Учёные нашли недостающие питательные вещества для пчёл — колонии выросли в 15 раз

Рабочие пчёлы кормятся в лаборатории Оксфордской пчелиной лаборатории. Фото: Caroline Wood

Новое исследование под руководством Оксфордского университета в сотрудничестве с Королевскими ботаническими садами Кью, Гринвичским университетом и Техническим университетом Дании может предложить экономичное и устойчивое решение для борьбы с катастрофическим сокращением популяции медоносных пчёл. Специально разработанная пищевая добавка, предназначенная для обеспечения необходимыми соединениями, содержащимися в пыльце растений, значительно улучшила репродукцию колоний. Результаты были опубликованы 20 августа в журнале Nature.

Решение проблемы дефицита питательных веществ

Изменение климата и интенсификация сельского хозяйства лишают медоносных пчёл необходимого им цветочного разнообразия. Пыльца, основной компонент их рациона, содержит специфические липиды под названием стеролы, необходимые для их развития. Всё чаще пчеловоды вынуждены кормить своих пчёл искусственными заменителями пыльцы из-за недостатка натуральной пыльцы. Однако эти коммерческие добавки — из белковой муки, сахаров и масел — не содержат правильных стерольных соединений, что делает их неполноценными с точки зрения питания.

В новом исследовании команде учёных удалось модифицировать дрожжи Yarrowia lipolytica для производства точной смеси из шести ключевых стеролов, необходимых пчёлам. Эта смесь была включена в рацион пчелиных семей в ходе трёхмесячных испытаний по кормлению. Они проводились в закрытых теплицах, чтобы гарантировать, что пчёлы питаются только экспериментальными диетами.

Ключевые результаты:

• К концу исследования колонии, получавшие обогащённые стеролами дрожжи, выкормили до 15 раз больше личинок до жизнеспособной стадии куколки по сравнению с колониями на контрольных диетах.
• Колонии на обогащённой диете с большей вероятностью продолжали выращивать расплод до конца трёхмесячного периода, тогда как колонии на диетах с дефицитом стеролов прекращали производство расплода после 90 дней.
• Примечательно, что стерольный профиль личинок в колониях, получавших модифицированные дрожжи, соответствовал таковому у колоний, питающихся естественным образом, что позволяет предположить, что пчёлы избирательно передают своим детёнышам только наиболее биологически важные стеролы.

Старший автор исследования профессор Джеральдин Райт (факультет биологии Оксфордского университета) заявила:

«Наше исследование демонстрирует, как мы можем использовать синтетическую биологию для решения реальных экологических проблем. Большинство пыльцевых стеролов, используемых пчёлами, в природе недоступны в количествах, которые можно было бы собирать в коммерческих масштабах, что делает невозможным создание полноценного с питательной точки зрения корма, заменяющего пыльцу».

Ведущий автор доктор Элинор Мур (факультет биологии Оксфордского университета на момент исследования, ныне Делфтский технический университет) добавила:

«Для пчёл разница между диетой, обогащённой стеролами, и обычными кормами была бы сравнима для людей с разницей между сбалансированным, полноценным питанием и едой, в которой отсутствуют необходимые питательные вещества, такие как незаменимые жирные кислоты. Используя прецизионное ферментирование, мы теперь можем обеспечить пчёл специально разработанным кормом, который является полноценным на молекулярном уровне».

От пыльцы к прецизионному питанию: идентификация и производство ключевых пчелиных стеролов

До этой работы было неясно, какие из разнообразных стеролов в пыльце критически важны для здоровья пчёл. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи химически оценили стерольный состав образцов тканей, взятых у куколок и взрослых пчёл. Это потребовало невероятно тонкой работы; например, препарирования отдельных пчёл-кормилиц для отделения кишечников. Анализ выявил шесть стерольных соединений, которые стабильно составляли большинство в тканях пчёл: 24-метиленхолестерол, кампестерол, изофукостерол, β-ситостерол, холестерол и десмостерол.

