Darmmikrobiota der Honigbiene – Was ist das und warum ist es wichtig?

Im Juni 2016 veröffentlichten Forscher der University of Texas in Austin die Studie „Gut Microbial Communities of Social Bees“ in Nature Reviews-Microbiology. Der mikrobiellen Zusammensetzung des menschlichen Darmtrakts, dem sogenannten Mikrobiom, ist in den letzten Jahren zunehmend Aufmerksamkeit gewidmet worden, insbesondere im Zusammenhang mit der wachsenden Bedrohung durch Antibiotikaresistenzen. Aber Bienen? Ich habe mit der Forscherin und Imkerin Nancy Moran vom Department of Integrative Biology gesprochen, die den Bericht mitverfasst hat, der etwa sieben Jahre lang Studien zur Beschreibung der Mikrobiologie des Bienendarms umfasste. Dr. Moran hat sich im wahrsten Sinne des Wortes genauer mit den Merkmalen, Formen und der Benennung der Gattungsart – keiner hatte einen Namen – der im Darmtrakt von Bienen lebenden Bakterien befasst.

Warum ist es wichtig, die mikrobiologische Zusammensetzung des Darms einer Honigbiene zu untersuchen?

Basierend auf Studien an Mäusen, Menschen, Insekten und anderen Gruppen wird deutlich, dass die Darmbakterien von Tieren wichtig für die Gesundheit sind. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass sie auch für Bienen wichtig sind. Darüber hinaus hat unsere Forschung gezeigt, dass Honigbienen über einen sehr konsistenten Satz an Bakterienarten verfügen, die in allen Honigbienenarbeiterinnen weltweit vorkommen. Die Mikroorganismen im Darm von Tieren können ihren Wirten von Nutzen sein, indem sie bei der Verdauung von Nahrungsmitteln helfen, schädliche Moleküle entgiften, essentielle Nährstoffe liefern, vor eindringenden Krankheitserregern und Parasiten schützen und Entwicklung und Immunität regulieren. Obwohl die Bedeutung der Darmmikrobiota zunehmend anerkannt wird, sind die Prozesse, die diese mikrobiellen Gemeinschaften steuern, weitgehend unklar.

Seit 2006 leiden Honigbienenvölker unter einer hohen Sterblichkeit. Sobald wir mehr über die inneren Bakterien und ihre Rolle – ob hilfreich oder schädlich – erfahren, können wir externe Umweltfaktoren wie Nahrungsversorgung, Behandlungen und Toxine auf die Wirkung auf die Bakterien und damit auf die Biene untersuchen. Alle diese Stressfaktoren könnten durch ihre Darmmikroorganismen moduliert werden. Das Studium dieses Bereichs kann uns also dabei helfen, die Biologie der Honigbiene umfassend zu verstehen und zu einem besseren Verständnis der Rolle von Bakterien, insbesondere im Verdauungstrakt, beizutragen.

Die Idee ist, dass der Bienendarm ein einfaches Modell mit ähnlichen Prozessen ist, das uns helfen kann, besser zu verstehen, wie Darmgemeinschaften im Allgemeinen funktionieren. Dies kann uns natürlich nicht nur dabei helfen, bessere Imker zu werden, sondern es kann uns auch helfen, Einblicke in die Funktionsweise eines viel komplizierteren und variableren Systems wie des menschlichen Verdauungstrakts zu gewinnen. Die National Institutes of Health, die einen Teil der Forschung finanziert haben, sind an diesem Bereich sehr interessiert.

Was waren Ihre wichtigsten Erkenntnisse? Waren sie das, was Sie erwartet hatten?

