Oto metody ilościowego określania składników odżywczych w pyłku przed i po jego przemianie w pierzgę przez dwa podgatunki pszczół miodnych. Opisujemy techniki pomiaru spożycia pierzgi pszczelej i wynikających z niej mian białek w obu podgatunkach.
Artykuł metodologiczny
Oto metody ilościowego określania składników odżywczych w pyłku przed i po jego przemianie w pierzgę przez dwa podgatunki pszczół miodnych. Opisujemy techniki pomiaru spożycia pierzgi pszczelej i wynikających z niej mian białek w obu podgatunkach.
Pszczoły miodne otrzymują składniki odżywcze z pyłku, który zbierają i przechowują w ulu jako pierzga. Opracowaliśmy metody kontrolowania źródła pyłku, które pszczoły zbierają i przekształcają w pierzch, umieszczając kolonie w specjalnie skonstruowanym zamkniętym obszarze lotu. Opracowano metody analizy składu białkowego i aminokwasowego pyłku i pierzgi. Opisujemy również, w jaki sposób mierzono spożycie pierzgi i metody stosowane do określania miana białka hemolimfy u dorosłych robotnic pszczół po karmieniu się pierzką przez 4, 7 i 11 dni po wzejściu. Zastosowano metody w celu określenia, czy genotyp wpływa na przemianę pyłku w pierzgę oraz tempo, w jakim pszczoły spożywają i pozyskują z niego białko. Dwa podgatunki (pszczoły miodne europejskie i zafrykanizowane; EHB i AHB) podawano to samo źródło pyłku. Na podstawie opracowanych metod stwierdzono, że pierzga wytwarzana przez oba podgatunki miała niższe stężenie białka i wartości pH niż pyłek. Ogólnie rzecz biorąc, stężenia aminokwasów w pierzgi wytwarzanej przez EHB lub AHB były podobne i występowały na wyższych poziomach w chlebie pszczelim niż w pyłku. Zarówno AHB, jak i EHB spożywały znacznie więcej pierzgi wytwarzanej przez AHB niż przez EHB. Chociaż EHB i AHB spożywały podobne ilości każdego rodzaju pierzgi, stężenie białka w hemolimfie w AHB było wyższe niż w EHB. Różnice w pozyskiwaniu białka między AHB i EHB mogą odzwierciedlać adaptacje środowiskowe związane z regionem geograficznym, w którym wyewoluował każdy podgatunek. Różnice te mogą przyczynić się do pomyślnego osiedlenia się populacji AHB w Nowym Świecie ze względu na wpływ na odchów czerwiu i wzrost kolonii.
Odżywianie odgrywa fundamentalną rolę w zdrowiu i żywotności kolonii pszczół miodnych oraz w ich tworzeniu populacji. Składniki odżywcze z pożywienia dostarczają energii i składników biochemicznych potrzebnych do odchowu czerwiu, termoregulacji, żerowania i odpowiedzi immunologicznej. W przypadku rodzin pszczelich miodnych składniki odżywcze potrzebne do wzrostu populacji pszczół miodnych i utrzymania ich zdrowia pochodzą z nektaru i pyłku. Nektar dostarcza węglowodanów, a pyłek zaspokaja pozostałe zapotrzebowanie żywieniowe, takie jak białko, lipidy, witaminy i minerały 1.
Podgatunki pszczół miodnych mogą różnić się parametrami na poziomie kolonii zależnymi od odżywiania, takimi jak długowieczność robotnic, odchów czerwiu i mechanizmy odporności społecznej 2-6. Różnice te mogą być związane ze sposobem, w jaki żywność, w szczególności pyłek, jest przetwarzana przez kolonię i trawiona przez osobniki. Pyłek jest przechowywany w komórkach grzebieniowych i poprzez fermentację kwasu mlekowego za pośrednictwem mikroorganizmów jest chemicznie zmieniany 7-10. Sfermentowany pyłek nazywany jest pierzchą. Mogą istnieć różnice genotypowe między podgatunkami w ich zdolności do pozyskiwania składników odżywczych z pyłku, który zbierają i przechowują, co może wpływać na wzrost i przetrwanie kolonii. Wpływ genotypów na przetwarzanie żywności i pozyskiwanie składników odżywczych został udokumentowany w innych organizmach, powodując, że niektóre osoby uzyskują więcej składników odżywczych i kalorii niż inne podczas spożywania tych samych pokarmów.
