查、数据分析、数据管理。西尔维·多斯塔尔科娃(Silvie Dostálková):撰写、审稿与编辑、概念设计。马雷克·佩特里维尔斯基(Marek Pet?ivalsky):撰写、审稿与编辑、监督、资源提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢帕拉茨基大学基金会提供的支持,使埃利什卡·贝拉诺娃能够在丹麦进行研究,以及安娜·卡琳·拉库尔(Anna Karin la Cour)在测量方面提供的技术协助。
作者使用ChatGPT 4.0和Grammarly来提高文章的可读性。信息图使用BioRender工具制作,许可链接:https://BioRender.com/95sbpoh

利益冲突披露

作者声明没有利益冲突。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号