Ein zentrales Ergebnis, das die weiteren Studien motivierte, war, dass Honigbienenarbeiterinnen über einen sehr konsistenten Satz an Darmbakterien verfügen, die den Großteil der Mikroben im Darm ausmachen – oft 99 % oder mehr. Dies wurde mir zum ersten Mal bewusst, als ich 2007 an einer Gemeinschaftsstudie teilnahm, in der versucht wurde, mithilfe neuer Sequenzierungsmethoden mögliche Krankheitserreger zu identifizieren, die mit der Colony Collapse Disorder (Völkerkollaps) in Zusammenhang stehen könnten. Es stellte sich heraus, dass kein eindeutiger Erreger identifiziert werden konnte. Auffällig war jedoch, dass alle Proben die gleichen Bakterien enthielten. Nachfolgende Probennahmen zeigten, dass diese Bakterien in allen Arbeiterinnen von Apis mellifera weltweit vorkamen und einige dieser Arten auch in anderen Arten, wie der Asiatischen Honigbiene Apis cerana, und in Hummelarten vorkommen.

Basierend auf dieser früheren Forschung haben wir versucht zu verstehen, welche Rolle die Zusammensetzung der Darmbakterien bei der Honigbiene spielt, und zwar unabhängig davon, ob verschiedene Stämme die Gesundheit der Bienen verbessern oder ihr schaden. Obwohl wir im Verdauungstrakt der Honigbiene regelmäßig nur etwa acht Bakterienarten finden, gibt es von jeder Art viele Stämme mit vielen genetischen Variationen und unterschiedlichen Signalwegen. Wir verwendeten verschiedene Arten von Experimenten.

Wir nahmen Larven aus den Rähmchen, als sie kurz vor dem Schlüpfen standen, und legten sie in eine saubere Schüssel. Wir haben festgestellt, dass sie im Larvenstadium keine Mikrobiota erwerben. Wir haben festgestellt, welche Arten von Umwelteinflüssen ihre Mikrobiota etablieren. Wir nahmen neue Bienen mit „sauberem“ Darm, markierten sie, steckten sie in den Bienenstock und nahmen Proben in einem gewissen Zeitverlauf. Für ein paar Tage ist die Mikrobiota unregelmäßig, aber an den Tagen drei bis vier entsteht ein einheitliches Muster dessen, was wir die Kernmikrobiota des Darms erwachsener Honigbienen nennen.

Wir konnten auch feststellen, wo sich die Mikroben im Verdauungstrakt aufhielten. Im Vorder- und Mitteldarm wurden nur wenige Bakterien gefunden. Dies begann sich in der Nähe des Pylorus zu ändern, der den Mitteldarm mit dem Hinterdarm verbindet. Im Ileum haben wir festgestellt, dass die Mikrobenpopulation beginnt sich anzusiedeln. Das Rektum wies die höchste Konzentration an Mikrobenpopulationen auf. Es war wichtig, dies zu bestimmen, da wir dann die Rolle dieser Bakterien an einem bestimmten Ort untersuchen können. Soll es andere krankheitsverursachende Bakterien bekämpfen? Soll es die Gärung von Nahrungsmitteln und die Verdauung unterstützen? Da der Darm der Honigbiene eine so kleine Anzahl von Mikroben beherbergt, können wir ihre Rolle leichter identifizieren.

Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass es eindeutige Hinweise darauf gibt, dass das Mikrobiom mit zumindest einigen Krankheitserregern interagieren kann, beispielsweise mit Trypanosomatiden-Parasiten wie Crithidia bombi. Dies scheint sowohl bei Honigbienen als auch bei Hummeln der Fall zu sein. Die Genome der Bakterien verraten uns, dass sie in der Lage sind, pflanzliche Makromoleküle, die in den Zellwänden der Pollenkörner vorhanden sind, abzubauen. Daher ist es möglich, dass die Bienen zusätzliche Energie extrahieren können, die sich auf die Wirtschaftlichkeit des Bienenstocks auswirkt (zusätzlich zur Verwendung von Zucker aus Nektar). Sie können auch eine Reihe von Zuckern verwerten, nicht nur Saccharose, Fructose und Glucose, sondern auch einige wie Mannose, Arabinose und Xylose, die in Pflanzenzellwänden vorhanden sind und die nachweislich für Bienen giftig sind.

Wie erwerben und teilen die Bienen Darmbakterien?