Tutaj opisujemy metody używane do porównywania składu i konsumpcji pierzgi pszczelej wytwarzanej przez różne podgatunki pszczół miodnych. Opisano również metody pomiaru uzyskanych mian białek hemolimfy u pszczół robotnic. Wcześniejsze badania nad składem odżywczym pierzgi przeprowadzono na europejskich pszczołach miodnych (EHB) 10,15,16. Mogą jednak występować różnice w pierzgach wytwarzanych przez pszczoły różnych podgatunków, nawet jeśli żywią się tym samym pyłkiem. EHB i AHB porównano, ponieważ te podgatunki mają wyraźne różnice behawioralne i fizjologiczne, które mogą być związane z przetwarzaniem żywności i pozyskiwaniem składników odżywczych 17. Niektóre z najbardziej zauważalnych różnic polegają na tym, że AHB zbiera i spożywa więcej pyłku niż EHB i wydaje się, że łatwiej przekształca go w czerw 18. Kolonie AHB mają wyższe wskaźniki rojenia niż EHB i uciekają, gdy zasoby żywności stają się ograniczone 19-23. Ucieczka jest rzadkością w EHB. AHB mają również wyższe tempo przemiany materii niż EHB 24. Podstawy odżywcze różnic na poziomie kolonii między EHB i AHB mogą być związane z szybkością zbierania pyłku, a także z zawartością składników odżywczych (np. aminokwasów i białka) po przekształceniu go w pierzgę. Spożycie pierzgi pszczelej i wynikające z tego pozyskiwanie białka również mogą odgrywać rolę w różnicach na poziomie kolonii między EHB i AHB. Korzystając z opracowanych metod, EHB i AHB wyprodukowały pierzgę z tego samego źródła pyłku. Pierzga była następnie podawana z powrotem pszczołom każdego podgatunku i mogła określić, czy pszczoły pozyskują białko z chleba pszczelego w sposób charakterystyczny dla ich podgatunku lub dla źródła chleba pszczelego.
1. Pozyskiwanie pierzgi z kolonii AHB i EHB
2. Karmienie pszczół w klatkach
3. Pobieranie próbek pszczół robotnic i pierzgi oraz szacowanie zużycia
4. Szacowanie pH pyłku i pierzgi
5. Analiza białek
6. Analiza aminokwasów
Beebread był przechowywany w temperaturze -80 °C przez mniej niż miesiąc przed analizą pod kątem pH i stężenia białka, a także przez około 4 miesiące przed analizą aminokwasów. Pierzga różniła się od pyłku pszczelym pH i stężeniem białka (ryc. 1). pH pierzgi było niższe niż pyłku, podobnie jak stężenie białka. Zarówno EHB, jak i AHB zużywały więcej ABB niż EBB (Rysunek 2).
Poziomy rozpuszczalnego białka w hemolimfie AHB były znacznie wyższe niż EHB, niezależnie od rodzaju spożywanej przez nich pierzgi (Rysunek 3). Te różnice w poziomach białka w hemolimfie wystąpiły, mimo że EHB i AHB spożywały podobne ilości każdego rodzaju pierzgi. Wiek pszczół w momencie pobierania próbek istotnie wpłynął na stężenie białka rozpuszczalnego w hemolimfie. Stężenia białka były znacznie niższe u pszczół 4. dnia w porównaniu z pszczołami w 7. lub 11. dniu, które nie różniły się.
