大黃蜂味覺神經(jīng)元對糖反應(yīng)的應(yīng)用

許多蜜蜂物種收集蜜露作為碳水化合物食物來源，味覺可以幫助識別有價值的營養(yǎng)物質(zhì)并避免潛在的毒素。此前發(fā)現(xiàn)，大黃蜂有一種特殊的感知糖的機(jī)制，通過這種機(jī)制，蜜蜂口器的味覺感受器中的兩個味覺感受神經(jīng)元（GRN）呈現(xiàn)出峰值。在此，我們進(jìn)行了一系列實驗，以研究與大黃蜂相關(guān)糖的味覺系統(tǒng)敏感性測試。
本研究使用Capillary taste試驗來測量自由移動的大黃蜂攝食行為，并通過諾達(dá)思的行為觀察記錄分析系統(tǒng)（The Observer XT）對視頻相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行評分。行為觀察記錄分析系統(tǒng)可以編碼和觀察各種行為，也可以整合其他數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。行為編碼方案設(shè)計可以幫助詳細(xì)編碼行為，為您的研究提供全方位的支持。  
糖引起味覺感受器四個神經(jīng)元中三個的反應(yīng)
大黃蜂有一種獨(dú)特的機(jī)制來感知花蜜中的蔗糖；蔗糖引發(fā)兩個GRN（GRN1、GRN2）的活性峰值模式，這兩個GRN通過間隙連接進(jìn)行通信；這與果蠅（Drosophila）中描述的味覺編碼策略形成對比，其中蔗糖在每個感受器中的單個GRN中引發(fā)階段性活性。來自外周神經(jīng)元的時間編碼傳遞了包括嗅覺在內(nèi)的其他感官刺激的重要定性信息。因此，我們測試了蜜蜂味覺神經(jīng)元中是否發(fā)生了變化。我們用口服花蜜和蚜蟲蜜中發(fā)現(xiàn)的七種糖（果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、松三糖、海藻糖、山梨醇）刺激大黃蜂A型感受器。我們還測試了蜜蜂較不常見的四種糖（山梨糖、木糖、乳糖、甘露糖）。糖引發(fā)了不同范圍的GRN反應(yīng)（圖1A）。
 
除乳糖、木糖和甘露糖外，每種測試糖的GRN峰值均隨濃度而增加（圖1B）。我們在每個感受器中檢測到第三個糖敏感GRN。蔗糖、麥芽糖和芥子糖在最低閾值濃度（10mM）下激活GRN1和GRN2，而果糖在R100mM時引發(fā)GRN1-3的最高釋放率（圖1D-1G）。另一組糖（葡萄糖、山梨醇和山梨糖）激活GRN1，但需要100 mM的糖濃度來激活GRN2（例如，葡萄糖，1000 mM，圖1D-1F）。GRN3的釋放速率很低：在最高濃度下，GRN3釋放速率為2–6峰值/秒，而GRN1釋放速率為25–75峰值/秒和GRN2釋放速率為4–20峰值/秒（圖1D–1F）。GRN3對果糖的反應(yīng)率很低，但對蔗糖、麥芽糖和葡萄糖的反應(yīng)也很少（圖1G和S1）。與水相比，沒有一個GRN對乳糖、木糖或甘露糖的反應(yīng)顯著激活。  
糖的營養(yǎng)價值預(yù)測適口性
味覺指示進(jìn)食行為。我們使用2分鐘的喂養(yǎng)試驗來評估糖對喂養(yǎng)結(jié)構(gòu)的影響。在100 mM時，蜜蜂攝入的大量糖只有果糖、蔗糖、麥芽糖和松三糖；然而，蜜蜂與蔗糖和麥芽糖溶液的接觸時間明顯長于水（圖2A）。除乳糖、木糖、山梨醇和甘露糖外，蜜蜂消耗了>10mL的所有500/1000mM糖刺激物（圖2B）。他們還花了更多的時間接觸溶液，并且第一次接觸糖的時間更長，這導(dǎo)致GRN中的峰值率最高。當(dāng)大黃蜂口器上的感受器受到刺激時，蜜蜂會反射性地延長口器以進(jìn)食。除了山梨醇，所有引起GRN峰值的500/1000 mM糖刺激（圖1）也會引起口器延長（圖2C）。
 
蜜蜂是否以溶液為食可能與糖的代謝或營養(yǎng)價值有關(guān)。我們用每種糖的500/1000mM溶液喂養(yǎng)蜜蜂，并測量了它們10天的壽命。至少60%-80%的用果糖、蔗糖、松三糖或山梨醇喂養(yǎng)的蜜蜂存活了10天，而近90%的用麥芽糖喂養(yǎng)的蜜蜂活了下來（圖2D）。出乎意料的是，在10天的時間里，只有50%的喂食葡萄糖或海藻糖的蜜蜂存活了下來。相反，大多數(shù)喂食山梨糖、乳糖、木糖或甘露糖的蜜蜂在實驗開始后3天內(nèi)死亡（圖2D）。這些蜜蜂沒有消耗太多的溶液，死于饑餓或中毒（圖2E）。  
非營養(yǎng)糖降低GRN對蔗糖的反應(yīng)
在之前的實驗中，我們測試的糖引發(fā)了不同范圍的GRN反應(yīng)，還有一些糖沒有激活任何GRNs。為了測試GRN 1–3中誘發(fā)的活動是否與糖的營養(yǎng)價值或毒性有關(guān)，我們用山梨糖、木糖、乳糖或甘露糖等與蔗糖的混合物喂養(yǎng)蜜蜂。木糖具有一定的營養(yǎng)價值，因為用混合木糖的蔗糖喂養(yǎng)的蜜蜂比單獨(dú)用蔗糖喂養(yǎng)的壽命更長。山梨糖沒有提供額外的營養(yǎng)價值，也沒有毒性。然而，用含有甘露糖和乳糖的蔗糖喂養(yǎng)的蜜蜂死亡速度更快，表明這些糖是有毒的（圖3A）。在2分鐘的喂食試驗中，蔗糖中添加甘露糖、乳糖和木糖不會顯著改變蜜蜂消耗的食物量（圖3B）。然而，在24小時內(nèi)喂食含甘露糖的蔗糖的蜜蜂消耗的總體積小于喂食其他糖混合物的蜜蜂消耗總量的30%（圖3C），表明甘露糖毒性的正反饋抑制了攝入。  
與山梨糖不同，甘露糖、木糖和乳糖不會引起進(jìn)食或峰值，但在糖溶液中仍可檢測到。為了測試這一點(diǎn)，我們用蔗糖和每種糖的混合物刺激感受器。作為對照，我們還測試了果糖-蔗糖混合物。甘露糖、乳糖和木糖的添加降低了GRN1和GRN2對蔗糖的轉(zhuǎn)化率。山梨糖降低GRN1轉(zhuǎn)化率，但不降低GRN2轉(zhuǎn)化率。相反，果糖的添加增加了GRN1和GRN2的轉(zhuǎn)化率（圖3D）。盡管蔗糖中添加糖會影響GRN1和GRN2的平均激活率，但這些GRN的激活模式在刺激物中相似（圖3E和S4）。目前測試無法區(qū)分感受器對各種糖混合物的反應(yīng)（圖3F和S4）。盡管混合物對絕對GRN過濾率有影響，但蜜蜂不能僅根據(jù)它們的口味來區(qū)分這些混合物。
 
結(jié)論
本研究發(fā)現(xiàn)了第三個GRN，它對果糖、蔗糖和麥芽糖濃度較高的刺激有反應(yīng)。不可代謝或有毒的糖抑制了GRN對蔗糖的反應(yīng)。這些對糖值信息進(jìn)行識別的能力是大黃蜂的一種適應(yīng)能力，能夠幫助計算花蜜的性質(zhì)和營養(yǎng)價值。
 
參考文獻(xiàn)
Parkinson, Rachel H., et al. "Temporal responses of bumblebee gustatory neurons to sugars." Iscience 25.7 (2022): 104499.