Charakterisierung der gastrointestinalen Mikrobiota und Milchsäurebakterien von Apis mellifera zum Schutz von Honigbienen – eine Übersicht

Aus ökologischer Sicht spielen Darmmikroorganismen eine entscheidende Rolle im Prozess der Entwicklung von symbiotischen Interaktionen zwischen Insekten durch Sekundärmetaboliten. Darmmikroben sind am Wachstum, an der Entwicklung und an der Fortpflanzung der Insekten beteiligt und tragen vor allem wesentlich zu ihrem Stoffwechsel bei. Darmmikroorganismen synthetisieren wichtige Nährstoffe, erhöhen die Effizienz der Verdauung und unterstützen die Insekten bei der Aufnahme von Nährstoffen. Die meisten Insekten werden von relativ wenigen Arten bewohnt (im Vergleich zum Darm von Säugetieren), von denen die meisten im Labor kultiviert werden können, aber einige beherbergen zahlreiche Gemeinschaften spezialisierter Bakterien. Der Faktor, der die Darmmikrobiota der meisten Insekten einschränkt, ist das Fehlen von Übertragungswegen zwischen den Individuen. Ausnahmen sind soziale Insekten wie Termiten, Ameisen und vor allem Bienen. Soziale Interaktionen bieten Möglichkeiten für die Übertragung von Darmmikroorganismen. Daher wurden einige der beständigsten und spezialisiertesten Darmgemeinschaften mit bedeutenden Funktionen für Ernährung und Schutz bei sozialen Insekten wie Honigbienen identifiziert.

Studien, die sich auf die gesundheitsfördernden Aktivitäten konzentrierten, die Mikroben ihrem Wirt verleihen, haben gezeigt, dass die Darmmikrobiota von Honigbienen eine ebenso wichtige Rolle spielt wie die von Säugetieren. Zwei gut etablierte Funktionen der Darmmikrobiota sind die Nährstoffbiosynthese und der Abbau von Biomasse. Die Ernährungsfunktion wurde ausführlich in Experimenten mit Insekten untersucht, die mit unausgewogenem und schlechtem Futter gefüttert wurden, in dem essenzielle Nährstoffe wie Aminosäuren und Vitamine fehlten. Diese Studien haben gezeigt, dass Insekten-Endosymbionten dazu beitragen, Nährstoffe zu produzieren, die in der Nahrung nicht vorhanden sind. Die zweite Funktion einiger Insektenmikrobiota ist der Abbau von Biomasse und die Verdauung. Sowohl symbiotische Mikroorganismen als auch Wirtsinsekten können zellulolytische Enzyme freisetzen, die für den Abbau und die Hydrolyse von Biomasse verantwortlich sind, wobei Studien gezeigt haben, dass die Aktivität der Mikroorganismen die Effizienz dieser Prozesse erhöht. Darmmikroorganismen tragen wesentlich zur Verdauung von Lipiden und Proteinen sowie zur Entgiftung von sekundären Pflanzenstoffen bei. Sie beeinflussen auch die Lebensdauer, die Gesamtgröße und die Eiproduktion. Außerdem spielen sie nachweislich eine wichtige Rolle bei der Resistenz von Insekten gegen Insektizide.

Darmmikroorganismen, die Insekten bewohnen, können sich indirekt positiv auf die Gesundheit des Menschen auswirken, wenn es sich um parasitäre Krankheiten handelt, die von Insektenvektoren übertragen werden . Es wurde beobachtet, dass im Darm von Insektenvektoren die Zahl der mit Blutmehl aufgenommenen Parasiten abnimmt, bevor sie mit dem Wirtsgewebe in Kontakt kommen. Es wird angenommen, dass mikrobielle Gemeinschaften ein wichtiger Faktor sind, der diesen Effekt beeinflusst. Es wurde der Schluss gezogen, dass Mikroorganismen im Darm zur Modulation der Kompetenz von Insektenvektoren beitragen. Einer der möglichen Mechanismen, durch die Mikroben Insekten bei der Bekämpfung von Parasiten unterstützen, besteht in der Veränderung der Darmumgebung, um die Entwicklung von Parasiten einzuschränken oder eine Immunreaktion des Wirts auszulösen. Sie sind auch in der Lage, antimikrobielle Peptide zu produzieren, die eine Schlüsselrolle bei der Bekämpfung von Parasiten und bakteriellen Krankheitserregern spielen. In der oben erwähnten Studie nahm die Bakterienpopulation im Darm des Vektors nach der Aufnahme von Blutmahlzeiten rasch zu. Die Mikrobiota waren jedoch in der Lage, alle vorhandenen Parasiten abzutöten. Die Anwendung mikrobieller Symbionten zur Verringerung der Vektorkompetenz ist ein vielversprechender Ansatz zur Kontrolle der Ausbreitung von durch Insektenvektoren übertragenen Krankheitserregern.

