环境和生态胁迫如何通过微生物组-代谢组轴重编程蜜蜂的化学过程
1. 引言
蜜蜂是维系野生植物繁殖和全球主要农作物（约>70%）授粉的关键传粉者。然而，它们正面临着多种相互作用的胁迫——栖息地丧失、农药、气候变化、营养限制、病原体、狄斯瓦螨侵扰以及肠道微生物组的扰动——这些共同削弱了蜂群表现，导致了蜂群损失率的上升。为了将这些环境压力与个体和蜂群层面的结果联系起来，研究者越来越关注“微生物组-代谢组轴”：微生物共生体既产生也调节着小分子代谢物（发酵产物、信号化合物和宿主代谢中间体），直接影响着营养、解毒、免疫功能和行为。因此，代谢组学和多组学整合方法提供了超越物种分类描述的功能性结果，使我们能够从机制上连接微生物变化与其生理或生态影响。
2. 历史沿革：蜜蜂微生物组研究的演变
蜜蜂微生物组研究在高速测序和参考基因组出现后，从基于培养的调查迅速发展为基于基因组的生态学研究。早期的培养工作侧重于蜂产品中的可培养细菌和病原体监测，而蜜蜂参考基因组的发布（2006年）则为将微生物调查与宿主生物学联系起来提供了宿主框架。一项2007年针对受蜂群崩溃失调（CCD）影响的蜂群进行的鸟枪法宏基因组研究发现，与蜂群崩溃相关的病毒和微生物特征发生了改变，但这些早期的现场规模宏基因组结果只是关联性的，并未建立微生物组变化与崩溃之间的因果联系。随后的16S rRNA和宏基因组调查明确了成年工蜂后肠由一组小而保守的宿主限制性系统发育型主导，而基因组解析分析后来揭示了这些类群间广泛的功能分化。
在过去的十年中，操控性和限菌实验将在受控环境下的描述性模式转化为有实验支持的机制。实验室研究表明，扰乱核心肠道菌群（例如使用抗生素）会增加蜜蜂的死亡率和对机会性感染的易感性，而微生物重建可以在实验条件下改变营养处理和体重轨迹。这些干预措施为微生物在消化、免疫调节和某些代谢表型方面的贡献提供了有力证据。与此同时，鸟枪法宏基因组学和菌株水平的调查揭示了核心系统发育型内部深刻的基因组多样性，并记录了地理、季节和农用化学品对群落组成的影响，这推动了益生菌、微生物工程等应用方法的发展，同时也突显了在知识上仍存在空白——例如幼虫微生物组的个体发育、噬菌体动态，以及在多胁迫田间条件下验证微生物组与健康的因果关系。
3. 扰乱微生物组-代谢组轴的环境和生态胁迫
蜜蜂微生物组虽然简化，但依然复杂，包含如Snodgrassella alvi、Gilliamella apicola、Lactobacillus Firm-4/Firm-5、Bifidobacterium和Frischella perrara等重要细菌，它们参与营养代谢、解毒、免疫保护和免疫系统稳态调节。由农药、抗生素残留、病原体、营养不良、温度波动和环境污染引起的环境胁迫，会抑制微生物群或其代谢物，可能导致解毒功能受损、短链脂肪酸（SCFAs）和免疫系统相关代谢物产生减少，进而引发代谢紊乱。
3.1. 农药
农药是记录最广泛、最详尽的蜜蜂肠道微生物组及相关代谢过程的干扰因素之一。农药可通过两种主要方式破坏肠道菌群：（i）直接影响微生物生长；（ii）干扰宿主调控其肠道微生物群落的能力，例如损害宿主健康或改变肠道环境。新烟碱类杀虫剂会损害蜜蜂的免疫力，导致微生物控制力丧失，增加机会性致病菌感染的风险。功能变化至关重要，因为微生物群落结构的变化并不总是意味着群落功能的改变。
