Питание, иммунитет и вирусные инфекции медоносных пчел
Вирусы и другие патогены могут быстро распространяться в семьях пчел в результате тесных контактов пчел между собой в гнезде, совместного использования пищи. Здесь мы обсуждаем, как медоносные пчелы снижают риск вспышек заболеваний за счет сочетания поведения (социального иммунитета) и индивидуальной иммунной функции. Существует связь между эффективностью социального и индивидуального иммунитета и состоянием питания пчелиной семьи. Паразитические клещи Варроа подрывают отношения, поскольку они снижают уровень питательных веществ, подавляют индивидуальную иммунную функцию пчелы и передают вирусы.
Введение
Медоносные пчелы и другие социальные насекомые составляют более половины биомассы насекомых в мире, что делает их одной из наиболее экологически успешных групп насекомых.
Этому успеху способствует координация действий членов колонии. Основные задачи, такие как терморегуляция, выращивание расплода и сбор ресурсов, эффективно выполняются благодаря архитектуре и организации гнезда, а также пространственной близости между особями. Однако скученность, высокие температуры, высокая концентрация пищи идеальны для инвазии и передачи патогенов, которые могут привести к эпидемиям. Риск вспышек заболеваний снижается за счет специализированного группового поведения (социального иммунитета) и индивидуальной иммунной системы.
Медоносные пчелы являются важными опылителями в ненарушенных экосистемах, они необходимы для производства многочисленных ценных культур. За последние десятилетия здоровье медоносных пчел неуклонно ухудшалось, особенно с появлением паразитических клещей Варроа (Varroa destructor). Были предприняты значительные усилия по выявлению паразитов и патогенов, которые угрожают здоровью и выживанию семей медоносных пчел. Вирусы привлекли большое внимание из-за значительной потери пчелосемей, особенно зимой, из-за клещей Варроа и вирусных болезней. Больше внимания также уделялось потребностям пчел в питании и тому, как улучшение питания может сократить потери пчелосемей.
Этот обзор будет посвящен роли питания в иммунном ответе на вирусные патогены. Мы кратко описываем связь между питанием и индивидуальным иммунитетом и рассуждаем о возможных изменениях потребностей семей в питании в течение года. Эти изменения могут быть связаны с компромиссом между ростом пчелосемей и иммунной защитой. В эту структуру мы включаем последствия паразитизма Варроа, поскольку при наличии клеща одного только оптимального питания может быть недостаточно для поддержания низкого уровня вирусной инфекции.
Вирусы медоносных пчел
Во всем мире выявлено более 20 вирусов, поражающих медоносных пчел. Наиболее распространенными являются: вирус деформации крыла (DWV), вирус черного маточника (BQCV) и израильский вирус острого паралича (IAPV). IAPV, вирус острого паралича пчел (ABPV) и кашмирский вирус пчел (KBV) часто называют острым-кашмирско-израильским комплексом или ОПП и имеют схожие характеристики. Вирусы поражают всех особей улья и на всех стадиях развития. Хотя вирусы всегда присутствуют в пчелиных семьях, они часто сохраняются в виде скрытых бессимптомных инфекций. Однако, если семьи находятся в состоянии стресса, уровень вируса может повыситься, что приведет к снижению продолжительности жизни рабочих пчел и выживаемости расплода, а также к гибели семей зимой или ранней весной. Вирусы, такие как BQCV, также могут вызывать гибель пчелосемьи, предотвращая развитие и появление новой матки после потери старой матки.
Фактором, который увеличил уровень вируса в семьях европейских медоносных пчел на пасеках в США и Европе, является Варроа. Клещ ослабляет пчел, питаясь гемолимфой личинок, куколок и взрослых особей. Варроа также может передавать вирусы среди соседей по гнезду и подавлять иммунитет хозяина, что приводит к повышенной репликации вируса. В колониях с большими популяциями Варроа ячейки расплода инвазируются несколькими самками клеща, вызывая более высокие уровни DWV, чем в одиночно зараженных ячейках. Осенью часто наблюдаются множественные заражения, поскольку популяция клещей достигает пика. Сочетание многократного заражения ячеек и более высоких уровней вируса осенью в конечном итоге приводит к гибели пчелосемей зимой.
