蜜蜂肠道–脑轴整合研究进展：从微生物群动态到行为调控与蜂群健康

《Insects》：Integrative Advances in Honey Bee Gut–Brain Interactions: From Microbiota Dynamics to Behavioral Regulation and Colony Health

　　

摘要专业翻译 蜜蜂为研究社会性昆虫的肠道–脑轴（gut–brain axis）提供了易处理的模型系统。与哺乳动物不同，蜜蜂的肠道–脑轴由相对简单但功能特化的肠道微生物群（gut microbiota）、由级型分化（caste differentiation）和劳动分工决定的生理特征，以及蜂群内的社会交互共同塑造。越来越多的证据表明，肠道微生物可通过代谢、免疫和神经内分泌（neuroendocrine）途径影响蜜蜂的神经功能，进而影响认知、社会行为、免疫稳态（immune homeostasis）等宿主性状，并最终影响蜂群表现。反之，宿主生理状态的改变和环境暴露亦可重塑肠道微生物群，形成肠道状态与脑功能之间的动态反馈回路。鉴于蜜蜂的高度社会性，个体间的微生物传播和行为交互可能进一步放大肠道–脑轴效应，并影响蜂群整体健康。本综述总结了蜜蜂肠道微生物组的建立与时间动态、肠道微生物与宿主神经系统之间的信息传递机制，以及这些交互对关键行为（学习、记忆、采集）和蜂群表现的影响；同时审视了主要干扰因素——农药、抗生素和病原体——并从肠道–脑轴视角探讨了蜂群健康维持策略。最后，本综述对以微生物组为靶点的干预策略在改善蜂群健康方面的潜力进行了批判性评估。本综述提出了一个从微生物动态到行为调控再到蜂群健康的整合框架，以期为蜜蜂肠道–脑轴的基础研究及其在可持续蜂群健康管理中的应用转化提供参考。这些发现也可能为人类肠道–脑交互、与微生物失调（microbial dysbiosis）相关的神经行为障碍，以及微生物组靶向健康干预策略的开发提供启发价值。

论文主体内容总结

1. 引言

蜜蜂作为典型的社会性昆虫，具有资源共享、精细劳动分工和高结构化通讯系统等特征，是关键的传粉昆虫和模式生物。近年来，全球蜜蜂种群持续面临病原感染、农药暴露、营养失衡、栖息地退化和气候波动等多重压力，蜜蜂健康已表现为由营养、免疫、神经调节和行为输出共同决定的复杂系统性综合征。在此背景下，蜜蜂肠道微生物因其在营养代谢、免疫调节、病原抵抗和宿主发育中的关键作用而受到广泛关注。越来越多的证据表明，肠道微生物不仅参与消化和营养转化，还可能通过代谢产物、信号分子和宿主免疫状态的改变影响蜜蜂的神经生理过程和 behavioral phenotypes。肠道–脑轴（gut–brain axis）概念最初由哥伦比亚大学神经学家Michael Gershon教授提出，现已被扩展为涵盖肠道微生物群的复杂通讯网络，即微生物–肠道–脑轴（microbiota–gut–brain axis）。从机制上看，肠道微生物可通过短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）、氨基酸代谢物和其他生物活性化合物调节宿主能量代谢、屏障功能和免疫状态；肠道来源的信号也可通过神经传递、内分泌调节和免疫介质作用于中枢神经系统，影响认知功能、应激反应和行为输出。与哺乳动物相比，蜜蜂缺乏迷走神经–肠道结构，但其神经内分泌、免疫和代谢途径足以形成功能类似的肠道–脑交互框架，使蜜蜂成为研究微生物如何影响行为和蜂群健康的重要模型。当前领域仍存在若干关键问题：多数证据集中于微生物群变化与宿主表型之间的相关性，支持因果推断的机制研究相对有限；肠道微生物如何通过代谢物、免疫介质或神经内分泌途径影响蜜蜂脑功能尚缺乏系统整合；个体水平的肠道–脑轴失调如何转化为蜂群水平的健康风险、劳动分工异常和生态适应性下降仍有待阐明。