例如，暴露于杀菌剂氯硝胺会改变蜜蜂肠道菌群的功能预测图谱，增加与氧化磷酸化相关的基因家族，减少与糖代谢和蛋白酶活性相关的基因家族。暴露于杀菌剂多菌明会显著改变112种代谢物的水平，这些代谢物在能量和氨基酸代谢途径中富集。暴露于丙环唑和多菌明的混合物会改变蜜蜂肠道菌群组成，并导致与脂质代谢、免疫和氨基酸代谢相关的代谢组学改变。新烟碱类农药会减少核心细菌的绝对丰度和功能作用，阻碍植物多糖的加工和随后产生的短链脂肪酸的合成。暴露于杀虫剂噻虫啉会显著改变115种代谢物，在氧化应激和解毒途径中富集。暴露于新烟碱类杀虫剂啶虫脒会改变成蜂和幼虫的肠道菌群组成，并与氨基酸、脂质和碳水化合物途径的代谢变化相关。
值得注意的是，农药的协同作用加剧了微生物组和代谢组的紊乱。例如，同时暴露于杀虫剂氟吡呋喃或氟啶虫胺腈与杀菌剂嘧菌酯，会改变肠道菌群的细菌和真菌群落，减少有益微生物的多样性，并增强机会性病原体如Serratia marcescens。这些跨界扰动导致肠道微生物网络变得不稳定，危及蜜蜂的恢复力和整体健康。
3.2. 抗生素
在养蜂业中，四环素、土霉素、泰乐菌素和烟曲霉素等抗生素在一些国家曾被普遍用作预防性药物，但它们可能对蜜蜂健康产生严重而持久的负面影响。这些抗生素会显著影响有益的肠道共生菌，这些共生菌在维持肠道上皮完整性、抵御病原体和支持免疫系统发育方面发挥着重要作用。
四环素处理对蜜蜂肠道微生物组的大小和组成具有持久影响，当蜜蜂暴露于机会性细菌感染时，会导致在蜂箱和实验室环境中的存活率降低。此外，用四环素处理的工蜂肠道菌群在重新引入其蜂群后并未恢复，这表明该处理可能通过社会性传播对巢伴产生连锁效应。随后的研究发现，用被四环素扰乱的肠道菌群定植的工蜂，其微生物群落的β多样性发生了显著变化，这可能负面影响肠道菌群的功能，进而影响宿主的生理机能。近期研究还发现，在蜂箱环境中暴露于四环素会改变肠道微生物组结构，包括关键细菌类群的丰度变化，并推迟了蜜蜂转向觅食行为的时间。抗生素暴露还减少了肠道细菌代谢基因库和脑神经递质滴度。
暴露于土霉素的蜜蜂出现了长期的生存危机、体重减轻以及免疫和发育基因表达下降。重要的是，幼虫期抗生素暴露会影响成年蜜蜂肠道菌群的发育，而幼虫-成虫双重暴露会导致肠道菌群的协同失调，并对成年蜜蜂的肠道代谢产生长期影响。
3.3. 病原体
影响蜜蜂的病原体包括细菌（美洲幼虫腐臭病、欧洲幼虫腐臭病）、真菌（白垩病）、病毒（残翅病毒、囊雏病病毒）和微孢子虫（Nosemaspp.）。这些病原体通常通过狄斯瓦螨或受污染的食物和水传播，导致蜂群衰退、翅膀畸形、痢疾和难闻气味。这些病原体会以多种方式相互作用，直接改变代谢过程，从而扰乱微生物组-代谢组的关键作用。
例如，Nosema ceranae是一种严重危害蜜蜂的肠道病原体，它会降解蜜蜂的中肠，损害营养吸收，缩短寿命，降低免疫能力。这些影响导致蜂群健康下降、育雏发育不良、觅食活动提前、蜂蜜产量减少，并可能导致蜂群死亡。此外，N. ceranae感染与蜜蜂肠道菌群的变化有关，包括增加机会性病原菌的丰度，减少有益菌的丰度。蜜蜂的年龄和季节对肠道细菌的结构和组成有显著影响，同样，感染N. ceranae时蜜蜂的年龄也会影响肠道细菌群落。
由真菌Ascosphaera apis引起的白垩病影响全球蜜蜂幼虫。代谢组学分析显示，受感染幼虫的肠道组织中代谢物水平发生显著变化，抗氧化应激的代谢物水平降低，表明感染可能损害幼虫应对氧化应激的能力。
功能完整的微生物组与蜜蜂对残翅病毒感染的更高存活率和抵抗力相关，这表明肠道微生物具有潜在的保护作用。肠道菌群的扰动或减少与宿主在被机会性病原体S. marcescens挑战时死亡率增加有关。真菌或细菌感染后微生物组组成的改变可能损害蜜蜂肠道内复杂碳水化合物的分解和发酵产物的产生，影响代谢途径，导致对继发感染的易感性增加。
