2021年11月4日，山东省蜂产业技术体系育种岗位专家团队与中国农业大学相关团队合作，在国际微生物领域顶级期刊《微生物组（Microbiome）》（五年IF=15.679）上发表题为“Strain-level analysis reveals the vertical microbial transmission during the life cycle of bumblebee”的研究论文。该研究通过对地熊蜂肠道菌群的宏基因组大数据分析，结合实验室条件下追踪肠道菌群发展轨迹，揭示了在地熊蜂不同生命周期及蜂巢发育阶段，其肠道菌群在菌株水平上的社会性垂直传递规律，为工厂化周年高效繁育工艺中，提高熊蜂营养吸收等瓶颈技术的突破奠定了基础。

熊蜂Bumblebee是众多野生植物和农作物的重要授粉昆虫之一，在维持自然生态系统和农业生态系统的平衡中发挥着重要作用。同时，熊蜂作为开发程度最高的商品化授粉昆虫，其授粉技术广泛应用于全世界的设施果蔬绿色生产。如何更好的促进熊蜂对人工饲料的消化吸收，提高饲料利用率是熊蜂工厂化周年高效繁育工艺的重要环节。熊蜂肠道菌群与蜜蜂相似，仅由5-8种核心菌属组成，但每一菌种内具有高度的菌株水平多样性。研究团队成员在前期系列工作中，已揭示了肠道菌群在蜜蜂、熊蜂的营养消化、吸收等方面发挥着重要作用^[1,2]。与蜜蜂的生活史不同，多数熊蜂为一年一代，通常情况下单头蜂王滞育越冬后，独自完成采集、筑巢、产卵、哺育、繁殖等工作，直至新蜂王产生，蜂巢开始衰败。因此，理论上熊蜂的肠道菌群应由蜂王在每一代蜂巢建立过程中完成严格的垂直传播，但其肠道菌群的组成特点及其在巢内的社会性传递方式尚不明确。

图1 地熊蜂全变态发育过程中不同时期微生物组机构的动态变化

在本研究中，研究人员以地熊蜂的工厂化周年繁育蜂群作为模式体系，跟踪其全变态发育过程中卵、幼虫、蛹、成虫不同时期的肠道共生微生物群落的变化。发现部分核心菌，如Lactobacillus Firm5、Gilliamella、Snodgrassella等在不同发育时期持续存在，并在菌株水平跟踪了部分核心菌的传递轨迹。同时研究团队构建了“熊蜂-西方蜜蜂-东方蜜蜂”大规模肠道菌纯菌培养库及基因组数据库，利用宏基因组测序技术，发现新生工蜂与其蜂王的肠道菌群高度相似，证实了肠道微生物菌株从蜂王向工蜂的垂直传播现象。为进一步了解其传递规律，研究人员继续跟踪蜂巢的不同发育阶段，比较了各时期“蜂王-工蜂”在菌种、菌株水平肠道菌群的组成特点，结果发现蜂王和工蜂的肠道菌群的组成随蜂群的发展而变化，并发现Gilliamella中特异菌株在蜂王和工蜂间的严格垂直传递。最后，通过对地熊蜂、西方蜜蜂及东方蜜蜂的肠道菌群宏基因组数据比较，发现不同蜂种的肠道微生物具有明显的宿主特异性及其在多糖代谢等方面的功能差异，证实了熊蜂特殊的生活史对于肠道菌群遗传带来的瓶颈效应。本研究成果首次证明了地熊蜂的肠道微生物传递模式，揭示了社会性差异对于熊蜂、蜜蜂肠道菌群组成、功能进化等方面的重要作用。同时也提出了熊蜂作为新型模式动物，用于研究肠道菌群遗传规律及其与宿主互作机制等方面的独特优势。

图2 地熊蜂蜂王、新生工蜂、成熟工蜂随蜂巢不同发育阶段过程，肠道菌群在菌种、菌株水平的组成差异及Gilliamella-Bom-4菌种中特异菌株的垂直传播规律

中国农业大学博士生苏秦、硕士生王庆霖为论文共同第一作者，山东省蜂产业技术体系育种岗位专家翟一凡研究员与中国农大郑浩教授为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省优秀青年科学基金、山东省泰山产业领军人才工程、院创新工程等项目共同资助。

论文链接：https://doi.org/10.1186/s40168-021-01163-1

[1] Zheng H et al. Honeybee gut microbiota promotes host weight gain via bacterial metabolism and hormonal signaling. PNAS (2017) 114:4775-80.

[2] Zheng H et al. Division of labor in honey bee gut microbiota for plant polysaccharide digestion. PNAS (2019) 116:25909-16.