2. 蜜蜂肠道微生物群的组成与动态

2.1 蜜蜂核心肠道微生物群的基本组成

蜜蜂肠道微生物群组成相对简单且具有显著宿主特异性，成年工蜂肠道中核心微生物类群少于十种，整体多样性较低。在分类学上，工蜂肠道微生物群主要由九个细菌类群组成，其中五种在几乎所有蜜蜂中均可检测到，构成核心肠道微生物群：两种革兰氏阴性菌——Snodgrassella alvi（β-变形菌纲）和Gilliamella apicola（γ-变形菌纲）；革兰氏阳性菌中，Bombilactobacillus（原Lactobacillus Firm-4）和Lactobacillus（原Lactobacillus Firm-5）相对丰富且分布广泛；Bifidobacterium（放线菌门）虽然丰度较低，也常见于成年工蜂肠道。其余四种类群——Frischella perrara、Bartonella apis、Bombella apis和Commensalibacter sp.（亦称Alpha 2.1）——丰度较低且分布稳定性较差。蜜蜂消化道由蜜囊、中肠和后肠（包括回肠和直肠）组成，各区域具有特定的消化吸收功能。蜜囊微生物丰度较低，主要来源于花蜜或蜂巢接触；中肠是微生物功能发挥的主要场所，Gilliamella可在此检测到并参与花粉降解和有毒糖代谢；后肠是微生物定殖最密集的区域，回肠稳定定殖S. alvi和G. apicola，其中S. alvi常形成生物膜样结构附着于肠壁，为其他共生菌的定殖提供基础；直肠中优势类群包括L. Firm-4、L. Firm-5和Bifidobacterium asteroides。这些微生物类群并非孤立存在，而是在有限的肠道空间内形成相对稳定的交互网络，共同维持蜜蜂肠道稳态。

2.2 不同发育阶段的定殖模式

蜜蜂肠道微生物群的建立并非在羽化后立即完成，而是经历逐步定殖和成熟的过程。新孵化幼虫几乎无菌，3至4日龄幼虫微生物载量极低，蛹期再次显著下降。幼虫期肠道几乎完全缺乏成年工蜂特有的核心微生物类群，这与幼虫消化道不连续、仅以具有强抗菌活性的蜂王浆为食以及缺乏成年蜂特有的社会交互和水平传播途径密切相关。更重要的是，幼虫期的微生物状态并不决定成年期的微生物组成，而是在羽化后通过成年工蜂间的社会交互重新建立。成年后，工蜂在羽化后最初几天内开始定殖肠道微生物，并在第一周内成熟为相对稳定的状态。微生物定殖遵循特定时序：羽化后约一天，Gilliamella、Frischella和Snodgrassella等属率先定殖；羽化后第三天，Lactobacillus、Bifidobacterium和Commensalibacter等属也开始显著定殖。不同年龄和劳动分工的工蜂在肠道微生物组成上也存在功能差异：采集蜂中B. asteroides相对丰度高于巢内哺育蜂，而Bombilactobacillus mellis和Lactobacillus melliventris的相对丰度则低于哺育蜂。

2.3 影响肠道微生物群动态变化的主要因素

饮食结构是微生物动态的基础决定因素。花粉摄入可显著增加蜜蜂后肠中总细菌和核心细菌类群的丰度，花粉剥夺则导致直肠中总细菌载量和核心类群减少。营养贫乏或单一的食物来源可能破坏核心肠道微生物群的稳定性，损害宿主代谢和免疫功能。环境胁迫是肠道微生物波动的主要驱动因素。农药和杀虫剂暴露、重金属污染、气候变化、栖息地条件和转地养蜂等均可直接或间接扰动肠道微生态。病原感染和寄生压力可深刻重塑肠道微生物群落，常见的蜜蜂病原体如Nosema spp.和病毒（如残翅病毒DWV和慢性蜜蜂麻痹病毒CBPV）可能通过损伤肠道组织、消耗营养储备或诱导免疫激活来间接改变微生物生态位。宿主年龄、品系/谱系和社会行为也影响微生物群落的稳定性。由于蜜蜂的高度社会性，微生物群并非在单个宿主体内孤立维持，而是在蜂群网络中循环和再分配，个体蜜蜂微生物群的变化往往反映蜂群水平的生态和社会结构变化。

3. 蜜蜂肠道–脑交互的分子与生理机制

目前关于蜜蜂肠道–脑交互的机制证据分布不均。现有直接实验研究主要支持肠道微生物与肠上皮反应、免疫相关基因表达和肠道病原易感性之间的局部交互；而肠道微生物与系统代谢、神经内分泌信号和脑功能之间的许多联系仍主要基于相关性分析、微生物代谢潜力推断或其他动物模型的发现。