Sozialität, zu der auch die gemeinsame Nutzung der Bienenstockumgebung durch eine soziale Gruppe gehört, ist von zentraler Bedeutung für die Übertragung der Bienendarmmikrobiota zwischen Wirten. Nach der Verpuppung in verdeckelten Zellen innerhalb des Bienenvolkes schlüpfen ausgewachsene Honigbienen mit einem keimfreien Darm. Wenn die Därme der Honigbienen manuell aus den Wabenzellen entfernt und unter sterilen Laborbedingungen aufbewahrt werden, bilden sie keine nennenswerten mikrobiellen Gemeinschaften. Neu geschlüpfte Bienen, die selbstständig aus den Wabenzellen kommen, können durch restliche Darmsymbionten auf der Rahmenoberfläche „geimpft“ werden.

Anfangs ist die mikrobielle Gemeinschaft klein und unregelmäßig zusammengesetzt, wird von Umweltbakterien dominiert und weist keine Differenzierung zwischen den Darmregionen auf. Wir fanden jedoch heraus, dass die mikrobiellen Gemeinschaften am dritten Tag mehr als 10⁷ Bakterien enthielten, die größtenteils aus den charakteristischen Arten des Bienendarms stammten, und dass das Ileum und das Rektum begannen, eine „normale“ Gemeinschaftszusammensetzung aufzuweisen. Diese mikrobiellen Gemeinschaften erreichen am achten Tag ein Niveau von etwa 10⁹ Bakterien. Einmal etabliert, sind mikrobielle Gemeinschaften im Darm im Allgemeinen stabil, während die Arbeiterinnen verschiedene Verhaltensstadien durchlaufen. Dieser Wandel von einer anfänglich unregelmäßigen mikrobiellen Gemeinschaft zu einer Gemeinschaft, die von „erwachsenen“ Bakterien dominiert wird, spiegelt übrigens weitgehend die Entwicklung der Darmmikrobiota bei menschlichen Säuglingen wider.

Der Aufbau einer stabilen mikrobiellen Gemeinschaft erfolgt, bevor die Arbeiterinnen den Bienenstock verlassen, was bedeutet, dass die Übertragung durch andere Bienen im Bienenvolk oder durch Bestandteile des Bienenstocks, wie z. B. Wachsoberflächen, erfolgt. In experimentellen Tests entwickelten sich die typischen Darmmikrobengemeinschaften mit der höchsten Wahrscheinlichkeit, wenn Bienen direkt älteren Bienen ausgesetzt waren oder mit deren mazerierten Hinterdärmen gefüttert wurden. Basierend auf Experimenten, bei denen potenzielle Übertragungsquellen manipuliert wurden, ist die orale Trophallaxis, ein häufiges Kommunikations- und Nahrungsübertragungsverhalten, kein Hauptübertragungsweg, was mit Beobachtungen übereinstimmt, dass der Vorderdarm nur wenige Bakterien beherbergt. Ein fäkaler Weg scheint wichtig zu sein, insbesondere für Snodgrassella alvi, Gilliamella apicola und Frischella perrara, obwohl Mitglieder der Darmmikrobengemeinschaft auch durch Kontakt mit Bienenstockbestandteilen erworben werden können, die kürzlich mit lebenden Bienen in Kontakt gekommen sind. Arten aus der Familie der Acetobacteraceae könnten durch gespeicherte Pollen in der Nahrung übertragen werden.

Gab es Unterschiede im Mikrobiom von Arbeitsbienen vs. Drohnen vs. Königinnen?

Ja. Wir haben uns auf Arbeiterinnen konzentriert, aber andere Studien haben gezeigt, dass Königinnen sehr unterschiedliche Mikrobiome haben. Drohnen ähneln eher Arbeiterinnen, wenn auch nicht genau dieselben. Die Arbeiterinnen verfügen über ein Mikrobiom, das einen Schwerpunkt auf der Fermentation der Nahrungsprodukte – Nektar und Pollen – widerspiegelt. Daher ist es sinnvoll, dass Königinnen und Drohnen möglicherweise nicht über dieselbe Darmgemeinschaft verfügen.