С помощью редактирования генов CRISPR-Cas9 исследователи затем модифицировали дрожжи Yarrowia lipolytica для производства этих стеролов устойчивым и доступным способом. Y. lipolytica была выбрана, поскольку эти дрожжи имеют высокое содержание липидов, признаны безопасными для пищевых продуктов и уже используются в качестве добавки к кормам для аквакультуры. Для производства обогащённой стеролами добавки биомассу модифицированных дрожжей культивировали в биореакторах, собирали, а затем высушивали в порошок.

Соавтор профессор Ирина Бородина (Центр биологической устойчивости NNF, Технический университет Дании) сказала:

«Мы выбрали маслянистые дрожжи Yarrowia lipolytica в качестве клеточной фабрики, потому что они отлично подходят для производства соединений, производных от ацетил-КоА, таких как липиды и стеролы, и потому что эти дрожжи безопасны и легко масштабируются. Они используются в промышленности для производства ферментов, омега-3 жирных кислот, стевиоловых гликозидов в качестве бескалорийных подсластителей, феромонов для борьбы с вредителями и других продуктов».

Преимущества для сельского хозяйства и биоразнообразия

Опылители, такие как медоносные пчёлы, способствуют производству более 70% ведущих мировых культур. Серьёзное сокращение их численности — вызванное сочетанием дефицита питательных веществ, изменения климата, заражения клещами, вирусных заболеваний и воздействия пестицидов — представляет значительную угрозу для продовольственной безопасности и биоразнообразия. Например, за последнее десятилетие ежегодные потери коммерческих семей медоносных пчёл в США обычно составляли от 40 до 50% и могут достигнуть 60–70% в 2025 году. Эта новая искусственная добавка предлагает практическое средство для повышения устойчивости колоний без дальнейшего истощения природных цветочных ресурсов. Поскольку дрожжевая биомасса также содержит полезные белки и липиды, её потенциально можно расширить до комплексного пчелиного корма.

Соавтор профессор Фил Стивенсон (RBG Kew и Институт природных ресурсов, Гринвичский университет) добавил:

«Медоносные пчёлы являются критически важными опылителями для производства таких культур, как миндаль, яблоки и вишня, и поэтому присутствуют в некоторых местах выращивания культур в очень больших количествах, что может оказывать давление на ограниченные ресурсы диких цветов. Таким образом, наша искусственная добавка может принести пользу диким видам пчёл, уменьшая конкуренцию за ограниченные запасы пыльцы».

Даниэль Дауни (исполнительный директор некоммерческой организации по исследованию медоносных пчёл Project Apis m., не связанная с исследованием) сказала:

«Мы полагаемся на медоносных пчёл для опыления каждой третьей порции нашей пищи, но пчёлы сталкиваются со многими стрессорами. Хорошее питание — один из способов повысить их устойчивость к этим угрозам, и в ландшафтах с сокращающимися естественными кормовыми ресурсами для пчёл более полноценная диетическая добавка может изменить правила игры. Это прорывное открытие ключевых фитонутриентов, которые при включении в кормовые добавки позволяют поддерживать выращивание расплода медоносных пчёл, имеет огромный потенциал для улучшения выживаемости колоний и, в свою очередь, пчеловодческих хозяйств, от которых зависит наше производство продуктов питания».

Следующие шаги и будущее применение

Хотя эти первоначальные результаты обнадёживают, необходимы дальнейшие масштабные полевые испытания для оценки долгосрочного воздействия на здоровье колоний и эффективность опыления. Потенциально добавка может стать доступной для фермеров в течение двух лет.

Эта новая технология также может быть использована для разработки пищевых добавок для других опылителей или сельскохозяйственных насекомых, открывая новые возможности для устойчивого сельского хозяйства.

Источники: sciencedaily.com, материалы предоставлены Оксфордским университетом.