腸道菌群：隱藏的蜜蜂“認(rèn)知教練”
“很多人以為蜜蜂蜇刺只是本能，但我們的研究發(fā)現(xiàn)，工蜂其實是‘記憶高手’——它們能在腸道菌群協(xié)助下記住危險信號，甚至傳遞預(yù)警信息�！敝袊r(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所研究員劉永軍告訴《中國科學(xué)報》，這項最新研究揭開了社會性昆蟲認(rèn)知奧秘的一角。
近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所資源昆蟲保護(hù)創(chuàng)新團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心等單位在《自然—通訊》上發(fā)表了一項突破性研究，首次揭示腸道菌群通過調(diào)節(jié)多巴胺水平，影響西方蜜蜂工蜂在防御過程中形成的厭惡性學(xué)習(xí)與記憶能力。
這項研究不僅為理解蜜蜂社會行為提供了新視角，也為蜜蜂健康養(yǎng)殖和環(huán)境保護(hù)提供了潛在應(yīng)用路徑。
守衛(wèi)蜂的“舍身”本能與“學(xué)習(xí)”能力
蜜蜂是自然界最重要的傳粉昆蟲之一，全球約1/3的農(nóng)作物依賴蜜蜂授粉，其生存狀態(tài)直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生態(tài)安全和生物多樣性。在蜂群社會中，工蜂的防御行為是維持群體穩(wěn)定的關(guān)鍵。
在蜂巢入口，守衛(wèi)蜂時刻警惕著胡蜂、蜘蛛等天敵。一旦發(fā)現(xiàn)威脅，它們會伸出螫針蜇刺入侵者，同時釋放乙酸異戊酯等報警信息素召喚同伴。這種伸針反應(yīng)(SER)是蜜蜂的終極防御手段，但因螫針連接內(nèi)臟，工蜂在蜇刺后便會死亡。伸針反應(yīng)的“自我犧牲”行為能有效保護(hù)蜂群，是蜜蜂社會性的重要體現(xiàn)。
“這種‘自我犧牲’看似是固定本能，實則充滿智慧�！闭撐墓餐谝蛔髡�、蜜蜂所博士生封王江解釋道。防御行為不僅是一種本能，更與學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)。在自然界中，工蜂(尤其是巢門守衛(wèi)蜂)會通過負(fù)面經(jīng)歷形成“厭惡性學(xué)習(xí)記憶”。例如，當(dāng)工蜂在采蜜時被捕食者攻擊，它們能將特定花朵氣味或顏色與危險關(guān)聯(lián)，未來避免訪問類似區(qū)域，從而優(yōu)化生存策略。
通過巴甫洛夫條件反射實驗，該團(tuán)隊建立了行為范式：通過電擊模擬威脅，可以誘發(fā)工蜂的伸針反應(yīng)；隨后訓(xùn)練工蜂將中性氣味(如正己醇)與電擊配對。若工蜂學(xué)會將氣味視為危險信號，僅氣味刺激就能觸發(fā)伸針反應(yīng)，這反映了其厭惡性學(xué)習(xí)記憶能力。這種能力幫助蜜蜂靈活調(diào)整防御行為，平衡個體與群體的生存利益。
“就像人類被熱水燙過后會避開熱水壺，蜜蜂被天敵攻擊后，也能記住危險刺激的氣味，未來主動規(guī)避。”封王江說，然而，蜜蜂的這種條件反射式的厭惡性記憶能力是如何形成的呢？
“我們這項研究的初衷融合了科學(xué)好奇與現(xiàn)實關(guān)切�！眲⒂儡娬f，一方面，蜜蜂是社會行為研究的經(jīng)典模型，其防御行為存在一個有趣矛盾：工蜂在蜇刺時表現(xiàn)出“舍身赴死”的剛性本能，卻能通過學(xué)習(xí)記憶靈活調(diào)整攻擊策略。這種可塑性背后的神經(jīng)機制尚未明晰。
另一方面，近年來研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群可通過“腸—腦軸”影響宿主行為(如小鼠的焦慮、人類的學(xué)習(xí)能力)，但昆蟲中相關(guān)證據(jù)匱乏。
劉永軍注意到，遭遇農(nóng)藥或寄生蟲的蜂群常同時出現(xiàn)菌群失調(diào)和行為異常，這或許能成為研究蜜蜂厭惡性記憶能力的突破口�！拔覀兒闷婷鄯涞哪c道菌群是否也會調(diào)控其防御性學(xué)習(xí)記憶，這既能揭示社會行為演化機制，又能為蜂群健康管理提供新思路�！眲⒂儡娬f。
而且，“蜜蜂腸道菌群僅約10種核心菌，結(jié)構(gòu)簡單且易于操縱，是理想模型�！狈馔踅扔鞯溃熬拖裼脴犯叻e木拼裝機器，我們能清晰追蹤單一菌株如何通過代謝物遠(yuǎn)程調(diào)控大腦。”該團(tuán)隊從蜂腸道中分離出屎腸球菌和糞腸球菌，這兩種腸道非核心菌能否成為蜜蜂的“記憶開關(guān)”？一場跨學(xué)科合作就此展開。
多巴胺串起無菌蜜蜂的“腸—腦對話”
為探究腸道菌群對蜜蜂防御行為的影響，該團(tuán)隊采用了行為學(xué)、代謝組學(xué)、微生物定殖和藥理學(xué)干預(yù)等多層次技術(shù)協(xié)同攻關(guān)。