3.4. 营养胁迫
营养是蜜蜂生物学的主要驱动力，花粉饮食的多样性增强了免疫力和对病原体的抵抗力。然而，环境或农业变化限制了蜜蜂获取多种高质量花粉和花蜜来源，导致营养胁迫，并可能增加对病毒和真菌感染的易感性。在蜂群层面，景观多样性和花卉资源的可用性强烈影响饮食多样性，简化的农业景观和单一栽培系统通常提供有限且营养不平衡的饲料。考虑到肠道微生物组在代谢中的重要性，饮食变化/胁迫可以直接影响微生物组结构及其功能作用。
花粉的多样性和质量影响微生物组的稳定性和对病原体的易感性。用老化花粉喂养工蜂会导致肠道菌群失调，其特征是核心菌减少，机会性非核心菌增加。此外，常见中肠病原体Nosemaspp.的定植与回肠菌群失调和宿主功能缺陷显著相关。花粉短缺也会改变微生物组组成和代谢功能。例如，花粉匮乏的蜜蜂体内关键类群的丰度显著降低。细菌发酵酶基因的转录水平也与饮食诱导的微生物组变化相关。花粉多样性也影响微生物组，与喂食多种花粉的蜜蜂相比，喂食单一花粉的蜜蜂体内有益菌水平较低，但机会性细菌水平较高，且Nosema感染率更高。
无花粉饮食显著降低了蜜蜂发育必需基因的表达，这些基因表达的变化可能与肠道菌群定植有关。此外，在具有确定细菌种群的蜜蜂肠道中，胰岛素受体基因的转录水平低于微生物组缺陷的蜜蜂。更重要的是，用特定肠道微生物组定植并用人工饲料喂养的蜜蜂，其控制细菌病原体感染的能力低于喂食天然花粉的蜜蜂。需要更多的研究来探索饮食胁迫与其他生态和环境胁迫相结合对蜜蜂肠道菌群和代谢谱的影响，以及对个体和蜂群层面蜜蜂健康的长期后果。
3.5. 热胁迫
热胁迫是影响人类和动物健康最重要的环境胁迫之一，主要导致肠道损伤和肠道菌群失调。来自其他昆虫模型的证据也表明，温度可以强烈影响肠道菌群组成。温度也影响蜜蜂肠道共生菌和肠道寄生虫的相互作用。实验室研究表明，温度波动影响微生物组组成和感染严重程度，增加了熊蜂对寄生虫的易感性。此外，一种耐热乳杆菌共生体通过产生有机酸（例如乳酸和乙酸）作为代谢副产物，降低环境pH值，能更有效地抑制蜜蜂体内一种锥虫肠道寄生虫的生长。重要的是，高温增强了这种酸介导的抑制作用，因为相对于寄生虫，细菌共生体在较暖的温度下生长和产酸更快。因此，蜂群内的正常温度可以增强共生体消除肠道寄生虫的功效。
对其他蜂种，特别是熊蜂的研究也探讨了温度胁迫和病原体感染对肠道微生物群落的影响。虽然核心肠道微生物组得以维持，但其他重要生物体发生了显著变化。在对照温度下感染的生物体中，醋酸细菌增加，而在高温下，乳酸菌被Apilactobacillus kunkeei大量增加所超越。机会性细菌病原体在受热感染的蜜蜂中占主导地位，表明联合胁迫的影响使蜜蜂肠道健康处于免疫受损状态。需要更多的研究来确定热胁迫单独或与其他胁迫结合对蜜蜂肠道代谢组的影响。
3.6. 栖息地变化
栖息地丧失和筑巢地退化被认为是全球传粉者减少的主要原因之一。自然栖息地被城市化所取代，大多数原始生态系统在当地丧失，导致生物多样性急剧下降，有时甚至导致本地物种在当地灭绝。栖息地丧失/变化会影响昆虫（包括蜜蜂）的肠道微生物组，对健康产生潜在后果，包括免疫力降低、感染易感性增加和营养吸收受损。