Erwachsene Arbeiterinnen haben im Vergleich zu Drohnen oder Königinnen und im Vergleich zu anderen Insekten im Allgemeinen einen relativ stabilen Satz an Bakterienarten in ihrem Darm. Dennoch können selbst gleichaltrige Arbeiterinnen eines Volkes sehr unterschiedliche Anteile der Kernbakterienarten im Darm beherbergen. Völker können auch altersbedingte oder saisonale Verschiebungen in den relativen Anteilen der Kernbakterienarten erfahren. Inwieweit diese Verschiebungen spezifisch für bestimmte geografische Regionen oder Umweltbedingungen sind, ist unklar und wir sind an einer weiteren Untersuchung interessiert.

Glauben Sie, dass diese Forschung Aufschluss über Faktoren geben kann, die zur Gesundheit von Honigbienenvölkern und möglicherweise sogar zum Rückgang der Bienenpopulationen beitragen könnten? Und wie?

Wir glauben, dass das Mikrobiom für die Erhaltung der Gesundheit von zentraler Bedeutung ist und dass ein gestörtes Mikrobiom den Wirt anfällig für eine Vielzahl von Problemen macht. Normalerweise können Bienen ein normales, gesundes Mikrobiom entwickeln. Wir beginnen jedoch zu erkennen, dass einige Praktiken dies beeinträchtigen könnten. Am offensichtlichsten ist die Anwendung von Antibiotika.

Wir haben herausgefunden, dass das Darmmikrobiom von US-amerikanischen Honigbienen eine sehr hohe Häufigkeit von Tetracyclin-Resistenzen aufweist, was den Einsatz von Tetracyclin in der US-Imkerei seit mehr als 50 Jahren zur Behandlung und Vorbeugung von Faulbrut widerspiegelt. Diese Resistenzgene wurden nicht im Darm von Honigbienen aus Ländern gefunden, in denen in der Bienenhaltung keine Antibiotika eingesetzt werden. Möglicherweise könnte der Einsatz von Antibiotika oder anderen Behandlungen die normale Mikrobiota beeinträchtigen und Völker anfällig für verschiedene Krankheitserreger oder andere Stressfaktoren machen – ich betone jedoch das Wort potenziell. Bisher liegen uns keine Ergebnisse vor, die eindeutig darauf hindeuten, dass die Imkereipraktiken geändert werden sollten. Wir konzentrieren uns mehr auf die grundlegende Biologie dieser Organismen. Wir hoffen jedoch, dass die Arbeit zu einem besseren allgemeinen Verständnis der Faktoren führt, die die Bienengesundheit beeinflussen, und aufgrund einer besser informierten Bienenhaltung letztendlich zu gesünderen Bienen führen kann. Eine allgemeine Idee, die wir hatten, war, Unterschiede im Bienenmikrobiom basierend auf der Geographie zu untersuchen. Wir könnten beispielsweise entdecken, dass bestimmte Umweltbedingungen für Bienen in Texas oder Neuengland besser sind, und Imker könnten von diesen Erkenntnissen bei der Optimierung ihrer Umgebung profitieren.

Mit Blick auf die Zukunft könnte es einige direkte Auswirkungen auf die Art und Weise geben, wie gewerbliche Imker und Hinterhofimker ihre Bienen pflegen. Ohne zu weit zu gehen, können wir erkennen, dass der unsachgemäße Einsatz von Antibiotika sicherlich erhebliche Auswirkungen auf die Bienenhaltung haben kann, genau wie es auch beim Menschen der Fall war. Auf der ganzen Welt gibt es Bemühungen zur Antibiotika-Verwaltung – das richtige Medikament, für den richtigen Erreger, zur richtigen Zeit – für Menschen, Nutztiere und ja, sogar Bienen.

In den letzten Jahren gab es viele Neuigkeiten über die Vielfalt des bakteriellen Lebens im menschlichen Verdauungstrakt. Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede gibt es zwischen den Darmmikrobengemeinschaften von Menschen und Bienen? Können Ihre Erkenntnisse auf den Menschen übertragen werden oder als Grundlage für zukünftige Forschungen zur menschlichen Darmmikrobiologie dienen?