Помимо угрозы, которую вирусы представляют для семей медоносных пчел, недавние исследования показывают, что вирусы могут преодолевать видовой барьер и заражать виды, не относящиеся к Apis (например, шмелей). Популяция шмелей резко сократилась, и они могут заразиться вирусами, посещая цветы, которые ранее посещали инфицированные медоносные пчелы. Поэтому контроль вирусных заболеваний в семьях медоносных пчел жизненно важен для остановки распространения вирусов среди диких опылителей.
Иммунная система медоносной пчелы
Риск вспышек заболеваний снижается в семьях медоносных пчел и других социальных насекомых за счет поведения на уровне группы («социальный иммунитет») и индивидуального иммунитета. Вместе они обеспечивают несколько уровней профилактики заболеваний и реагирования на проблемы, связанные с патогенами и паразитами.
Социальный иммунитет пчел
Коллективная защита от паразитов и патогенов, возникающая в результате поведенческого сотрудничества между особями в пчелосемьях, называется «социальным иммунитетом». Обладая социальным иммунитетом, многие пчелы выполняют небольшие задачи, которые в совокупности оказывают влияние на всю колонию, уменьшая распространение паразитов и патогенов. Например, рабочие пчелы удаляют мертвых пчел из улья, выкидывают расплод из улья, который заболел или заражен паразитами (гигиеническое поведение). Взрослые особи, погибающие вне гнезда, также способствуют социальному иммунитету, если у них высокая нагрузка патогенами. Терморегуляторное поведение также является типом социального иммунитета, особенно когда рабочие пчелы вызывают поведенческую «социальную лихорадку» против чувствительных к теплу патогенов, таких как гриб (Ascosphaera apis).
Помимо группового поведения внутри гнезда, пчелы собирают растительные смолы (прополис) и используют их для создания водонепроницаемой и воздухонепроницаемой антимикробной и противовирусной оболочки вокруг своего гнезда. Некоторые соединения прополиса, активируют гены иммунитета. Другие соединения могут ограничивать рост популяции Варроа, поскольку они обладают акарицидными свойствами.
Индивидуальный иммунитет пчел
На индивидуальном уровне медоносные пчелы имеют несколько линий врожденной иммунной защиты от чужеродных патогенов. Физические и химические барьеры, включая кутикулу экзоскелета и перитрофические мембраны, выстилающие пищеварительный тракт, являются первой линией защиты, которая предотвращает прилипание или проникновение патогенов в организм. Если патоген преодолевает физические и химические барьеры, медоносные пчелы могут защитить себя от инфекции с помощью клеточных и гуморальных иммунных реакций, которые представляют собой вторую линию защиты. Активация врожденных иммунных ответов включает распознавание хорошо знакомых структурных мотивов на поверхности патогенов, называемых патоген-ассоциированными молекулярными паттернами (PAMP), с помощью рецепторов распознавания образов (PRR), которые представляют собой белки, кодируемые зародышевой линией. Связывание PAMP с помощью PRR запускает сигнальные каскады, которые приводят к активации опосредованного гемоцитами клеточного иммунного ответа, включая фагоцитоз, образование узелков и инкапсуляцию вторгшихся патогенов, инициацию фенолоксидазного каскада, который регулирует коагуляцию или меланизацию гемолимфы или синтез антимикробные пептиды (АМФ).
Несколько АМП, такие как абаецин, апидэцин, гименоптацин и дефенсин, были идентифицированы в гемолимфе медоносных пчел при индукции микробных инфекций.
Существует несколько сигнальных путей, включая Toll, Imd, Jak-STAT, а также JNK, которые экспериментально продемонстрировали контроль выражений многих генов AMP у дрозофилы в ответ на вирусную инфекцию. В то время как исследование показало, что инфицирование медоносных пчел ABPV, не вызывает ни клеточного иммунного, ни гуморального ответа, более недавнее исследование показало, что у медоносных пчел, инфицированных IAPV, в ответ формируется широкий спектр сигнальных путей, участвующих в клеточных врожденных иммунных реакциях.
Недавние исследования показывают, что РНК-интерференция (РНКи) является основным противовирусным врожденным иммунным ответом у насекомых. Этот врожденный противовирусный ответ запускается при обнаружении экзогенной двухцепочечной РНК (dsRNA), промежуточного продукта, образующегося во время репликации РНК-вируса.
Ответ включает в себя фермент подобный РНК III под названием Dicer 2 (Dcr2), который распознает вирусную dsRNA как PAMP и расщепляет ее длинные участки на короткие интерферирующие РНК (siRNAs), которые представляют собой дуплексы длиной 21–23 нуклеотида.