然而，明确将景观变化与蜜蜂肠道菌群联系起来的研究仍然有限。现有证据表明，微生物组合在很大程度上具有地理保守性，但栖息地改变在多大程度上改变了功能性微生物谱仍然知之甚少。例如，对不同环境（农业、半自然和自然）下蜂箱中细菌部分的比较研究显示，在农业环境中，群落均匀度下降，有益细菌减少。从农业到自然地点，Arsenophonus的丰度下降，这可能作为人为干扰的生物指标，并与蜜蜂死亡率增加和蜂群健康下降相关。自然环境支持的代谢途径（包括嘧啶和UMP合成）在农业环境中减少，表明栖息地变化可能损害微生物驱动的代谢功能。
类似地，对多伦多小型木蜂的城乡研究表明，花粉来源比蜜蜂本身拥有更高的微生物多样性。城市环境维持着复杂的植物-微生物网络和更高的微生物多样性，但显示出有益共生菌的相对丰度较低，病原体负荷较高，而农村花粉含有更多的农药残留，可能会破坏共生关系。
这些发现表明，人类活动驱动的栖息地变化可以影响对蜜蜂健康至关重要的微生物群落。然而，文献仍然有限，特别是关于特定栖息地特征如何随时间影响微生物类群和功能途径。迫切需要进一步研究，以确定在不同环境压力下哪些类群会富集或减少，对宿主昆虫的代谢后果，以及对蜂群恢复力和生态系统服务的长期影响。
3.7. 环境污染物
环境中的污染物，例如重金属和微塑料，可能会干扰蜜蜂的肠道菌群和代谢物，从而对宿主的生理状况产生负面影响。暴露于亚致死水平重金属的蜜蜂表现出改变的代谢指纹和核心微生物组的细微变化。具体来说，涉及解毒、蛋白水解和脂解的代谢物发生改变，表明肠道代谢和宿主对毒性应激的反应受损。
微塑料暴露会降低肠道微生物的α多样性，改变核心细菌群落的组成，并影响与抗氧化防御、免疫和解毒相关的基因表达。聚苯乙烯微塑料单独或与杀虫剂氟吡呋喃结合，会增加氧化应激，损害解毒功能，并降低免疫功能。共同暴露还显著降低了乳杆菌的丰度，并改变了肠道菌群组成。这些研究共同强调了蜜蜂肠道微生物生态系统对环境污染物的敏感性，并证明了污染物暴露对代谢和功能的广泛影响。
4. 多种胁迫对肠道菌群-代谢组-宿主轴的共同影响
虽然环境胁迫和人为胁迫的原因多种多样，但它们对肠道菌群-代谢组-宿主系统的影响却惊人地相似。菌群失调是多种胁迫的共同后果，其定义为微生物群落稳定性降低、有益核心微生物水平降低以及机会性/致病性微生物增加。在代谢水平上，所有胁迫都会引起能量代谢紊乱，例如葡萄糖发酵紊乱、短链脂肪酸（SCFAs）产生减少、氨基酸和脂质代谢紊乱以及氧化磷酸化受损，这通常导致ATP减少。此外，解毒机制和抗氧化机制也常常受损，导致氧化应激加剧。免疫系统失调的一个共同特征是宿主的免疫反应，表现为对病原体的控制能力差、免疫信号受损以及对继发感染的易感性增加。最重要的是，代谢和功能方面的失调可以独立于微生物分类学的变化而表现出来，这表明功能失调可能是胁迫的一个共同特征。
分子机制：线粒体与表观遗传学
除了代谢物库的描述性变化之外，近期的研究已经开始识别与胁迫相关的微生物组变化影响宿主代谢的分子途径。一个受到越来越多关注的机制节点是线粒体功能。肠道菌群贡献代谢物，包括短链脂肪酸，这些代谢物是许多动物系统中线粒体生物发生和细胞能量代谢的已知调节剂。在蜜蜂中，包括外源物和微生物组破坏在内的胁迫与改变的代谢物可用性以及符合线粒体损伤特征的标志物相关，包括ATP产生减少、活性氧升高和细胞氧化还原平衡改变。尽管将微生物来源的代谢物与蜜蜂线粒体功能障碍联系起来的直接因果途径仍未完全阐明，但这些观察结果与微生物代谢产物在维持宿主生物能稳定性方面的作用是一致的。