Eine unserer Hauptmotivationen ist neben dem besseren Verständnis der Bienengesundheit die Tatsache, dass die Darmmikrobiota der Bienen ein gutes Modell für viele Aspekte der menschlichen Darmmikrobiota ist. In beiden Fällen gibt es spezialisierte Darmbakterien, die bei sozialen Interaktionen oder beim Zusammenleben in Gruppen direkt von Individuum zu Individuum übertragen werden.

Bei Honigbienen erhalten die Arbeiterinnen ihre Darmbakterien, nachdem sie aus dem Puppenstadium geschlüpft sind und im Bienenstock erwachsen werden. Forschungen haben gezeigt, dass die Darmbakteriengemeinschaft in den ersten Tagen unregelmäßig ist und viele Umweltbakterien vorübergehend vorhanden sind. Dies stabilisiert sich jedoch etwa am fünften Tag. Dieser Prozess verläuft parallel zu dem bei Neugeborenen, die anfangs eine unbeständige Darmgemeinschaft haben, die sich später stabilisiert und von Arten dominiert wird, die auf das Leben im Darm spezialisiert sind. Sowohl bei den Bienen als auch beim Menschen befindet sich der Großteil der Bakterien im Hinterdarm, also jenseits des Ortes, an dem die meisten Verdauungs- und Absorptionsvorgänge stattfinden, so dass die Gemeinschaften in einer nährstoffarmen Umgebung leben und Energie aus den widerspenstigeren Verbindungen wie Pflanzenpolymeren wie Lignocellulose oder Pektin gewinnen. Und in beiden Fällen weisen die Gemeinschaften eine große Stammdiversität auf, mit sehr eng verwandten Bakterien, deren Genome sich in einer Weise unterscheiden, die sich auf die Wirte auswirken könnte.

Es gibt auch einige Parallelen in der Interaktion der Mikroben mit dem angeborenen Immunsystem, da sowohl Bienen als auch Menschen über dieselben Immunmechanismen verfügen, die bei allen Tieren zu finden sind. Beispielsweise produzieren alle Tiere und Pflanzen kleine Peptide – antimikrobielle Peptide – wodurch normale Darmbakterien Resistenzen entwickeln. Antimikrobielle Peptide tragen zur Aufrechterhaltung der Darmsymbiose bei. Wir können uns dies als einen „Waffenstillstand“ zwischen Wirt und normalen Bakterien vorstellen. Snodgrassella ist an der Darmwand des Wirts vorhanden und verhindert das Eindringen anderer, schädlicherer Bakterien. Wir möchten jedoch nicht, dass die Bakterien die Darmwand überwinden und in den Wirt gelangen. Snodgrassella kann leben und nicht in den Wirt eindringen und Infektionen verursachen und könnte eine Schutzschicht gegen eine schädlichere Infektion bilden, einen Krankheitserreger, den Sie fernhalten möchten.

Welche Bereiche der zukünftigen Forschung im Hinblick auf die Darmmikrobiota von Honigbienen gibt es?

Forscher der University of Texas untersuchen nicht nur das Innere des Darms heute lebender Honigbienen, sondern auch die Entwicklung von Bakterien, die im Verdauungssystem leben und über Generationen hinweg im Laufe der Bienenentwicklung zurückreichen. Sie haben Apis-Arten aus der ganzen Welt gesammelt, um den gemeinsamen Vorfahren vor 80 Millionen Jahren und die ursprünglichen Bakterien im Darm zu identifizieren, die sich parallel zur Biene als Wirt entwickelt haben. Wir befassen uns auch mit der Erforschung der Genetik von Bakterien und der Wirkung bestimmter Gene. Die meisten Bakterien können sich nicht im Darm der Honigbiene ansiedeln, und diejenigen, die es geschafft haben, sind sehr spezialisiert. Wir fragen uns, warum das so ist und würden gerne mehr erfahren.