Im Vergleich zu den Darmmikroorganismen anderer Tiere ist die Mikrobiota der Honigbiene in hohem Maße an Funktionen beteiligt, die mit Kohlenhydraten in Verbindung stehen, was auf spezifische Anpassungen an die zuckerreiche Ernährung des Wirts zurückzuführen ist. Sie stellt der Honigbiene Systeme zur Aufnahme von Zucker zur Verfügung, die zu verschiedenen Phosphotransferase-Systemen gehören. Viele dieser Transporter sind der Mannosefamilie zugeordnet. Diese Eigenschaft von Bakterien ist wichtig, da im Nektar nur Spuren von Mannose vorhanden sind, diese jedoch bei Aufnahme in höheren Konzentrationen hochgiftig ist.

Eine weitere Funktion im Zusammenhang mit Kohlenhydraten ist die Anreicherung des Wirts mit Arabinose-Efflux-Permeasen. Diese Familie von Transportern ist an der Übertragung verschiedener Verbindungen wie antimikrobieller Proteine, Aminosäuren und Zucker beteiligt. Eine Reihe von Transportern schützt die Bakterien vor einer Vielzahl von Pestiziden, die in der Landwirtschaft eingesetzt werden, und natürlich vorkommenden antimikrobiellen Proteinen, die von Bienen als Teil ihrer pflanzlichen Nahrung aufgenommen werden.

Darüber hinaus beeinflussen Darmmikroorganismen aufgrund ihrer Fermentierungseigenschaften sowohl die Umwandlung von Nektar in Honig als auch von Pflanzenknospen und -exsudaten in Propolis. Sie sind auch für die Frische des Honigs verantwortlich.

Eine Möglichkeit, wie die Darmmikrobiota die Gesundheit der Honigbienen beeinflussen kann, ist die Modulation der Immunreaktionen des Wirts. Mikroorganismen beeinflussen die Entwicklung und Morphogenese des Immunsystems und anderer Organe und Körperstrukturen. Ein Beispiel dafür, wie Mikroben einen Wirt beeinflussen, ist die symbiotische Interaktion zwischen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster und den Bakterien, die ihren Darm bewohnen, Acetobacter pomorum. Diese Beziehung beeinflusst die Körpergröße, die Entwicklungsgeschwindigkeit, den Stoffwechsel, die Aktivität der Stammzellen und die Oberfläche der Flügel des Wirtes.