Spośród 10 aminokwasów, które są niezbędne dla pszczół miodnych, w pyłku wykryto wszystkie oprócz histydyny. W większości przypadków stężenia aminokwasów mierzone w pierzgi były wyższe niż w pyłku (ryc. 4). Na przykład stężenie leucyny i treoniny było o około 60% wyższe w pierzgi w porównaniu z pyłkiem, a stężenie waliny było o około 25% wyższe. Poziomy alaniny, kwasu asparaginowego, glutaminy i metioniny były również wyższe w pierzgach pszczelich niż w pyłku. Stężenia aminokwasów nie różniły się istotnie między ABB i EBB, z wyjątkiem fenyloalaniny i cysteiny. Poziomy fenyloalaniny były około dwa razy wyższe w ABB w porównaniu z EBB lub pyłkiem. Stężenia cysteiny były niższe w EBB w porównaniu z ABB lub pyłkiem. Tryptofan był jedynym aminokwasem obecnym w wyższych stężeniach w pyłku niż w EBB lub ABB. Stężenia proliny w pyłku i ABB były wyższe niż w EBB.

Rysunek 1: Porównanie pH (A) i stężeń rozpuszczalnego białka (B) w pyłku i pierzgach wytwarzanych przez europejskie (EHB) lub zafrykanizowane (AHB) pszczoły miodne. pH pyłku było znacznie wyższe niż w przypadku pierzgi, co określono na podstawie analizy wariancji (F2,12 = 3725, p <0,0001), a następnie testu wielokrotnego porównania Tukeya W. Stężenie białka w pyłku było istotnie wyższe niż w chlebie pszczelim wytwarzanym metodą EHB (EBB) lub AHB (ABB) (F2,27 = 16,49; p <0,0001). Średnie, po których następuje ta sama litera, nie różnią się znacząco na poziomie 0,05.

Rysunek 2: Średni odsetek komórek zawierających pierzch, które zostały całkowicie skonsumowane w ciągu 11 dni przez pszczoły trzymane w klatkach. Pierzga została wyprodukowana przez pszczoły europejskie (EHB) lub afrykańskie (AHB) przy użyciu tego samego źródła pyłku. Środki oszacowano na podstawie pięciu klatek z każdej próby; te z tą samą literą nie różnią się istotnie na poziomie 0,05, jak określono za pomocą jednokierunkowej analizy wariancji (F3,16 = 7,3, p = 0,003) i testu W Tukeya. Ten rysunek został zmodyfikowany z 25.

Rycina 3: Średnie stężenie białka w hemolimfie od europejskich (EHB) lub afrykanizowanych (AHB) pszczół miodnych karmionych pierzją wytwarzaną przez pszczoły europejskie (EBB) lub afrykanizowane (ABB) przez 4, 7 i 11 dni. Analiza wariancji przeprowadzona w wyniku powtarzających się pomiarów wykazała istotne różnice między 4 grupami badanymi (F3,20 = 19,7, p <0,001). Poziomy rozpuszczalnego białka w ABB karmionym AHB były znacznie wyższe niż w ABB karmionym EHB (p = 0,008) lub EBB (p = 0,018). Wiek pszczół w momencie pobierania próbek istotnie wpłynął na stężenie białka rozpuszczalnego w hemolimfie. Poziomy były znacznie niższe u pszczół dnia 4 w porównaniu z dniem 7 (p <0,0001) lub 11 (p = 0,001). Pszczoły dnia 7 i dnia 11 nie różniły się (p = 0,149). Liczba ta została zmodyfikowana z25 .

Rysunek 4: Stężenie aminokwasów (μg na gram pyłku lub pierzgi) w pyłku lub wytwarzanej z niego pierzchły. EBB to pierzga wytwarzana przez pszczoły europejskie, a ABB była wytwarzana przez pszczoły zafrykanizowane. Tryptofan, cysteina, fenyloalanina i prolina zostały wykreślone oddzielnie w celu jasności przedstawienia ich ilości. Liczba ta została zmodyfikowana z 25.