3.1 微生物代谢及其对宿主营养状态的调控

蜜蜂肠道微生物群首先通过参与营养物质的分解和转化影响宿主生理稳态。G. apicola编码的果胶酶和Bifidobacterium属成员编码的半纤维素酶可参与复杂碳水化合物和植物源多糖的降解，产生宿主可利用的代谢中间产物。在多糖水解过程中，这些微生物还释放有益的短链脂肪酸（SCFAs）和可吸收的单糖，促进肠道和宿主整体的发育。蜜蜂肠道微生物可通过其代谢产物系统性影响血淋巴代谢物谱、脂质代谢、胰岛素信号和卵黄蛋白原（vitellogenin）表达，从而重塑宿主能量分配、营养状态和行为输出。在采集蜂阶段，肠道微生物通过提供SCFAs作为能量底物、促进脂肪生成和调节碳水化合物代谢，在维持营养供应和能量平衡方面发挥重要作用。

3.2 肠道微生物群与免疫稳态的交互

肠道微生物群可通过调节免疫系统显著影响蜜蜂健康。肠道微生物的存在通常有助于维持肠上皮完整性，并通过生态位占据、资源竞争和局部环境调节抑制某些机会性病原体的增殖。同时，宿主免疫系统选择性限制某些微生物的过度生长，建立稳定且可塑的共生平衡。肠道微生物可通过诱导局部免疫相关基因表达和调节抗菌肽（antimicrobial peptides, AMPs）反应来塑造宿主的基础免疫状态。在肠道细菌存在的情况下，apidaecin、abaecin和hymenoptaecin的表达水平显著升高，并伴随JNK信号通路激活；肠道细菌的存在还可抑制Nosema ceranae的增殖。F. perrara可定殖于肠道特定区域并诱导上皮表面形态变化，可能激活宿主免疫反应。Bifidobacterium群落活性较高与较低的病原活性相关，提示其可能通过调节蜜蜂免疫反应或排斥病原体来发挥健康益处。

3.3 神经内分泌途径在肠道–脑交互中的作用

蜜蜂肠道微生物可能通过肠道–脑轴影响行为。蜜蜂肠道中的双歧杆菌可诱导保幼激素（juvenile hormone, JH）的产生，这可能是肠道微生物群与脑之间通讯的机制之一。蜜蜂行为和生理状态受一系列激素和神经调节因子调控，包括保幼激素、蜕皮激素、章鱼胺（octopamine）、多巴胺（dopamine）、血清素（serotonin）和胰岛素样信号通路分子。大量研究表明，肠道微生物可产生多巴胺、血清素和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）等神经递质。GABA是蜜蜂脑中的重要抑制性神经递质，参与气味辨别和记忆形成调控。口服GABA补充可显著降低蜜蜂的嗅觉学习表现。蜜蜂肠道中GABA水平在B. asteroides W8111或Bombilactobacillus W8089单定殖的蜜蜂中升高，完全定殖蜜蜂的肠道GABA水平也高于无菌蜜蜂。然而，目前从微生物GABA产生、GABA进入脑、到中枢GABA水平变化及随后的行为调控的完整因果链仍不一致，可能反映菌株特异性效应、微生物间交互或实验设计差异，需进一步研究。

4. 肠道微生物群对蜜蜂行为的影响

4.1 对学习和记忆的影响

学习和记忆是蜜蜂行为研究中最常检测的表型之一，也是评估神经功能变化的重要指标。核心肠道微生物群的稳定存在有助于维持宿主的营养状态和代谢平衡，这些生理基础是神经功能正常运作的重要前提。肠道微生物产生的代谢物可能通过影响神经递质稳态或调节系统信号来改变脑对奖赏和刺激的反应阈值。越来越多的研究表明，肠道微生物群可调节蜜蜂的蔗糖敏感性和嗅觉学习记忆能力。携带多样肠道微生物群的蜜蜂对低浓度蔗糖溶液表现出更典型的感觉反应。与无菌或抗生素处理蜜蜂相比，定殖完整微生物群或特定菌株的个体表现出更高的学习效率。G. apicola定殖可增加内源性大麻素系统配体anandamide（AEA）的产生，进而改变蜜蜂的学习记忆能力。AEA可激活星形胶质细胞中昆虫特异性瞬时受体电位通道AmHsTRPA，触发钙释放。此外，肠道微生物群还可影响与防御行为相关的厌恶学习和记忆。目前证据总体支持肠道微生物群对蜜蜂嗅觉学习记忆起支持作用，但认知增强效应并非由单一细菌属赋予，而是需要完整肠道微生物群的多个核心成员共同参与；缺失任一成员或仅接种单一菌株均无法重现完整微生物群落所观察到的认知增强效应。