Die primäre Rolle der Darmmikrobiota bei der Funktion der Schleimhautimmunität ist nicht überraschend, wenn man bedenkt, dass die Darmschleimhaut die größte Oberfläche aufweist, die mit Antigenen aus der äußeren Umgebung in Kontakt kommt, und dass die dichte Schicht der Mikrobiota, die die Schleimhaut bedeckt, den größten Anteil der Antigene ausmacht, die den ansässigen Immunzellen präsentiert werden. Das mukosale (=die Schleimhaut betreffend)  Immunsystem ist für die Verwirklichung zweier scheinbar widersprüchlicher Funktionen verantwortlich. Es muss die im Darm lebenden Mikrobiota tolerieren, um die Auslösung schädlicher systemischer Immunreaktionen zu verhindern, und gleichzeitig die Anzahl der Mikroorganismen kontrollieren, um Überwachstum und Translokation zu vermeiden. Die Mikroorganismen des Darms sind an der Erreichung dieser Ziele beteiligt. Sie steuern die Darmhomöostase durch eine Vielzahl von Mechanismen, an denen Substanzen wie Lipopolysaccharide, Flagelline und Peptidoglykane beteiligt sind. Sie interagieren mit Zellrezeptoren wie den Toll-like-Rezeptoren und aktivieren intrazelluläre Signalwege, die mit dem Überleben, der Replikation, der Apoptose und Entzündungsreaktionen von Zellen in Verbindung stehen. Im Gegenzug kontrolliert das Immunsystem des Wirts die Zusammensetzung der Mikroben, indem es Moleküle wie Defensine, Lektine, reaktive Sauerstoffspezies und Bakteriozine freisetzt, die die Ausbreitung pathogener Mikroorganismen wirksam einschränken.

Antimikrobielle Peptide sind entscheidende Bestandteile der angeborenen Immunität, die auf die Abwehr des Eindringens von Krankheitserregern abzielt. Sie bestimmen die Zusammensetzung der Mikrobiota, da ihre Aufgabe darin besteht, die Zellen pathogener Mikroorganismen durch Membranperforation zu schädigen. Während einer Immunbelastung werden in der Hämolymphe der Honigbiene vier Familien antimikrobieller Peptide (Abaecin, Apidaecin, Defensin und Hymenoptaecin) hervorgerufen. In einer Studie wurden Bienen, denen die Darmmikrobiota fehlte, mit Bienen verglichen, die mit der normalen Darmmikrobiota durch Fütterung mit Bienendärmen oder mit dem Bakterium S. alvi geimpft wurden. Es wurde festgestellt, dass die Expression von Apidaecin und Hymenoptaecin bei Bienen, die mit der Darmmikrobiota geimpft wurden, hochreguliert war, was darauf hindeutet, dass die Darmmikrobiota Immunreaktionen bei Bienen auslöst.

Es wurde beobachtet, dass die Mikrobiota der Honigbiene die Zunahme des Körpergewichts fördert. Um die Wirkung der Mikrobiota auf das Wachstum der Wirte zu untersuchen, wurden Messungen des Körpergewichts in Anwesenheit und Abwesenheit von Darmmikroorganismen durchgeführt. Keimfreie und konventionelle Bienen wurden aus Puppen gewonnen, die aus Bienenstöcken entnommen wurden und unter sterilen Laborbedingungen schlüpfen konnten. Bienen, denen die Mikrobiota entzogen wurde, erzielten eine deutlich geringere Gewichtszunahme (um 82 %) als herkömmliche Bienen. Die Gewichtszunahme wurde mit dem Insulin/insulinähnlichen Signalweg in Verbindung gebracht, der eine entscheidende Rolle bei Wachstum, Fortpflanzung und Alterung spielt und die Homöostase und das Verhalten der Bienen reguliert.

Darmmikroorganismen, die Insekten bewohnen, wirken sich nicht nur auf das Verdauungssystem aus. In verschiedenen Studien wurde die Existenz einer Darmmikrobiota-Gehirn-Achse nachgewiesen, was bedeutet, dass Darmmikroorganismen eine Veränderung der Neurophysiologie und des Verhaltens von Insektenwirten hervorrufen. So können Mikroorganismen beispielsweise die Profile flüchtiger Stoffe und das Geruchsverhalten ihrer Insektenwirte verändern. Folglich regulieren sie die Art und Weise, wie die Individuen durch chemische Kommunikation interagieren, sich in Gruppen zusammenschließen und Entscheidungen bezüglich der Nahrungssuche und der Paarung treffen. So werden z. B. Eindringlinge bei der unterirdischen Termite Reticulitermes speratus schneller erkannt und angegriffen, wenn sie von fremden Darmbakterien besiedelt sind, die ungewohnte Duftstoffe freisetzen. Ein weiteres Beispiel findet sich bei der Blattschneiderameise Acromyrmex echinatior, bei der die Unterdrückung der Darmmikrobiota durch Veränderungen der kutikulären Kohlenwasserstoffprofile Aggressionen bei Nicht-Nestkameraden. Darmmikroorganismen können auch die Lebenserwartung von Insekten erhöhen. Ein Beispiel für eine solche Aktivität von Mikroben ist D. melanogaster, dessen Lebensspanne sich nach Anwendung von probiotischen und symbiotischen Formulierungen deutlich verlängerte. Diese Formulierungen retteten metabolische Stressmarker durch das Management von Insulinresistenz und Energieregulierungswegen. Darmmikroorganismen beeinflussen auch die neurophysiologische Entwicklung des Wirts, da sie die Wahrnehmung unterstützen, indem sie dessen Gedächtnis- und Lernfähigkeit verbessern. Eine aktuelle Studie brachte Darmmikroorganismen mit Markern der Alzheimer-Krankheit in Verbindung.