Korzystając z metod opisanych powyżej, stwierdziliśmy, że pierzga wytwarzana przez AHB była spożywana w większych ilościach zarówno przez AHB, jak i EHB. Chociaż EHB i AHB spożywały podobne ilości każdego rodzaju pierzchy, AHB miało wyższe miana białka w hemolimfie. Wyniki oparte na naszych metodach były podobne do poprzednich doniesień, w których poziomy białka hemolimfy w AHB były wyższe niż w EHB, chociaż obie były karmione tymi samymi dietami 26 . Mierząc spożycie EBB i ABB, które były spożywane w różnym tempie zarówno przez EHB, jak i AHB, ustalono, że stężenie białka hemolimfy w każdym podgatunku nie może zostać zwiększone przez zwiększenie spożycia żywności. Wydaje się, że stężenie białka hemolimfy u robotnic w wieku pszczół pielęgniarskich utrzymuje się na stałym poziomie, a wartość zadana dla tego poziomu jest wyższa w przypadku AHB niż EHB.
Istnieje kilka ważnych warunków do zakładania rodzin pszczelich do produkcji pierzgi, które zoptymalizują tempo przechowywania pyłku. Po pierwsze, rodziny potrzebują ramek z otwartym czerwiem. Bez otwartego czerwiu do karmienia robotnice nie zbiorą dużo pyłku. Po drugie, rodzina musi być pozbawiona królowej, aby nie wytwarzać dodatkowego czerwiu. Odchów czerwiu wymaga dużych ilości pyłku, a magazynowany jest tylko nadmiar pyłku. W małych koloniach założonych w NNKT byłoby niewiele pyłku do przechowywania w postaci pierzgi, gdyby obszary lęgowe się powiększały, więc rodziny muszą być pozbawione królowej. Wreszcie, aby wyprodukować pierzchlę, pyłek musi być zbierany w postaci ładunków sercowych i przechowywany w komórkach grzebieniowych. Jeśli pyłek jest zbierany w pułapkach pyłkowych, należy go zmielić na drobny proszek przed przedstawieniem go pszczołom, aby mogły zebrać go w postaci ładunków korpusowych.
Metody pomiaru spożycia pierzgi pszczelej pozwoliły na uzyskanie szacunków jakościowych, a nie bezwzględnych. Jedyne spożycie, które zostało policzone, miało miejsce, gdy komórki zostały całkowicie opróżnione z chleba pszczelego. Dokładniejsze oszacowanie całkowitego spożycia chleba pszczelego można uzyskać, usuwając chleb pszczeli z komórek i przekształcając go w kotlet, który można zważyć przed i po okresie badania. Chcieliśmy jednak zatrzymać chleb pszczeli w komórkach, aby pszczoły mogły się nim żywić tak, jak w kolonii i być może kontynuować jego przetwarzanie w okresie badania. Różnica w wadze odcinków plastra przed i po badaniu nie została wykorzystana jako oszacowanie spożycia, ponieważ waga mogła wzrosnąć, ponieważ pszczoły umieszczały w niektórych komórkach rozcieńczony miód, którym je karmiono.
Robotnicy mogli również dodać trochę rozcieńczonego miodu do chleba pszczelego. Z tych powodów policzono komórki zawierające w przybliżeniu równe ilości chleba pszczelego przed i po okresie karmienia i wygenerowano pomiar jakościowy. Mimo to istniała uderzająca różnica między tymi dwoma rodzajami pierzgi w liczbie zliczonych pustych komórek ABB w porównaniu z EBB po 11 dniach.
