腸道菌群：隱藏的蜜蜂“認知教練”
“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，甚至傳遞預警信息。”中國農業(yè)科學院蜜蜂研究所研究員劉永軍告訴《中國科學報》，這項最新研究揭開了社會性昆蟲認知奧秘的一角。
近日，中國農業(yè)科學院蜜蜂研究所資源昆蟲保護創(chuàng)新團隊聯(lián)合中國科學院生態(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習與記憶能力。
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)境保護提供了潛在應用路徑。
守衛(wèi)蜂的“舍身”本能與“學習”能力
蜜蜂是自然界最重要的傳粉昆蟲之一，全球約1/3的農作物依賴蜜蜂授粉，其生存狀態(tài)直接關系到農業(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(SER)是蜜蜂的終極防御手段，但因螫針連接內臟，工蜂在蜇刺后便會死亡。伸針反應的“自我犧牲”行為能有效保護蜂群，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，更與學習記憶密切相關。在自然界中，工蜂(尤其是巢門守衛(wèi)蜂)會通過負面經(jīng)歷形成“厭惡性學習記憶”。例如，當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；隨后訓練工蜂將中性氣味(如正己醇)與電擊配對。若工蜂學會將氣味視為危險信號，僅氣味刺激就能觸發(fā)伸針反應，這反映了其厭惡性學習記憶能力。這種能力幫助蜜蜂靈活調整防御行為，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好奇與現(xiàn)實關切。”劉永軍說，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，卻能通過學習記憶靈活調整攻擊策略。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、人類的學習能力)，但昆蟲中相關證據(jù)匱乏。
劉永軍注意到，遭遇農藥或寄生蟲的蜂群常同時出現(xiàn)菌群失調和行為異常，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道菌群是否也會調控其防御性學習記憶，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。”劉永軍說。
而且，“蜜蜂腸道菌群僅約10種核心菌，結構簡單且易于操縱，是理想模型�！狈馔踅扔鞯�，“就像用樂高積木拼裝機器，我們能清晰追蹤單一菌株如何通過代謝物遠程調控大腦�！痹搱F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”？一場跨學科合作就此展開。
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，該團隊采用了行為學、代謝組學、微生物定殖和藥理學干預等多層次技術協(xié)同攻關。
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系提供了至關重要的對照組。
該團隊通過行為學實驗比較了正常蜜蜂與無菌蜜蜂的行為差異。結果出人意料：兩組蜜蜂對電擊的本能伸針反應無差別，但在氣味—電擊配對訓練中，無菌蜜蜂的厭惡性學習記憶得分驟降30%。
“這說明腸道菌群不影響防御本能，但專門調控學習可塑性�！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒅袊茖W院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員葛源分析道。進一步代謝組學檢測發(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，在蜜蜂中負責協(xié)調學習、記憶與獎賞行為，與人類系統(tǒng)高度相似。
團隊發(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，其學習記憶能力顯著恢復。
但意外的是，額外補充外源酪氨酸并未進一步增強效果。“這可能存在‘天花板效應’�！备鹪赐茰y，“腸球菌像先給大腦打好健康基礎，后續(xù)營養(yǎng)補充只是錦上添花�！睘轵炞C多巴胺的關鍵作用，團隊使用受體抑制劑阻斷信號通路，蜜蜂的認知缺陷再次出現(xiàn)，證實了該機制的因果性。
研究歷時三年，團隊攻克了多項挑戰(zhàn)：用3D打印技術研制SER檢測設備，實現(xiàn)精準的行為記錄；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”。
“多機構協(xié)作是關鍵�！眲⒂儡姀娬{。中科院生態(tài)環(huán)境中心提供生態(tài)學視角，蜜蜂所和中國農業(yè)大學貢獻微生物技術，美國加州大學歐文分校協(xié)助神經(jīng)行為學指導�！爱敯l(fā)現(xiàn)菌群特異性調控蜜蜂的學習記憶時，所有團隊成員倍感振奮——我們找到了微生物影響社會行為的新證據(jù)�！�
為蜂群保護提供“益生菌方案”
這項成果將腸道菌群提升為調控蜜蜂社會行為的關鍵因素，為神經(jīng)科學和生態(tài)學提供了新視角。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)遠程調控大腦高級功能(學習記憶)�！斑@挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)上僅關注遺傳或環(huán)境因素的行為理論，揭示了微生物與宿主共進化的深層聯(lián)系�！眲⒂儡娬f。
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)常伴隨工蜂導航能力下降、防御遲鈍等問題，據(jù)推測，菌群失調或是誘因之一。
首先，通過飼喂腸球菌益生菌，蜜蜂學習記憶能力增強后，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控，優(yōu)化蜂群結構。未來可開發(fā)菌劑增強蜂群抗逆性，替代部分農藥使用。
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，農藥污染會導致菌群紊亂和學習能力下降，監(jiān)測蜜蜂認知水平，能為生態(tài)健康提供早期預警。
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多巴胺，進而改善宿主的認知能力。“蜜蜂模型簡單高效，適合大規(guī)模篩選益生菌。”劉永軍說，“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）