Es wurde beobachtet, dass die Darmmikrobiota von Honigbienen die Neurophysiologie und das Verhalten der Wirte beeinflusst. Mikroben können auch das Verhalten der Wirte beeinflussen, indem sie den Gehalt an biogenen Aminen wie Serotonin, Octopamin und Dopamin verändern. Die Konzentrationen dieser Verbindungen im Gehirn der Arbeiterinnen variieren jahreszeitlich, wobei sie im Sommer, wenn die Aktivität bei der Futtersuche am höchsten ist, und in verschiedenen Lebensstadien ansteigen und in den Gehirnen frisch geschlüpfter, keimfreier Bienen niedriger sind. Darüber hinaus spielt das Darmmikrobiom eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Sozialverhaltens von Honigbienen.

Die Beteiligung der Darmmikrobiota am Xenobiotikastoffwechsel ist seit Jahren bekannt, und diese Fähigkeit wirft ein Licht auf die potenzielle Fähigkeit, die Mikrobiota als Ziel für Medikamente zu erhalten, um wirksam zur Behandlung verschiedener Krankheiten beizutragen. Da Honigbienen einem breiten Spektrum von Pestiziden ausgesetzt sind, besteht eine wichtige Rolle ihrer Darmmikrobiota in der Entgiftung von Xenobiotika, insbesondere von neonicotinoiden Insektiziden. Wu et al. [98] wiesen nach, dass die Darmmikrobiota von Honigbienen zur endogenen Entgiftung und Resistenz des Wirts gegenüber Thiacloprid und Fluvalinat beiträgt, da sie die Expression von Entgiftungsenzymen im Mitteldarm fördert. Die Bedeutung der Darmmikrobiota von Honigbienen wurde auch durch ein Metagenomprojekt veranschaulicht, bei dem die Symbionten von Honigbienen durch Viren geschädigt wurden. Dies hatte nachteilige Auswirkungen auf das Wachstum und die Entwicklung der Bienen und könnte eine der Hauptursachen für das Bienensterben (Colony Collapse Disorder, CCD) sein. Im Kot von Honigbienen, die aufgrund von CCD starben, wurden unverdaute Pollen festgestellt, was auf einen Mangel an nützlichen probiotischen Bakterien im Magen-Darm-Trakt hindeutet. Dies könnte durch Rückstände von Pestiziden und Antibiotika verursacht worden sein.

Die Mikrobiota synthetisiert Enzyme wie Proteasen und Glykosidasen, verstoffwechselt unverdauliche Polysaccharide, produziert lebenswichtige Vitamine und führt den Xenobiotikastoffwechsel durch. Dadurch wird die biochemische Kapazität des Wirts erheblich erweitert. Die Fermentation unverdaulicher Kohlenhydrate und Oligosaccharide durch Bakterien der Gattungen Bacteroides, Roseburia, Bifidobacterium und Faecalibacterium führt zur Bildung von kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs) wie Butyrat, Propionat und Acetat. Diese Substanzen stellen für den Wirt reichhaltige Energiequellen dar. Butyrat trägt dazu bei, die Anhäufung von toxischen Nebenprodukten des Stoffwechsels zu verhindern.