大黄蜂味觉神经元对糖的反应

许多蜜蜂物种收集蜜露作为碳水化合物食物来源，味觉可以帮助识别有价值的营养物质并避免潜在的毒素。此前发现，大黄蜂有一种特殊的感知糖的机制，通过这种机制，蜜蜂口器的味觉感受器中的两个味觉感受神经元（GRN）呈现出峰值。在此，我们进行了一系列实验，以研究与大黄蜂相关糖的味觉系统敏感性测试。

本研究使用Capillary taste试验来测量自由移动的大黄蜂摄食行为，并通过诺达思的行为观察记录分析系统（The Observer XT）对视频相关数据进行评分。行为观察记录分析系统可以编码和观察各种行为，也可以整合其他数据并进行分析。行为编码方案设计可以帮助详细编码行为，为您的研究提供有力的支持。

糖引起味觉感受器四个神经元中三个的反应

大黄蜂有一种专属的机制来感知花蜜中的蔗糖；蔗糖引发两个GRN（GRN1、GRN2）的活性峰值模式，这两个GRN通过间隙连接进行通信；这与果蝇（Drosophila）中描述的味觉编码策略形成对比，其中蔗糖在每个感受器中的单个GRN中引发阶段性活性。来自外周神经元的时间编码传递了包括嗅觉在内的其他感官刺激的重要定性信息。因此，我们测试了蜜蜂味觉神经元中是否发生了变化。我们用口服花蜜和蚜虫蜜中发现的七种糖（果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、松三糖、海藻糖、山梨醇）刺激大黄蜂A型感受器。我们还测试了蜜蜂较不常见的四种糖（山梨糖、木糖、乳糖、甘露糖）。糖引发了不同范围的GRN反应（图1A）。

除乳糖、木糖和甘露糖外，每种测试糖的GRN峰值均随浓度而增加（图1B）。我们在每个感受器中检测到第三个糖敏感GRN。蔗糖、麦芽糖和芥子糖在低阈值浓度（10mM）下激活GRN1和GRN2，而果糖在R100mM时引发GRN1-3的最高释放率（图1D-1G）。另一组糖（葡萄糖、山梨醇和山梨糖）激活GRN1，但需要100 mM的糖浓度来激活GRN2（例如，葡萄糖，1000 mM，图1D-1F）。GRN3的释放速率很低：在最高浓度下，GRN3释放速率为2–6峰值/秒，而GRN1释放速率为25–75峰值/秒和GRN2释放速率为4–20峰值/秒（图1D–1F）。GRN3对果糖的反应率很低，但对蔗糖、麦芽糖和葡萄糖的反应也很少（图1G和S1）。与水相比，没有一个GRN对乳糖、木糖或甘露糖的反应显著激活。

图1

糖的营养价值预测适口性

味觉指示进食行为。我们使用2分钟的喂养试验来评估糖对喂养结构的影响。在100 mM时，蜜蜂摄入的大量糖只有果糖、蔗糖、麦芽糖和松三糖；然而，蜜蜂与蔗糖和麦芽糖溶液的接触时间明显长于水（图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（图2B）。他们还花了更多的时间接触溶液，并且第一次接触糖的时间更长，这导致GRN中的峰值率最高。当大黄蜂口器上的感受器受到刺激时，蜜蜂会反射性地延长口器以进食。除了山梨醇，所有引起GRN峰值的500/1000 mM糖刺激（图1）也会引起口器延长（图2C）。

蜜蜂是否以溶液为食可能与糖的代谢或营养价值有关。我们用每种糖的500/1000mM溶液喂养蜜蜂，并测量了它们10天的寿命。至少60%-80%的用果糖、蔗糖、松三糖或山梨醇喂养的蜜蜂存活了10天，而近90%的用麦芽糖喂养的蜜蜂活了下来（图2D）。出乎意料的是，在10天的时间里，只有50%的喂食葡萄糖或海藻糖的蜜蜂存活了下来。相反，大多数喂食山梨糖、乳糖、木糖或甘露糖的蜜蜂在实验开始后3天内死亡（图2D）。这些蜜蜂没有消耗太多的溶液，死于饥饿或中毒（图2E）。

图2

非营养糖降低GRN对蔗糖的反应

在之前的实验中，我们测试的糖引发了不同范围的GRN反应，还有一些糖没有激活任何GRNs。为了测试GRN 1–3中诱发的活动是否与糖的营养价值或毒性有关，我们用山梨糖、木糖、乳糖或甘露糖等与蔗糖的混合物喂养蜜蜂。木糖具有一定的营养价值，因为用混合木糖的蔗糖喂养的蜜蜂比单独用蔗糖喂养的寿命更长。山梨糖没有提供额外的营养价值，也没有毒性。然而，用含有甘露糖和乳糖的蔗糖喂养的蜜蜂死亡速度更快，表明这些糖是有毒的（图3A）。在2分钟的喂食试验中，蔗糖中添加甘露糖、乳糖和木糖不会显著改变蜜蜂消耗的食物量（图3B）。然而，在24小时内喂食含甘露糖的蔗糖的蜜蜂消耗的总体积小于喂食其他糖混合物的蜜蜂消耗总量的30%（图3C），表明甘露糖毒性的正反馈抑制了摄入。

图3

与山梨糖不同，甘露糖、木糖和乳糖不会引起进食或峰值，但在糖溶液中仍可检测到。为了测试这一点，我们用蔗糖和每种糖的混合物刺激感受器。作为对照，我们还测试了果糖-蔗糖混合物。甘露糖、乳糖和木糖的添加降低了GRN1和GRN2对蔗糖的转化率。山梨糖降低GRN1转化率，但不降低GRN2转化率。相反，果糖的添加增加了GRN1和GRN2的转化率（图3D）。尽管蔗糖中添加糖会影响GRN1和GRN2的平均激活率，但这些GRN的激活模式在刺激物中相似（图3E和S4）。目前测试无法区分感受器对各种糖混合物的反应（图3F和S4）。尽管混合物对绝对GRN过滤率有影响，但蜜蜂不能仅根据它们的口味来区分这些混合物。

结论

本研究发现了第三个GRN，它对果糖、蔗糖和麦芽糖浓度较高的刺激有反应。不可代谢或有毒的糖抑制了GRN对蔗糖的反应。这些对糖值信息进行识别的能力是大黄蜂的一种适应能力，能够帮助计算花蜜的性质和营养价值。

参考文献

Parkinson, Rachel H., et al. "Temporal responses of bumblebee gustatory neurons to sugars." Iscience 25.7 (2022): 104499.

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