首先，必須排除原有菌群的干擾。無菌蜜蜂的培育就成了實驗設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，它在實驗中扮演著“空白畫布”的角色。這種特殊的蜜蜂群體為理解微生物與宿主行為關(guān)系提供了至關(guān)重要的對照組。
該團(tuán)隊通過行為學(xué)實驗比較了正常蜜蜂與無菌蜜蜂的行為差異。結(jié)果出人意料：兩組蜜蜂對電擊的本能伸針反應(yīng)無差別，但在氣味—電擊配對訓(xùn)練中，無菌蜜蜂的厭惡性學(xué)習(xí)記憶得分驟降30%。
“這說明腸道菌群不影響防御本能，但專門調(diào)控學(xué)習(xí)可塑性�！闭撐墓餐ㄓ嵶髡�、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員葛源分析道。進(jìn)一步代謝組學(xué)檢測發(fā)現(xiàn)，無菌蜜蜂的腸道、血淋巴和大腦中多巴胺水平普遍偏低。多巴胺作為古老神經(jīng)遞質(zhì)，在蜜蜂中負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)學(xué)習(xí)、記憶與獎賞行為，與人類系統(tǒng)高度相似。
團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，屎腸球菌和糞腸球菌含有酪氨酸脫羧酶基因，能將食物中的酪氨酸和左旋多巴轉(zhuǎn)化為多巴胺。通過定殖實驗，向無菌蜜蜂單獨補充這兩種菌后，其學(xué)習(xí)記憶能力顯著恢復(fù)。
但意外的是，額外補充外源酪氨酸并未進(jìn)一步增強效果�！斑@可能存在‘天花板效應(yīng)’。”葛源推測，“腸球菌像先給大腦打好健康基礎(chǔ)，后續(xù)營養(yǎng)補充只是錦上添花。”為驗證多巴胺的關(guān)鍵作用，團(tuán)隊使用受體抑制劑阻斷信號通路，蜜蜂的認(rèn)知缺陷再次出現(xiàn)，證實了該機制的因果性。
研究歷時三年，團(tuán)隊攻克了多項挑戰(zhàn)：用3D打印技術(shù)研制SER檢測設(shè)備，實現(xiàn)精準(zhǔn)的行為記錄；建立無菌蜜蜂模型，需在超凈臺中手工移植蜂蛹；甚至需檢測單腦納克級多巴胺，堪比“大海撈針”。
“多機構(gòu)協(xié)作是關(guān)鍵�！眲⒂儡姀娬{(diào)。中科院生態(tài)環(huán)境中心提供生態(tài)學(xué)視角，蜜蜂所和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)貢獻(xiàn)微生物技術(shù)，美國加州大學(xué)歐文分校協(xié)助神經(jīng)行為學(xué)指導(dǎo)�！爱�(dāng)發(fā)現(xiàn)菌群特異性調(diào)控蜜蜂的學(xué)習(xí)記憶時，所有團(tuán)隊成員倍感振奮——我們找到了微生物影響社會行為的新證據(jù)�！�
為蜂群保護(hù)提供“益生菌方案”
這項成果將腸道菌群提升為調(diào)控蜜蜂社會行為的關(guān)鍵因素，為神經(jīng)科學(xué)和生態(tài)學(xué)提供了新視角。在理論層面，它證實了“微生物—腸—腦軸”在昆蟲中的保守性：即使是非核心腸道菌(如腸球菌)，也能通過代謝物(如多巴胺)遠(yuǎn)程調(diào)控大腦高級功能(學(xué)習(xí)記憶)。“這挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)上僅關(guān)注遺傳或環(huán)境因素的行為理論，揭示了微生物與宿主共進(jìn)化的深層聯(lián)系。”劉永軍說。
此外，“這項研究有望解決養(yǎng)蜂業(yè)痛點�！眲⒂儡娬f，蜂群崩潰綜合征(CCD)常伴隨工蜂導(dǎo)航能力下降、防御遲鈍等問題，據(jù)推測，菌群失調(diào)或是誘因之一。
首先，通過飼喂腸球菌益生菌，蜜蜂學(xué)習(xí)記憶能力增強后，可提升對病蟲害的識別能力，更高效地躲避胡蜂等天敵。其次，不同職能工蜂(如守衛(wèi)蜂與采集蜂)的菌群差異可用于行為調(diào)控，優(yōu)化蜂群結(jié)構(gòu)。未來可開發(fā)菌劑增強蜂群抗逆性，替代部分農(nóng)藥使用。
此外，蜜蜂行為與菌群狀態(tài)可作為環(huán)境“晴雨表”。葛源指出，農(nóng)藥污染會導(dǎo)致菌群紊亂和學(xué)習(xí)能力下降，監(jiān)測蜜蜂認(rèn)知水平，能為生態(tài)健康提供早期預(yù)警。
蜜蜂的“腸—腦軸”機制也為人類腦疾病研究提供了新線索。例如，帕金森病患者多巴胺神經(jīng)元退化，而本研究顯示腸球菌能提升腦內(nèi)多巴胺，進(jìn)而改善宿主的認(rèn)知能力�！懊鄯淠Ｐ秃唵胃咝Вm合大規(guī)模篩選益生菌�！眲⒂儡娬f，“未來或可從中發(fā)現(xiàn)改善神經(jīng)退行性疾病的微生物療法�！�
目前，團(tuán)隊正深入解析菌群代謝物(如短鏈脂肪酸)如何影響宿主的神經(jīng)可塑性，并計劃在熊蜂、果蠅、小鼠等物種中驗證機制普適性。（李晨）
