Эндофиты пыльцы защищают ульи медоносных пчел от патогенов

Медоносные пчелы Apis mellifera — наиболее распространенные опылителя сельскохозяйственных культур во всем мире. Они также производят мед, воск, прополис и другие продукты. Пчелы питаются нектаром и пыльцой окружающих улей растений. Они обитают в плотно заселенных ульях и генетически близи друг другу, так что очень чувствительны к вирусным, бактериальным и грибковым инфекциям. Патогены попадают в улей из природы или других ульев, как, например, Paenibacillus larvae. Существующие методы лечения (например, антибиотики окситетрациклин и тилозин) часто неэффективны из-за растущей резистентности патогенов, а также могут наносить вред кишечной микробиоте самих пчел.

Однако пчелы и ульи — также источник производящих антибиотики бактерий, например, представителей рода Streptomyces. Streptomyces spp. обычно изолируют из почвы, они часто связаны с растениями и даже обитают внутри растений как эндофиты. Исследователи из США выяснили, откуда полезные бактерии попадают в улей. Они выдвинули гипотезу, что штаммы Streptomyces, обнаруженные в ульях, являются эндофитами, которые пчелы приносят в улей вместе с пыльцой. Чтобы проверить эту идею, авторы провели сравнительное исследование, изолировав актинобактерии как из пыльцы, собранной с десяти видов растений вокруг улья, так и из запасов пыльцы в самом улье медоносных пчел.

Выделенные актинобактерии оказались таксономически разнообразными, хотя большинство из них принадлежало к роду Streptomyces. Были также обнаружены представители редких родов, таких как Micromonospora, Kribella и Dactylosporangium. Примечательно, что образцы из ульев содержали несколько филогенетически разнообразных изолятов. Это подтверждает их поступление из разных внешних источников.

Для более точного определения связей между бактериями из растений и из ульев исследователи секвенировали полные геномы семи штаммов Streptomyces. Анализ показал, что изоляты из растений и ульев тесно кластеризовались на филогенетическом древе. То есть актинобактерии из ульев не представляют собой уникальную группу, а являются представителями разнообразных видов, которые также ассоциированы с растениями. В частности, штаммы Streptomyces albidoflavus и Streptomyces olivaceus регулярно выделялись как из растений, так и из ульев, и ранее они были описаны как эндофиты растений.

Чтобы подтвердить их происхождение из растений, геномы бактерий анализировались на наличие генетических маркеров эндофитизма — генов, которые позволяют бактериям жить внутри растительных тканей. Было установлено, что все проанализированные штаммы, изолированные как из растений, так и из ульев, содержали гены, кодирующие биосинтез ионофоров. Ионофоры помогают бактериям солюбилизировать металлы, такие как железо, и позволяют им конкурировать за ограниченные неорганические ресурсы в ризосфере и тканях растений. Также искали гены, кодирующие биосинтез гормонов растений, и гены, кодирующие ферменты для деградации клеточной стенки — эндоглюканазу и бета-глюкозидазу, которые позволяют бактериям расщеплять целлюлозу, проникать в растительные ткани и потреблять сахара. Сходство этих маркеров между Streptomyces, выделенными из ульев, и уже охарактеризованными эндофитами, свидетельствует о том, что бактерии из ульев действительно происходят от бактерий растений.

Следующим шагом было определение того, какие именно антибиотики и вторичные метаболиты производят эти штаммы. Геномный анализ, проведенный с помощью инструмента AntiSMASH (Antibiotics & Secondary Metabolite Analysis Shell, программный комплекс, используемый для идентификации и аннотирования биосинтетических локусов вторичных метаболитов в геномах), выявил, что штаммы, изолированные как из растений, так и из ульев, содержат схожие кластеры генов биосинтеза (BGC). Среди идентифицированных кластеров были гены, кодирующие производство полициклических тетраматных макролактамов, которые представляют собой химически разнообразную группу макролактамов с зарегистрированной антибактериальной и противогрибковой активностью, при этом были обнаружены варианты, схожие с малтофилинами и пактамидами. Кроме того, были выявлены кластеры, ответственные за синтез суругамидов — циклических пептидов с умеренной противогрибковой активностью, а также фрагменты BGC, кодирующие лобофорины, которые обладают антимикробными свойствами и ранее были обнаружены у Streptomyces, связанных с другими видами пчел.

Использование жидкостной хроматографии в сочетании с тандемной масс-спектрометрией (LC-MS/MS) подтвердило выработку этих соединений выделенными штаммами.

Изоляты из растений и ульев были протестированы на их способность подавлять рост патогенов медоносных пчел, бактерий и грибков (Paenibacillus larvae, Serratia marcescens и Aspergillus niger), и патогенов растений (Erwinia amylavora, Pseudomonas syringae и Ralstonia solanacearum). Оказалось, что штаммы из обеих групп способны ингибировать рост как пчелиных, так и растительных патогенов. Грибковый патоген пчел Aspergillus niger был ингибирован примерно половиной штаммов. При этом наиболее сильные ингибирующие штаммы, включая S. albidoflavus, были обнаружены как в пыльце растений, так и в улье, что еще раз доказывает общность их происхождения и функциональную важность.

Таким образом, исследование показало, что полезные актинобактерии, защищающие ульи, поступают из окружающих растений. Продукты, производимые бактериями рода Streptomyces, представляют собой многообещающую отправную точку для создания более безопасных и эффективных антибиотиков для пчеловодства, преодолевающих резистентность. Исследование подчеркивает тесную связь между здоровьем медоносных пчел и разнообразием окружающей улей флоры.

Модифицированные дрожжи вырабатывают стеролы для кормления пчел