Honey bees are important pollinators with invaluable roles in most terrestrial ecosystems. They harbor a specialized gut bacterial community that has been recently shown to impact bee health and disease in various ways. In contrast to most other animals, the honey bee gut microbiota is of relatively low complexity. This allows to manipulate all members of the gut community, making the honey bee an interesting experimental system to study fundamental questions about gut microbiota-host interactions. Honey bees have a very specific diet consisting of pollen and floral nectar. However, little is known about how this diet shapes the gut microbiota composition, e.g. over seasons, or which bacterial metabolic activities are involved in pollen utilization in the honey bee gut.
The two major aims of this thesis were (i) to characterize the gut microbiota of honey bees across different worker bee types and dietary conditions and (ii) to identify major metabolic activities of the bee gut microbiota in regard of pollen utilization and to assign these functions to different community members.
In order to reach these two aims, I had to establish experimental tools to monitor and manipulate each member of the bee gut microbiota (Results chapter 1). This included:
(i) the isolation, cultivation and characterization of bacterial strains, (ii) the establishment of qPCR methods to reliably detect and quantify each community member, and
(iii) the generation of microbiota-depleted bees and their subsequent colonization with bacterial isolates. These tools have improved the tractability of the honey bee gut microbiota. They allow us to probe the functional roles of individual community members or of defined communities and to study their effects on the host or among each other under controlled laboratory conditions.
Results chapter 2 addresses how the gut microbiota changes across different worker bee types and dietary conditions. To this end, we sampled nurse bees, foragers, and winter bees across multiple hives and used the newly established qPCR method to quantify the absolute abundance of seven major community members. We found that total bacterial abundance substantially increased from foragers to nurse bees to winter bees. Moreover, the microbiota composition of winter bees showed a remarkable shift towards a predominance of two specific members. Using experimentally colonized bees kept on different diet, we showed that the variation in community composition can to some extent be explained by dietary differences between the three different bee types. Future work should focus on the functional relevance of the shift of the gut microbiota in winter bees, because they are critical for colony survival and most of the colony losses occur during the winter months.
Results chapter 3 then turns the focus towards the identification of major metabolic activities of the bee gut microbiota. We colonized microbiota-depleted bees with an artificial bee gut community reconstituted from cultured strains and applied untargeted metabolomics to get a general overview of metabolic changes induced by the bee gut microbiota. We also included mono-colonized bees to characterize the contributions of individual community members to the overall metabolic output of the bee gut microbiota. This systematic approach revealed that the gut microbiota utilizes diverse pollen-derived substrates, including recalcitrant pollen wall components. We also found that the metabolic activities of the microbiota lead to an accumulation of organic acids and degradation intermediates of aromatic compounds in the gut, and also trigger the production of metabolites involved in host signaling. Therefore, these microbial activities might substantially increase pollen utilization and contribute to the nutrition of the honey bee. Most metabolic changes could be explained by the activity of individual community members. While there was a substantial overlap in metabolic activities, many compounds were only utilized by a subset of the microbiota suggesting substrate specificity and independent metabolic functions of the different community member. In conclusion, this work provides fundamental insights into diverse bacterial functions in the bee gut that may contribute to the bee health and physiology.
To conclude, our results present important advances in establishing the honey bee as a versatile model for studying gut microbiota-host interactions and broaden our current knowledge about the structure and functions of the bee gut microbiota. The future research efforts should aim towards a better understanding of molecular cross-talk between the honey bee and its gut microbiota, such as: Which microbiota metabolites are transferred into the bee tissue? What is their effect on bee metabolism and physiology, and does the bee provide nutrients to the microbiota? Our results provide bases for these future research efforts.
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Les abeilles sont des pollinisateurs importants qui jouent un rôle inestimable dans la plupart des écosystèmes terrestres. Elles hébergent une communauté bactérienne intestinale spécialisée dont l'impact sur la santé des abeilles a récemment été démontré. Contrairement à la plupart des autres animaux, le microbiote intestinal de l'abeille a une complexité relativement faible. Cela permet de manipuler tous les membres de la communauté intestinale, faisant de l'abeille un système expérimental intéressant pour étudier les questions fondamentales concernant les interactions entre le microbiote intestinal et l'hôte. Les abeilles ont un régime alimentaire très spécifique composé de pollen et de nectar floral. Cependant, on sait peu de choses sur la manière dont ce régime alimentaire façonne la composition du microbiote intestinal, par exemple au fil des saisons, ou encore quelles sont les activités métaboliques bactériennes impliquées dans l’utilisation du pollen dans l’intestin des abeilles mellifères.