Określenie, kiedy przechowywany pyłek staje się chlebem pszczelim, może być trudne, ponieważ pszczoły stale dodają pyłek do komórek. Kolonie używane do produkcji pierzgi były zakładane z ramkami z otwartym czerwiem, aby pszczoły zbierały pyłek. Jednak kolonie były pozbawione królowych, więc larwy były do karmienia tylko przez około 9 dni po założeniu kolonii. Przez pozostałą część 3-tygodniowego okresu, kiedy rodziny pszczele znajdowały się w NNKT, pyłek zebrany przez pszczoły był przechowywany i przekształcany w pierzchę. Przetrzymywanie zmagazynowanego pyłku w komórkach plastra przez dodatkowe 11 dni podczas karmienia nim pszczół w klatkach mogło również kontynuować przetwarzanie pyłku na pierzoś. Przemiana pyłku w pierzgę trwa około 7 dni 8. Pierzga podawana EHB i AHB miała niższe pH i obniżone stężenie białka w porównaniu z pierzgą podawaną pyłkiem. Podobne wyniki zmian w pylku po konwersji pszczeli podaje inni 7,10,27. Nasze wyniki różniły się jednak od poprzednich doniesień tym, że istniały różnice w stężeniach niektórych aminokwasów między pierzchą a pyłkiem. Zmiany zarówno w stężeniach białek, jak i aminokwasów mogą być spowodowane aktywnością enzymów proteolitycznych, których źródłem mogą być same pszczoły lub społeczności mikrobiologiczne zadomowione w pierzgu 7,8,28,29 .
Metody stosowane do pomiaru stężenia białka były podobne do tych wcześniej opisanych w celu określenia wpływu białka pokarmowego na pszczoły afrykańskie i europejskie26. Jako rozszerzenie metod, byliśmy w stanie oszacować zawartość rozpuszczalnego białka w pyłku i pierzch. Metody te przyniosły podobne wyniki jak w poprzednich raportach 7,10,27. Nasze odkrycia dostarczają dodatkowych dowodów na to, że AHB skuteczniej przyswaja białko w diecie niż EHB i że może to być kluczowy czynnik w ekologicznej dominacji AHB w większości regionów, w których wyemigrował i zadomowił się w wieku 30-32 lat.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy dziękują Monie Chambers, Geoffreyowi Hidalgo i Maurissie Two Two za ich pomoc techniczną. Dziękujemy również dr Earlowi White'owi za analizę aminokwasów, dr Rogerowi Simondsowi za analizę pyłku pod kątem pestycydów oraz dr Stanleyowi S. Schneiderowi, Vanessie Corby-Harris i Kirkowi Andersonowi za ich recenzje i dyskusję na temat wcześniejszych wersji manuskryptu oraz wiele pomocnych sugestii.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| wodoodporne podwójne złącze pH spear | Młynek do kawy Thermo Fisher | ||
| Mr. Coffee | model 1DS77 | ||
| Bufor fosforanowy Dulbecco | Emd-millipore | BSS-1005-B | |
| EIA/RIA płytka polistyrenowa | Sigma-Aldrich-Corning | CLS3590-100EA | |
| pipety mikrokapilarne | Kimble Glass Inc. | ||
| Szybki start Zestaw do oznaczania białek Bradford 2 | Bio-Rad | #500-0202 | |
| Spektrofotometr | Biotek Synergy HT | ||
| Masowy detektor selektywny | Chromatograf | ||
| HLB | |||
| Agilent | 6930 | ||
| Kolumna chromatografii gazowej | A J& W Naukowy | DB-1701 | |
| d4-alanina | Kwas d | 488917 | |
| dsub>23-laurynowy | Sigma-Aldrich | 451401 | |
| 13C6-glukoza | Sigma-Aldrich | 389374 | |
| Pirydyna | Sigma-Aldrich | 270970 | |
| N,O-Bis (trimetylosililo)trifluoroacetamid + | |||
| Trimetylochlorosilan (BSTFA + TMCS) | Sigma-Aldrich | 33148 | |
| Perfluorotributyloamina (PFTBA) | Sigma-Aldrich | 442747-U | |
| d39-arachidiak Izotop | Cambridge |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie