专为蜜蜂设计的超级食物使蜂群数量激增15倍
科学家通过改造酵母，使其能够产生花粉中常见的六种必需甾醇，创造了一种突破性的蜜蜂“超级食品”。与食用标准饲料的蜂群相比，食用这种实验室自制饲料的蜂群幼蜂数量最多可增加15倍，其营养成分几乎与自然采食的饲料相同，因此茁壮成长。在传粉昆虫种群数量锐减、威胁全球粮食安全的当下，这一突破为恢复蜜蜂健康提供了一种可持续的方法。
工蜂在牛津蜜蜂实验室进食。图片来源：Caroline Wood
由牛津大学领导的研究小组与英国皇家植物园邱园、格林威治大学和丹麦技术大学合作，开发出一种有望解决蜜蜂数量惊人下降问题的方法。他们的研究重点是一种特殊设计的膳食补充剂，可以复制通常从植物花粉中获得的重要化合物。经测试，这种补充剂能够显著促进蜂群繁殖。该研究结果于8月20日发表在《自然》杂志上。
养蜂人丹·埃瑟里奇（Dan Etheridge）与蜂框。图片来源：卡罗琳·伍德（Caroline Wood）。
蜜蜂的生存困境部分源于气候变化和现代农业实践，它们赖以生存的花卉种类减少。花粉是蜜蜂食物的主要来源，其中含有被称为固醇的脂质，而固醇对蜜蜂的健康生长发育至关重要。随着天然花粉供应日益稀缺，养蜂人开始转向人工替代品。这些产品通常由蛋白粉、糖和油制成，可以提供热量，但不含蜜蜂所需的固醇，导致它们营养不良。
在这项研究中，科学家们对酵母耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）进行了基因改造，使其能够精确地合成六种对蜜蜂健康至关重要的固醇混合物。随后，他们将酵母添加到实验性饲料中，并在为期三个月的受控喂养试验中对其进行了测试。这些蜂群被饲养在封闭的温室中，以确保蜜蜂只食用特制的饲料。
牛津蜜蜂实验室，笼养蜜蜂。图片来源：Caroline Wood。
到研究结束时，与饲喂对照饮食的菌落相比，饲喂富含甾醇的酵母的菌落所养育的幼虫至可存活蛹期的数量增加了 15 倍。
喂食强化饮食的蜂群更有可能在三个月期末继续养育幼虫，而喂食缺乏固醇饮食的蜂群则会在 90 天后停止养育幼虫。
值得注意的是，喂养工程酵母的蜂群中幼虫的甾醇谱与自然觅食蜂群中的甾醇谱相匹配，这表明蜜蜂选择性地仅将最重要的生物学甾醇转移到幼虫身上。
资深作者、牛津大学生物系教授杰拉尔丁·赖特表示：“我们的研究展示了如何利用合成生物学来解决现实世界的生态挑战。蜜蜂使用的大多数花粉固醇在自然界中无法获得足够数量的商业化收获，因此，我们无法创造出一种营养全面的花粉替代品。”
主要作者埃莉诺·摩尔博士（研究期间就职于牛津大学生物系，现就职于代尔夫特理工大学）补充道：“对蜜蜂而言，富含甾醇的饮食与传统蜜蜂饲料之间的差异，就如同人类摄入均衡、营养全面的膳食与摄入缺乏必需脂肪酸等必需营养素的膳食之间的差异一样。通过精准发酵，我们现在能够为蜜蜂提供在分子水平上营养全面的定制饲料。”
牛津蜜蜂实验室的詹妮弗·切内尔斯（Jennifer Chennells）正在称量蜜蜂食物选择管。图片来源：卡罗琳·伍德（Caroline Wood）
在开展这项研究之前，人们尚不清楚花粉中哪些甾醇对蜜蜂的健康至关重要。为了解答这个问题，研究人员对从蛹和成年蜜蜂身上采集的组织样本中的甾醇成分进行了化学评估。这需要一些极其精细的工作；例如，需要解剖单个工蜂以分离其肠道。分析确定了六种在蜜蜂组织中始终占主要成分的甾醇化合物：24-亚甲基胆固醇、菜油甾醇、异岩藻甾醇、β-谷甾醇、胆固醇和去甲甾醇。
研究人员随后利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，对酵母菌解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)进行了基因改造，使其能够以可持续且经济的方式生产这些固醇。之所以选择解脂耶氏酵母，是因为这种酵母脂质含量高，已被证实具有食品安全性，并且已经用于补充水产养殖饲料。为了生产富含固醇的补充剂，研究人员在生物反应器中培养了经过基因改造的酵母生物质，然后收获，干燥成粉末。
合著者伊琳娜·博罗迪纳教授（丹麦技术大学NNF生物可持续性中心）表示：“我们选择产油酵母解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）作为细胞工厂，是因为它非常擅长生产乙酰辅酶A衍生的化合物，例如脂质和固醇，而且这种酵母安全且易于规模化生产。它在工业上用于生产酶、ω-3脂肪酸、作为无热量甜味剂的甜菊糖苷、用于害虫防治的信息素以及其他产品。”
牛津蜜蜂实验室的蜂箱之一。图片来源：Caroline Wood
蜜蜂等传粉昆虫为全球主要农作物的产量贡献了70%以上。由于营养缺乏、气候变化、螨虫侵扰、病毒性疾病和农药暴露等因素的共同作用，蜜蜂数量严重下降，对粮食安全和生物多样性构成了重大威胁。例如，在过去十年中，美国商业蜜蜂群体的年度损失通常在40%至50%之间，到2025年可能会达到60%至70%。这种新型人工补充剂提供了一种增强蜂群恢复力的实用方法，且不会进一步消耗天然花卉资源。由于酵母生物质还含有有益的蛋白质和脂质，因此它有可能被开发成一种综合性的蜜蜂饲料。
共同作者菲尔·史蒂文森教授（皇家植物园邱园和格林威治大学自然资源研究所）补充道：“蜜蜂是杏仁、苹果和樱桃等作物生产中至关重要的传粉媒介，因此在某些作物种植区，蜜蜂数量众多，这可能会给有限的野花资源带来压力。因此，我们设计的补充剂可以减少对有限花粉供应的竞争，从而使野生蜜蜂物种受益。”
丹妮尔·唐尼（Danielle Downey，非营利性蜜蜂研究项目 Apis m.的执行董事，未参与本研究）表示：“我们依靠蜜蜂为三分之一的食物授粉，然而蜜蜂面临着诸多压力。良好的营养是提高它们抵御这些威胁能力的一种方法，在蜜蜂天然饲料日益减少的地区，更全面的膳食补充剂或许能带来改变。这项突破性发现，在饲料补充剂中添加关键植物营养素，能够持续维持蜜蜂幼虫的育雏，这具有巨大的潜力，可以改善蜂群的生存状况，进而改善我们赖以生存的养蜂业。”
虽然这些初步结果令人鼓舞，但仍需进一步进行大规模田间试验，以评估其对蜂群健康和授粉效率的长期影响。该补充剂有望在两年内向农民提供。
这项新技术还可用于开发其他传粉昆虫或养殖昆虫的膳食补充剂，为可持续农业开辟新的途径。
编译自/scitechdaily