Les deux objectifs principaux de cette thèse étaient (i) de caractériser le microbiote intestinal de différents types d’abeilles ouvrières en fonction de conditions diététiques particulières et (ii) d’identifier les principales activités métaboliques du microbiote intestinal d’abeilles en ce qui concerne l’utilisation du pollen, et d’attribuer ces fonctions aux différents membres de la communauté.
Afin d'atteindre ces deux objectifs, j'ai dû mettre en place des outils expérimentaux permettant de suivre et de manipuler chaque membre du microbiote de l'intestin d'abeille (chapitre 1). Cela comprenait: (i) l'isolement, la culture et la caractérisation de souches bactériennes, (ii) la mise en place de méthodes de qPCR permettant de détecter et de quantifier de manière fiable chaque membre de la communauté, et (iii) la génération d'abeilles appauvries en microbiote et leur colonisation ultérieure avec des isolats bactériens. Ces outils ont amélioré la manipulation du microbiote intestinal de l'abeille mellifère. Ils nous permettent d’étudier les rôles fonctionnels de membres individuels ou de communautés définies, et d’étudier leurs effets sur l’hôte ou les uns sur les autres dans des conditions de laboratoire contrôlées.
Le chapitre 2 traite de la manière dont le microbiote intestinal se modifie selon les types d'abeilles et les conditions alimentaires. À cette fin, nous avons échantillonné des abeilles nourrices, des butineuses et des abeilles d'hiver provenant de plusieurs ruches, et nous avons utilisé la méthode de qPCR récemment mise au point pour quantifier l'abondance absolue de sept membres majeurs de la communauté. Nous avons constaté que l'abondance bactérienne totale augmentait de manière substantielle entre les butineuses et les nourrices, ainsi qu’entre les nourrices et les abeilles d'hiver. De plus, la composition en microbiote des abeilles d’hiver a montré une évolution remarquable vers la prédominance de deux membres
spécifiques. En utilisant des abeilles colonisées de façon expérimentale et soumises à un régime alimentaire différent, nous avons montré que la variation de la composition de la communauté peut dans une certaine mesure être expliquée par les différences alimentaires entre les trois types d'abeilles. Les travaux futurs devraient être axés sur la pertinence fonctionnelle du changement du microbiote intestinal chez les abeilles d’hiver car elles sont essentielles à la survie des colonies, la plupart des pertes se produisant pendant les mois d’hiver.
Le chapitre 3 met ensuite l'accent sur l'identification des principales activités métaboliques du microbiote intestinal de l'abeille. Nous avons colonisé les abeilles appauvries en microbiote avec une communauté intestinale artificielle reconstituée à partir de souches cultivées en laboratoire. Nous avons procédé à une analyse métabolomique non ciblée pour obtenir un aperçu général des modifications métaboliques induites par le microbiote intestinal d'abeille. Nous avons également inclus des abeilles colonisées par une espèce unique afin caractériser la contribution des membres individuels de la communauté sur la production métabolique globale du microbiote intestinal de l'abeille. Cette approche systématique a révélé que le microbiote intestinal utilisait divers substrats dérivés du pollen, y compris des composants de la paroi du pollen connus pour être récalcitrants. Nous avons également constaté que les activités métaboliques du microbiote entraînaient une accumulation d'acides organiques et d’intermédiaires de dégradation de composés aromatiques dans l'intestin, ainsi que la production de métabolites impliqués dans la signalisation de l'hôte. Par conséquent, ces activités microbiennes pourraient considérablement augmenter l'utilisation du pollen et contribuer à la nutrition de l'abeille. La plupart des changements métaboliques pourraient être expliqués par l'activité de membres individuels de la communauté. Bien que les activités métaboliques se chevauchent, de nombreux composés ne sont utilisés que par un sous-ensemble du microbiote suggérant une spécificité de substrat ainsi que des fonctions métaboliques indépendantes des différents membres de la communauté. En conclusion, ce travail fournit des informations fondamentales sur diverses fonctions bactériennes dans l'intestin de l'abeille qui pourraient contribuer à la santé et à la physiologie de l'abeille.
En conclusion, nos résultats présentent d'importants progrès dans l'établissement de l'abeille domestique en tant que modèle polyvalent pour étudier les interactions entre le microbiote intestinal et l'hôte, et pour élargir nos connaissances actuelles sur la structure et les fonctions du microbiote intestinal d'abeille. Les efforts de recherche futurs devraient viser à une meilleure compréhension de l’interaction entre l’abeille et son microbiote intestinal au niveau moléculaire. Quels métabolites du microbiote sont transférés dans les tissus de l’abeille? Quels sont leurs effets sur le métabolisme et la physiologie des abeilles? L'abeille fournit-elle des nutriments au microbiote? Nos résultats fournissent des bases pour ces futurs travaux de recherche.