4.2 对采集行为的影响

采集行为是蜜蜂最关键的生态行为之一，涉及花资源探测、路线记忆、奖赏评估、运输决策和向蜂群反馈信息等多个过程。肠道微生物群可能通过调节能量代谢和神经调控网络影响采集行为的启动、持续时间和选择偏好。在受控共居条件下，肠道微生物群可使蜜蜂首次到达采集场地的时间提前数小时。在采集强度方面，研究揭示了特定微生物类群与采集行为之间的因果关系：哺育蜂和采集蜂的肠道微生物群落结构存在一致性差异，与Lactobacillus mellis、L. melliventris和B. asteroides等个体微生物丰度变化相关。蜜蜂肠道微生物对导航能力的影响主要是间接的，主要通过影响学习和记忆相关的代谢物以及调节味觉敏感性来塑造采集决策和表现，而非直接参与路径计算或空间定位。目前关于肠道微生物对蜜蜂导航能力直接影响的研究仍有限。

4.3 对社会行为的影响

蜜蜂的显著特征是其高度组织化的社会行为。研究发现，微生物群增加了蜜蜂间头部对头部交互的频率和特异性，并通过影响脑内氨基酸代谢和表观遗传修饰相关的转录过程来调节蜜蜂蜂群的社会网络。染色质可及性和氨基酸生物合成的变化可能是潜在的分子机制。通过比较执行卫生行为和未执行卫生行为的工蜂肠道微生物群，研究发现三种细菌——Apilactobacillus kunkeei、B. apis和F. perrara——在卫生行为工蜂中的相对丰度显著高于非卫生行为工蜂；Apibacter mensalis仅在卫生行为工蜂中存在。此外，社会行为本身也会反向塑造肠道微生物群。通过交哺、身体接触和巢内共居，蜜蜂形成高度密集的社会传播网络，不仅促进病原体传播，也促进共生微生物的传播。社会行为与肠道微生物群之间的关系是双向的，构成相互促进和相互制约的闭环系统。

5. 肠道–脑轴在环境胁迫下调节蜜蜂健康中的作用

5.1 环境胁迫破坏肠道微生物群稳态

在自然和农业生态系统中，蜜蜂持续暴露于多种环境胁迫因子，包括农药、病原感染、寄生压力、重金属和微塑料。这些胁迫因子往往联合作用，影响蜜蜂肠道微生态稳态，进而通过代谢、免疫、神经和内分泌等多条途径扰动宿主脑功能，最终表现为行为异常和蜂群健康下降。农药暴露可导致核心肠道类群减少、微生物群落结构失调和某些机会性类群增殖，这些变化可能诱发宿主代谢紊乱、升高氧化应激水平和改变免疫相关基因表达模式。病原感染和寄生压力不仅是蜜蜂健康下降的直接原因，也是触发肠道–脑轴破坏的重要外部因素。N. ceranae感染后，特定核心肠道微生物类群与感染状态呈正相关；高载量DWV感染的蜜蜂中，Fructobacillus、Lactobacillus和Apilactobacillus等有益属相对丰度显著降低，而Bartonella相对富集。抗生素对蜜蜂微生物稳态的破坏主要表现为群落结构和组成的剧烈变化。tylosin处理后，1日龄蜜蜂的微生物组在群落大小和组成上均发生显著改变，且效应持续两周以上；Bifidobacterium和Bombilactobacillus等关键共生菌被严重消耗，形成持续失调状态。四环素暴露导致Snodgrassella和Gilliamella等核心肠道类群丰度显著降低，伴随机会性微生物水平相应升高。重金属主要通过受污染的花蜜、花粉和水摄入进入蜜蜂体内。镉暴露改变了肠道细菌和真菌群落的结构特征，增加了细菌多样性而降低了真菌多样性。铜暴露显著降低幼蜂肠道微生物多样性，并与农药吡虫啉产生协同负面效应。微塑料的慢性摄入也是蜜蜂肠道失调的直接原因。聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）暴露后，肠道中关键Lactobacillus物种丰度显著下降，而某些Bartonella丰度增加。微塑料与氟吡呋喃酮联合暴露产生加性效应，降低蜜蜂存活率并更严重地损伤中肠上皮细胞。

