文献解读 | 宏基因组+转录组+代谢组联合分析肠道菌群如何影响蜜蜂的学习记忆行为
2022.07.13

蜜蜂是高度群居的昆虫,具有丰富的社会行为,是神经生物学研究中广泛应用的动物模型。目前尚不清楚特定的肠道细菌如何影响蜜蜂的行为。接下来小编通过一篇最新蜜蜂相关研究,带领大家了解通过宏基因组+转录组+代谢组联合分析来解释肠道菌群如何影响蜜蜂的学习记忆行为。

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文章题目:蜜蜂肠道乳杆菌通过调节色氨酸代谢调节宿主学习记忆行为

发表期刊:Nature Communications

发表时间:2022.4

影响因子:14.919

研究单位:中国农业大学



材料选择



中国农业大学实验养蜂场蜂群



测序策略



文库构建:DNA小片段文库,PE150

测序平台:Illumina NovaSeq 6000



研究思路



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研究结果



1. 抗生素处理扰乱了蜂箱中蜜蜂的表型


首先,本文探讨了在野外条件下,肠道微生物群是否会干扰蜜蜂的表型。用四环素对三只蜂巢进行处理,其他三只蜂巢(对照组)按照相同的处理时间喂食野生蜂蜜(图1a)。结果表明,抗生素处理过的蜜蜂繁殖后代的能力较低,而对存活率没有影响。


通过宏基因组测序进一步在属和种水平上研究了肠道群落的组成。肠道菌群在抗生素处理后观察到显著变化。抗生素处理对四种乳杆菌的相对丰度影响最大。抗生素处理组的Lactobacillus apis、Lactobacillus helsingborgensisLactobacillus melliventris的相对丰度降低,而Lactobacillus kullabergensis的相对丰度增加(图1g)。


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图1 抗生素处理对蜜蜂表型的影响


2. 肠道微生物群影响蜜蜂的学习和记忆行为


辨别和记忆气味的能力对蜜蜂的社会行为至关重要。由于在野外条件下观察到蜂巢表型的改变,作者在实验室检查肠道菌群是否会影响蜜蜂的嗅觉学习和记忆能力。在实验室生成的常规(CV)、四环素处理(CV+tet)和无菌群(MF)蜜蜂群并刺激气味进行试验。发现各组的学习效率不同,CV蜜蜂的学习率更高;抗生素处理组记住气味的个体比例较低;没有一只MF蜜蜂有记忆行为,这表明肠道微生物群可以影响蜜蜂的学习和记忆能力。

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图2 肠道菌群改变蜜蜂的学习记忆行为和大脑基因表达谱


3. 肠道菌群调节与蜜蜂学习记忆有关的脑基因的表达


由于蜜蜂的嗅觉学习和记忆行为主要与大脑中的基因表达谱相关,作者研究了肠道菌群诱导的转录组的变化。转录组测序分析显示,MF组与CV组表现出不同的大脑基因表达谱。气味结合蛋白Obp14和嗅觉受体Or115在CV组中上调,这对于检测和识别特定气味至关重要(图2c)。三个主要蜂王浆蛋白(MRJP)家族基因(mrjp 1、mrjp 2、mrjp 7)和六聚体HEX70a也上调。


4. 肠道菌群主要影响色氨酸代谢


为了确定肠道共生菌调节的可能影响循环系统的关键代谢产物,作者对蜜蜂血淋巴样本进行了靶向代谢组学分析。MF和CV两组之间血淋巴样本的代谢特征显著不同(图3a)。KEGG富集分析强调,参与氨基酸代谢途径的代谢物,如色氨酸、丝氨酸和缬氨酸代谢,受肠道菌群的调节。研究发现色氨酸代谢途径的代谢物发生了改变。


饮食中的Trp可以被肠道细菌分解成各种吲哚衍生物,如IA和IAA,这是肠道平衡的关键成分(图3d)。另外,Trp通过宿主酶介导的Kyn途径进行代谢,从而产生Kyn和KA。研究发现,蜜蜂肠道微生物群主要通过将Trp转化为吲哚衍生物和限制宿主Kyn途径来影响Trp代谢。


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图3 肠道和血淋巴中的色氨酸代谢途径受肠道微生物群的影响


5. Lactobacillus Firm5通过indole-AhR信号途径改善学习和记忆行为


许多人体肠道厌氧细菌通过吲哚途径生成吲哚衍生物,这些细菌编码功能性ArAT(图3d)。ArAT是一种关键酶,在许多细菌物种中都是保守的,但并非所有这些物种都能将Trp转化为芳香化合物。通过鉴定发现Lactobacillus Firm5和Bombilactobacillus以及一株Bombiscardovia coagulans具有ArAT亚家族I基因。系统发育分析表明,来自蜂肠细菌的序列与来自Lactobacillus reuteri的序列聚集在一起(图4a)。这些序列与Lactobacillus johnsonii的序列远近相关,后者在离体培养中不能产生吲哚衍生物。


然后,作者研究了L. apis是否能将Trp转化为吲哚衍生物,进而促进蜜蜂的学习和记忆行为。发现只有在高Trp水平下生成吲哚衍生物的过程中,L.apis才促进蜜蜂的学习和记忆行为。结果证实,乳杆菌Firm-5通过将色氨酸转化为吲哚衍生物并激活宿主芳香烃受体,从而改善了蜜蜂的记忆行为。


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图4 含有ArAT的Lactobacillus apis改变了色氨酸的代谢,提高了蜜蜂的记忆力



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图5 Lactobacillus apis促进蜜蜂学习和记忆行为依赖于宿主芳香烃受体



研究结论



本文研究发现,野外条件下,抗生素处理降低蜜蜂肠道菌群中的4种乳杆菌属菌种丰度,并影响蜜蜂的巢内行为;实验室条件下,无菌蜜蜂的学习与记忆能力受损;肠道菌群调节脑部的学习记忆相关基因表达,无菌蜂识别特定气味的基因表达下调;蜜蜂肠道菌群可将色氨酸代谢为吲哚衍生物,并抑制宿主的犬尿氨酸代谢通路;乳杆菌Firm5可靶向调节吲哚-芳香烃受体信号通路,改善蜜蜂的学习记忆能力。本发现强调了特定肠道细菌对蜜蜂神经过程的贡献,从而为“菌群-肠-脑轴”互作机制提供了基础。



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参考文献



Zhang Z, Mu X, Cao Q, et al. Honeybee gut Lactobacillus modulates host learning and memory behaviors via regulating tryptophan metabolism[J]. Nature communications, 2022, 13(1): 1-13.