Bienen erkennen einander über ihr Mikrobiom
Die Mitglieder eines Volkes von „Apis mellifera“ teilen dieselbe olfaktorische Signatur, die durch ihre kutikulären Kohlenwasserstoffe abgegeben wird und mit einer spezifischen intestinalen Bakterienflora verknüpft ist.
Abstract
Eine aktuelle US-amerikanische Studie (Cassondra L. Vernier et al., 2020) hat gezeigt, dass bei der Honigbiene die genetisch miteinander verwandten Mitglieder einer Kolonie angeborene, koloniespezifische Profile kutikulärer Kohlenwasserstoffe entwickeln, die als Erkennungsmerkmale für die Pheromone dieser Population dienen. Trotz der hohen innerkolonialen Verwandtschaft wird die angeborene Ausbildung individueller, koloniespezifischer chemischer Signaturen jedoch weitgehend durch die Umwelt innerhalb des Bienenstocks bestimmt und nicht ausschließlich durch die von den Individuen dieser Kolonie geteilten genetischen Varianten. Daraus ergibt sich die Frage, wie ein nicht-genetischer Faktor zur angeborenen Ausprägung eines quantitativen Merkmals beitragen kann, das von allen Mitgliedern derselben Kolonie geteilt wird. Die Forschenden liefern hier eine Antwort auf dieses Rätsel, indem sie zeigen, dass bei Honigbienen die Erkennungsmerkmale der Koloniemitglieder zumindest teilweise durch gemeinsame Eigenschaften des intestinalen Mikrobioms der Mitglieder derselben Kolonie bestimmt werden. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutung von Wirt-Mikrobiom-Interaktionen als Quelle der Variation verhaltensbezogener Merkmale bei Tieren.
Das Hin- und Herfliegen der Sammlerinnen, die ihre Kolonie verlassen und wieder zurückkehren, wird von der Wächterin genau überwacht (Bild: Susanne Jutzeler)
„Ihre Papiere, bitte!“ Als Wachposten am Eingang des Bienenstocks kontrollieren die Wächterbienen die Identität derjenigen, die Einlass begehren. Die Wächterin prüft den „Personalausweis“ der Honigbiene, indem sie deren kutikuläre Kohlenwasserstoffe erschnuppert – eine wasserabweisende Schicht, die den Panzer (die Kutikula) überzieht. „Jede Kolonie besitzt ein eigenes olfaktorisches Profil, einen spezifischen Duft“, erklärt Martin Giurfa, Professor für Neurowissenschaften an der Universität Paul-Sabatier (Toulouse). „Bei sozialen Insekten – nicht nur bei Bienen – ermöglicht die kollektive Identität jedem Individuum, sowohl seine Nestgenossen als auch Eindringlinge zu erkennen. In Zeiten von Nahrungsmangel kommt es vor, dass Bienen andere Kolonien angreifen.“
Doch ein Rätsel bleibt bestehen. „Beim berühmten Hochzeitsflug wird die Königin von zahlreichen Drohnen begattet. Eine einzige Mutter und … Dutzende verschiedener Väter! Wie ist es also möglich, dass innerhalb einer genetisch sehr diversen Kolonie letztlich alle Bienen dieselbe chemische Signatur aufweisen?“
Eine am 14. Oktober in Science Advances veröffentlichte US-amerikanische Studie liefert erste Antworten: Es ist die intestinale bakterielle Flora der Bienen – das Mikrobiom –, die das Profil der kutikulären Kohlenwasserstoffe beeinflusst. „Jede Bienenkolonie besitzt tatsächlich ein spezifisches Mikrobiom. Das war zuvor noch nie gezeigt worden!“, freut sich Cassondra Vernier (Washington University, St. Louis, USA), Autorin der Studie. „Man wusste, dass zahlreiche Faktoren dieses Profil beeinflussen können, etwa die Genetik, die Ernährung, das Alter oder die Temperatur. Aber man wusste nicht genau, warum Kolonien unterschiedliche chemische Signaturen besitzen.“ Durch den ständigen Austausch von Nahrung übertragen die Bienen auch ihre mikrobiellen Gemeinschaften untereinander.
Eine Flora, die das Verhalten beeinflusst.
Wie die bakterielle Flora das olfaktorische Profil der Bienen verändert, ist jedoch noch nicht vollständig geklärt: Die Bakterien können nicht zu den Oenocyten gelangen, den subkutanen Zellen der Bienen, die die kutikulären Kohlenwasserstoffe synthetisieren. Die Forscherin vermutet, dass „es wahrscheinlicher ist, dass das Mikrobiom die Qualität der chemischen Signatur beeinflusst, indem es die Expression der an diesen biochemischen Reaktionen beteiligten Enzyme verändert oder den Oenocyten unterschiedliche Vorläuferstoffe zur Verfügung stellt“. Durch den Abbau von Zuckern produzieren die Bakterien Moleküle, die von den Bienen zur Synthese der kutikulären Kohlenwasserstoffe genutzt werden können – Pheromone, die nicht nur an der kolonialen, sondern auch an der sexuellen und sozialen Erkennung beteiligt sind (Ventilationsbienen, Wächterinnen, Putzbienen usw.).
Dass Interaktionen zwischen Wirt und bakterieller Flora eine wichtige Rolle spielen, ist auch von anderen Tieren bekannt. „Bestimmte Aspekte des tierischen Verhaltens im Allgemeinen und insbesondere der Sozialität könnten sich durch eine Koabhängigkeit zwischen tierischen Wirten und ihren Mikroben entwickelt haben“, erklärt Cassondra Vernier. Eine internationale Studie aus dem Jahr 2019 zeigt, dass eine antibiotische Behandlung das Erkennungs- und Aggressionsverhalten bei Blattschneiderameisen beeinflusst, „was auf eine Korrelation zwischen chemischen Profilen und dem Vorhandensein bestimmter mikrobieller Arten im Darm hindeutet“. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die bakterielle Flora die Bioverfügbarkeit einer Vielzahl von Molekülen regulieren kann, die das Sozialverhalten von Tieren beeinflussen, darunter Glukokortikoide, Sexualhormone und Neurotransmitter.
„Das Mikrobiom ist ein Thema, das derzeit stark im Fokus steht“, räumt Martin Giurfa ein. Auch er selbst entzieht sich diesem Trend nicht, da er untersucht, in welchem Ausmaß die bakterielle Flora die Lern- und Gedächtnisleistungen von Bienen beeinflussen kann. Obwohl viele Fragen weiterhin offen sind, ist sich Cassondra Vernier in einem Punkt sicher: „Der Einfluss des Mikrobioms auf das Verhalten des Wirts entwickelt sich zu einem grundlegenden Prinzip des Lebens.“
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