肠道微生物群通过调节酪氨酸代谢和多巴胺信号通路调控蜜蜂的厌恶学习与记忆

《Nature Communications》：Gut microbiota modulates aversive learning and memory of honeybees (Apis mellifera)

本刊推荐：为阐明肠道微生物群是否调控蜜蜂的防御性学习记忆行为，研究人员开展了以刺伸反射(SER)为行为范式的研究。结果表明，正常肠道菌群通过影响酪氨酸代谢通路，提升血淋巴和脑内多巴胺(DA)水平，从而促进蜜蜂的厌恶学习记忆。口服粪肠球菌(Enterococcus faecalis)或屎肠球菌(Enterococcus faecium)可恢复无菌蜜蜂的认知缺陷，而多巴胺受体拮抗剂氟奋乃静(fluphenazine)则削弱其学习能力。该研究揭示了非核心肠道菌通过肠-脑轴调控社会性昆虫认知的新机制。

　　

在自然界中，动物能否对外界危险信号做出快速反应，直接关系到其生存机会和进化适应性。对于社会性昆虫蜜蜂而言，最极端的防御行为是刺伸反射(sting extension reflex, SER)——当感受到威胁时，蜜蜂会伸出螫针进行反击。在实验室条件下，科学家们通过将特定气味与电击结合，建立了基于SER的嗅觉关联条件反射范式，成为研究蜜蜂厌恶学习与记忆的经典行为学方法。然而，尽管已知哺乳动物的肠道微生物群通过"肠-脑轴"(gut-brain axis)调节大脑功能和行为，但昆虫尤其是蜜蜂的肠道微生物是否以及如何影响其防御性学习记忆行为，仍是一个未解之谜。

近年来研究表明，蜜蜂的肠道微生物群能通过代谢产物调节其社会行为和社交网络，例如乳酸杆菌(Lactobacillus apis)通过色氨酸代谢影响蜜蜂的奖励性学习记忆。然而，关于肠道微生物群是否调控蜜蜂的厌恶学习记忆，特别是与防御行为相关的认知功能，尚缺乏直接证据。多巴胺(dopamine, DA)作为重要的神经递质，已被证实参与调节蜜蜂的厌恶学习记忆过程，而酪氨酸(tyrosine)代谢通路是多巴胺合成的关键途径。有趣的是，在哺乳动物研究中发现，肠球菌属(Enterococcus)细菌能够将酪氨酸和左旋多巴(L-dopa)转化为多巴胺。这引发了研究人员的思考：蜜蜂的肠道微生物群是否可能通过调节酪氨酸代谢和多巴胺信号，来影响其厌恶学习记忆能力？

为了回答这一问题，中国农业科学院蜜蜂研究所刘永军团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们通过建立无菌蜜蜂模型、代谢组学分析和行为学实验，系统揭示了肠道微生物群通过调节酪氨酸代谢和多巴胺信号通路影响蜜蜂厌恶学习记忆的分子机制。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：通过人工饲养建立无菌蜜蜂模型，并使用实时荧光定量PCR和16S rRNA基因测序验证模型成功；利用刺伸反射行为范式评估蜜蜂的厌恶学习记忆能力；采用非靶向代谢组学分析肠道和血淋巴代谢物；通过单菌定植研究特定细菌的功能；使用液相色谱-质谱联用技术检测脑内生物胺水平；并应用多巴胺受体激动剂和拮抗剂进行药理学验证。实验所用蜜蜂来自中国农业科学院蜜蜂研究所实验蜂场，确保了样本的一致性。

正常肠道微生物群有助于蜜蜂的厌恶学习记忆

研究人员首先成功建立了无菌蜜蜂模型，并通过粪便微生物移植获得了守卫蜂和后蜂肠道定植的蜜蜂。行为学实验表明，无菌蜜蜂的厌恶学习记忆能力显著低于正常蜂群蜜蜂，表现为在厌恶学习获得过程中的SER百分比、获得指数均较低，需要更多的学习次数才能建立条件反射，且记忆检索成功率也显著降低。有趣的是，肠道微生物群并不影响蜜蜂对无条件刺激的本能刺刺行为，说明其特异性调控学习记忆成分而非本能防御行为。

肠道微生物群调节蜜蜂后肠和血淋巴中的酪氨酸代谢

代谢组学分析发现，正常蜂群蜜蜂与无菌蜜蜂在后肠和血淋巴的代谢谱存在明显差异。正常蜂群蜜蜂后肠中的多巴胺、4-羟基苯丙酮酸和4-羟基苯乙酸相对丰度显著更高，而酪氨酸、左旋多巴和酪胺水平较低。在血淋巴中，正常蜂群蜜蜂的酪氨酸、左旋多巴、多巴胺和4-羟基苯丙酮酸水平也显著高于无菌蜜蜂。这些结果表明肠道微生物群促进了酪氨酸代谢通路向多巴胺合成方向进行。

肠球菌单定植增强蜜蜂的厌恶学习记忆

研究人员进一步研究了具有酪氨酸脱羧酶基因的屎肠球菌和粪肠球菌的功能。发现这两种肠球菌单定植都能有效恢复无菌蜜蜂的厌恶学习记忆能力，使其行为表现接近正常蜂群蜜蜂。当同时补充外源性酪氨酸时，肠球菌定植蜜蜂的脑多巴胺水平显著升高，但行为学表现并未进一步改善，表明可能存在行为学"天花板效应"。

氟奋乃静给药损害蜜蜂的厌恶学习记忆

药理学实验表明，给予多巴胺受体拮抗剂氟奋乃静可显著降低正常蜂群蜜蜂的脑多巴胺水平，并削弱其厌恶学习记忆能力。而多巴胺受体激动剂6,7-ADTN处理则无显著影响，提示正常蜜蜂的多巴胺信号可能已接近功能饱和状态。

肠道微生物群影响大脑多巴胺水平

脑内生物胺检测发现，正常蜂群蜜蜂的脑多巴胺水平显著高于无菌蜜蜂，而章鱼胺和5-羟色胺水平无显著差异。肠球菌单定植本身虽能恢复无菌蜜蜂的厌恶学习记忆，但并未显著提高其脑多巴胺水平；只有在同时补充酪氨酸时，脑多巴胺水平才显著升高。这表明肠球菌对行为的改善可能通过多巴胺依赖和非依赖的多重机制实现。

本研究首次揭示了肠道微生物群通过调节酪氨酸代谢和多巴胺信号通路影响蜜蜂厌恶学习记忆的机制。非核心肠道菌如肠球菌属细菌能够有效恢复无菌蜜蜂的认知功能，这一发现扩展了此前关于核心肠道共生菌影响学习记忆的认识，揭示了微生物群对社会性昆虫认知行为的广泛调节作用。

研究结果不仅为昆虫认知的微生物调节机制提供了新见解，也为理解肠-脑轴在进化上的保守性提供了证据。鉴于蜜蜂模型在建立无菌个体、操纵肠道菌群方面的独特优势，未来研究可将其作为替代模型，探索微生物群基于肠-脑轴调节宿主健康的普适性机制。此外，研究结果提示特定益生菌补充可能成为改善认知功能的潜在策略，为神经退行性疾病的微生物干预提供了新思路。

该研究的创新性在于将肠道微生物群与防御性学习记忆行为相联系，揭示了酪氨酸代谢和多巴胺信号在这一过程中的关键作用，为理解社会性昆虫行为的微生物调节机制开辟了新视角。未来研究可进一步探讨肠道微生物影响蜜蜂大脑突触可塑性的具体神经机制，以及其他微生物代谢产物如短链脂肪酸在调节认知行为中的潜在作用。