Полученный дуплекс siRNAs в сочетании с Dcr-2 и белком, связывающим dsRNA, загружается в комплекс РНК-индуцированного молчания (RISC), который включает в себя многосубъединичные эффекторы с Argonaute 2 (Ago2) в качестве каталитического ядра этого комплекса и разрушает слабое звено в цепи siRNA. Направляющая цепь siRNA остается связанной с RISC и направляет RISC к родственным вирусным РНК, которые разрезаются эндонуклеазной активностью Ago2 в точке комплементарности, тем самым ограничивая репликацию вируса.
Геном медоносной пчелы кодирует основные компоненты пути РНК, включая ферменты Dicer, эндонуклеазы Argonaute, гомолог Drosha, dsRNA-связывающие белки Loquacious, R2D2, Pasha и гомолог белка, дефектного по системной РНК-интерференции (SID-1), ген необходим для транспортировки dsRNA между клетками и системного распространения сигналов РНКи (RNAi).
Роль РНКи в обеспечении противовирусного ответа, индуцированного дцРНК (dsRNA), у медоносных пчел была подтверждена в нескольких исследованиях.
IAPV — широко распространенный РНК-вирус медоносных пчел, который первоначально был связан с синдромом коллапса пчелиной семьи (CCD).
Глубокий анализ секвенирования рабочих медоносных пчел из CCD-колоний выявил обилие миРНК (siRNA), совпадающих с нуклеотидами IAPV и других вирусов, связанных с потерями пчелиных семей, что указывает на активацию пути RNAi в CCD-колониях для борьбы с вирусными инфекциями.
Инъекция и введение дсРНК, соответствующей сегменту межгенной области (IGR) и сегменту гена, кодирующего структурный белок капсида, может снизить интенсивность инфекции IAPV у медоносных пчел.
Введение миРНК (siRNA), нацеленной на внутреннюю часть рибосомы (IRES) IAPV, необходимой для трансляции белка, может придавать пчелам противовирусную активность. Кроме того, скармливание dsRNA, специфичной для DWV, может привести к снижению заражения DWV у пчел, инокулированных DWV. Неспецифический противовирусный ответ, опосредованный dsRNA, был продемонстрирован в исследовании, показавшим, что введение dsRNA, независимо от последовательности, может вызвать противовирусный ответ, который контролирует вирусную инфекцию у медоносных пчел. Совсем недавно исследование глобальной экспрессии генов как у инфицированных IAPV, так и у неинфицированных пчел показало, что путь RNAi имеет повышенную активность у инфицированных вирусом пчел, что еще раз подтверждает роль RNAi в противовирусном иммунитете.
Исследование также показало изменения в характере метилирования ДНК в ответ на вирусную инфекцию, что позволяет предположить, что медоносные пчелы могут обладать параллельными эпигеномными и транскриптомными механизмами реагирования на вирусную инфекцию.
Эти результаты и результаты, о которых сообщают другие, очень обнадеживают развитие РНКи как инструмент борьбы с вирусными заболеваниями медоносных пчел.
Питание и иммунитет пчел
Медоносные пчелы удовлетворяют все свои потребности в питании с помощью нектара и пыльцы. Эти ресурсы собираются в количествах, превышающих потребности пчелосемьи, и сохраняются на периоды нехватки в виде меда и перги. Нектар и мед содержат углеводы и являются энергетическим топливом для всех особей пчелиной семьи. Пыльца и перга обеспечивают белок и питательные вещества, необходимые для физиологических процессов, таких как выращивание расплода, рост и иммунитет.
Связь между питанием и иммунитетом была продемонстрирована на многочисленных организмах, у которых на иммунную функцию влияет ограничение калорий.
Пыльца обеспечивает незаменимые аминокислоты, необходимые для синтеза пептидов в иммунных путях, включая компоненты АМФ. Углеводы (нектар и мед) обеспечивают энергию для метаболических процессов, связанных с врожденными гуморальными и клеточными иммунными реакциями, а также могут обеспечивать вторичные растительные метаболиты, обладающие противомикробными свойствами.
Взаимосвязь между питанием и иммунитетом нарушается, когда пчелы заражены Варроа. Рабочие особи, зараженные паразитами во время развития, появляются с более низким содержанием белка, который невозможно повысить, даже если имеется достаточное количество пыльцы. Куколки, пораженные Варроа, также могут иметь значительно более низкое содержание белка, повышенный уровень свободных аминокислот и меньший вес, чем незараженные куколки, что позволяет предположить, что синтез белка и, в конечном итоге, рост ингибируются Варроа.
Недавно нутригеномные исследования выявили влияние источников углеводов и белков на профили транскрипции взрослых пчел. Компоненты меда активируют пути детоксикации в кишечнике и гены, связанные с белковым метаболизмом и окислительным восстановлением. Эти эффекты не были обнаружены в других источниках углеводов, которые обычно скармливают пчелам в семьях на пасеке (например, раствор сахарозы или кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы). Пыльца активирует пути восприятия питательных веществ и метаболизма, а также влияет на экспрессию генов, влияющих на продолжительность жизни, иммунную функцию, выработку определенных АМФ и детоксикацию пестицидов. Однако, если пчелы заражены Варроа, происходит снижение белкового обмена, ингибирование определенных генов иммунитета и повышение уровня вируса, что невозможно обратить вспять скармливанием пыльцы.
Таким образом, существуют ограничения на влияние диеты на иммунную функцию у пчел, зараженных Варроа.
Выводы
Питание медоносных пчел является одной из наиболее быстро развивающихся областей исследований в биологии пчел, во многом из-за потерь пчелиных семей из-за недостаточного питания и сопутствующих патологий.
Хотя питание медоносных пчел исследуется уже много лет, молекулярные инструменты и доступность генома медоносных пчел позволяют провести более комплексные исследования роли питания в здоровье медоносных пчел. В связи с этим мы предлагаем несколько направлений будущих исследований. Первый — это комплексная оценка пищевой ценности пыльцы и нектара в контексте пищевых потребностей семей в течение года. Основное предположение при сравнении пищевой ценности пыльцы и разработке белковых добавок заключается в том, что потребности семей в питании постоянны, а взаимосвязь между диетой и иммунитетом определяется просто потреблением энергии, а не конкретными смесями питательных веществ, которые являются ключевыми в определении иммунного ответа. Семьи медоносных пчел проходят годичные циклы. Производство расплода и демографические характеристики пчелиной семьи меняются в течение года, поэтому разумно предположить, что меняются и потребности в питании. Как было продемонстрировано на примере других насекомых, диеты, оптимальные для роста, не обязательно оптимальны для иммунитета. Таким образом, колониям, которые формируются весной, могут потребоваться питательные вещества, необходимые для роста, тогда как осенью, когда выращивание расплода сокращается и колонии готовятся к зимнему содержанию, потребности в питательных веществах могут быть направлены на поддержку иммунной функции. Анализ питательной ценности пыльцы, собранной в разное время года, в сочетании с нутригеномными исследованиями, изучающими влияние на метаболическую и иммунную экспрессию генов, может расширить наш взгляд на потребности семей в питании и на то, как они удовлетворяются с помощью сезонной пыльцы, собираемой пчелами.
Вторая область, требующая более тщательного изучения, — это роль микробиома в переработке питательных веществ и иммунитете. Состав питательных веществ, получаемых с пищей, влияет на микробные сообщества в кишечнике. Сообщества могут влиять на иммунную функцию, предоставляя необходимые питательные вещества, вызывая иммунные реакции хозяина или уменьшая рост патогенов. Хотя есть доказательства этих преимуществ и для других организмов, роль микробных сообществ как продолжения социальной и индивидуальной иммунной системы только начала изучаться у медоносных пчел.
Хотя улучшение питания может оптимизировать рост пчелиных семей и иммунную реакцию на вирус, паразитизм Варроа может подорвать любые преимущества, которые может дать питание.
Обильные ресурсы стимулируют выращивание расплода и рост популяции в течение весны и лета. Однако по мере роста колонии растет и популяция Варроа. Осенью, когда расплода становится меньше, большая популяция Варроа приводит к высокому уровню паразитизма. Зимой пчелиная семья будет состоять из большинства взрослых особей, которые были заражены паразитами во время развития и являются носителями вируса. В таких колониях наблюдается высокий уровень смертности во время зимовки. Последняя область исследований, которая требует дальнейшего изучения, — это роль питания в репродуктивном успехе Варроа и передаче вируса. Если улучшение питания пчел повлияет на любой из этих факторов, то связь между питанием и иммунитетом может быть восстановлена даже при наличии Варроа.
Литература
Current Opinion in Insect Science 2015, 10:170–176 Edited by Christina Grozinger and Jay Evans
http://dx.doi.org/10.1016/j.cois.2015.05.007