代谢和氧化还原扰动也与表观遗传调控密切相关。许多表观遗传酶依赖于代谢辅因子，例如S-腺苷甲硫氨酸和乙酰辅酶A，从而将细胞代谢状态与染色质调控联系起来。在蜜蜂中，农药暴露与免疫和解毒途径相关基因的DNA甲基化模式改变有关。此外，微生物来源的代谢物丁酸在多种生物系统中可作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂；因此，在微生物组破坏期间丁酸的减少可能会影响宿主转录调控，尽管这一机制仍有待蜜蜂实验验证。总的来说，这些观察结果支持了一个概念框架，即胁迫诱导的微生物组扰动改变了微生物代谢物的产生，可能影响线粒体生物能学和表观遗传辅因子的可用性。虽然该途径的几个组成部分已在蜜蜂中得到单独记录，但此处提出的综合因果关系仍有待实验测试。
5. 蜂群层面的健康：从个体代谢组到社会生理学
肠道菌群可能通过塑造个体生理和行为来影响蜂群社会复杂性。最近的自动化跟踪研究报告，拥有常规肠道菌群的工蜂比菌群缺失的工蜂表现出更多的头对头接触、更强的任务专业化和更持久的社会关联。这些行为差异与脑代谢物（例如丝氨酸和鸟氨酸）的变化以及突触功能和社会反应性相关基因的表达改变有关。我们强调，这些研究主要是关联性的：在现实的野外条件下，直接将特定微生物组变化与改变的蜂群层面行为联系起来的操控性证据仍然有限，并且不能完全排除其他解释。
代谢组学和神经解剖学证据表明，肠道微生物活动与大脑中与嗅觉和味觉处理相关区域的氨基酸相关途径存在串扰，这可能介导了巢友识别和刺激驱动行为的变化。比较不同景观下蜂场的多组学工作进一步显示了血淋巴蛋白和小分子谱存在巨大的季节性和地点依赖性变化，包括在集约农业暴露下卵黄原蛋白和载脂蛋白水平下降。这些发现提出了环境介导的微生物代谢改变可能扩展到蜂群生理学的潜在途径，但我们提醒，在现场规模上直接进行因果证明仍是未来研究的一个活跃领域。
总的来说，蜜蜂是非常了不起的生物，无论是从个体层面还是作为超级有机体的蜂群层面。尽管蜜蜂承受着疾病、寄生虫、农药和管理等多种胁迫，但它们具有恢复力，并拥有多种特征来应对这些近乎持续的挑战。因此，需要更多的研究来了解蜂群条件下的蜜蜂如何单独或组合应对这些胁迫，使用各种组学和代谢组学方法。这些知识对于可持续养蜂至关重要。
6. 转化应用与精准蜂业路线图
6.1. 利用该轴进行蜂群层面的诊断和干预
当前/已验证：对微生物组-代谢组轴的机制性综述已经在实验和现场环境中产生了可测试的生物标志物和试点诊断。非侵入性或微创样本基质已被用于试点和概念验证研究，以产生蜂群生理状态的综合特征。便携式膜进样质谱和挥发物组学工作流程已在现场进行了蜂箱大气快速分析和污染物/污染物检测的试验。挥发性有机化合物（VOC）分析已被用于识别与美洲幼虫腐臭病和其他蜂群病理相关的特征，提供了一种非侵入性的早期预警方法。蜜蜂组织和血淋巴的代谢组学已经产生了追踪农药暴露和营养胁迫的候选生物标志物。冬季蜂巢碎屑与蜂群结果的关联也得到了报告，支持了汇集碎屑作为整合性蜂群层面样本的效用。
近期前景/发展：将这些试点结果转化为常规管理需要：（a）分析标准化；（b）候选生物标志物的独立多站点验证；以及（c）开发经济实惠、适应现场的检测平台和决策支持工具。一旦生物标志物组得到验证，可以将靶向指标（例如谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽氧化还原比、支链氨基酸特征或短链脂肪酸比率）作为早期预警指标，以触发特定的管理应对措施。
转化干预措施——当前证据与前景：实验试验已在实验室和一些现场环境中测试了益生菌和后生元，结果不一。一些对照实验报告了病原体负荷减少或生理益处，而非本