5.2 微生物群通过肠道–脑轴调节蜂群健康

蜜蜂的微生物–肠道–脑轴构成连接肠道微生态与中枢神经系统的双向通讯网络，在调节采集行为、学习和记忆以及免疫防御中发挥关键作用。农药、病原体、重金属和微塑料等环境胁迫因子已被证明可破坏肠道微生物稳态，进而通过该途径损害蜜蜂认知功能和蜂群健康。例如，nitenpyram暴露可直接诱导中华蜜蜂肠道失调，伴随食欲和体重下降，同时破坏脑内神经递质网络和蛋白质组平衡；补充核心肠道共生菌Gilliamella sp. G0441可显著缓解上述症状并恢复嗅觉学习能力。邻苯二甲酸酯（PAEs）破坏工蜂肠道微生物群落结构并改变脑和中肠中神经活性物质水平，导致Glu/GABA-Gln途径的神经化学失衡。病原感染可通过破坏肠道屏障功能触发认知下降的级联反应。N. ceranae感染对蜜蜂认知的影响具有年龄依赖性：受感染哺育蜂表现出优于对照的嗅觉学习和记忆表现，提示过早采集启动；到达采集蜂年龄时，受感染蜜蜂则表现出学习和记忆缺陷。DWV-A型感染不仅与学习受损和过早采集相关，还将脑转录谱向采集蜂样状态转变。重金属和微塑料与蜜蜂行为异常、认知下降和免疫功能受损相关，这些效应往往与肠道微生物破坏同时发生。蜜蜂是高度社会性昆虫，个体健康变化往往通过社会网络迅速转化为蜂群水平后果。环境胁迫下肠道–脑轴交互的失稳最终可能在蜂群水平表现为采集性能下降、育雏效率降低、劳动分工紊乱和越冬存活率降低。

6. 未来展望

尽管近年来蜜蜂肠道–脑轴研究取得了可观进展，但该领域整体仍处于从相关性观察到机制阐明的过渡阶段。多数现有研究基于相关性分析，难以明确区分微生物群变化是健康改变的原因还是结果。无菌或半无菌蜜蜂模型的建立、单菌定殖和合成群落重建实验将有助于阐明特定微生物在宿主生理调节中的真实作用。肠道微生物群的功能表征仍有限，不同菌株在代谢能力、定殖特征和宿主效应上可能存在显著差异，仅停留在属或种水平的描述往往不足以揭示特定功能。未来应整合宏基因组学、转录组学、代谢组学和培养分离技术，进一步锁定关键菌株及其功能途径。宿主背景和环境变量的影响仍需充分控制，蜂种来源、地理位置、季节变化、营养条件、农药暴露和蜂群管理方式均可显著影响肠道微生物组成和宿主表型，建立统一的实验设计和数据分析框架十分必要。在应用层面，蜜蜂肠道微生物群研究具有相当大的微生物干预潜力。一方面可筛选具有益生功能的核心菌株，开发旨在增强蜂群抗逆性、营养利用效率和免疫防御能力的微生态制剂；另一方面可设计功能互补的合成微生物群落，提高干预效果和群落稳定性。基于蜂粮、花粉替代物或糖浆配方的营养导向干预也可能通过调节肠道微生物群落结构间接改善宿主健康。然而，微生物干预的推广仍需谨慎：外源菌株未必能实现长期定殖，不同蜂群和生态条件下的响应可能存在差异。任何实际应用都应基于菌株鉴定、功能验证和田间安全性评估。未来在多组学整合、因果验证和生态背景分析方面的突破，不仅将加深对蜜蜂健康调节机制的理解，也可能为蜂群健康管理提供新的微生态干预策略。蜜蜂作为肠道群落相对简化、行为劳动分工明确且社会性高度发达的模式生物，为理解微生物组在其他动物系统健康和疾病中的作用提供了重要参考。