Association of Nosema ceranae Infection with Honey Bee (Apis meillfera) Exposome Profiles and Affected Biological Pathways

Význam tématu

Pokles populací medonosné včely (Apis mellifera) pod vlivem environmentálních stresorů představuje závažný problém pro zemědělství a biodiverzitu. Studium exposomu, tedy souhrnu vnějších a vnitřních chemických expozic a jejich dopadu na biologické dráhy, umožňuje pochopit nongenetické příčiny onemocnění a kolapsu úlů.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo zjistit, zda infekce parazitem Nosema ceranae souvisí se změnami v exposomových profilech včel a narušením metabolických drah. Studie zahrnovala sběr vzorků pro semikvantitativní PCR (sq-PCR) detekci N. ceranae a nestrategické (discovery-based) zkoumání chemického profilu pomocí GC/Q-TOF.

Použitá instrumentace

• Agilent 7890B GC spojený s Agilent 7200B GC/Q-TOF (EI, vysoké rozlišení TOF)
• Semi-quantitativní PCR a elektroforéza (3% agarózový gel, Agilent 2100 Bioanalyzer)
• Software Agilent MassProfiler Professional a Pathway Architect

Použitá metodika

• Sběr 60–100 včel z 30 nekomerčních úlů ve východní Pensylvánii, zamražení při –80 °C.
• Extrahování chemických sloučenin modifikovanou metodou QuEChERS (acetonitril/voda/kyselina octová), čištění PSA, C a MgSO4.
• Analýza koncentrátů GC-TOF, dekonstruktivní dekonvoluce dat MassHunter, zpracování v MassProfiler Professional.
• Semi-quantitativní PCR s detekcí N. ceranae pomocí RpS5 referenčního genu a vizualizace v ImageJ.
• Statistické testy: ANOVA (p<0,05), filtrace podle přítomnosti a četnosti, identifikace 20 významných chemických entit.
• Biologická dráhová analýza pomocí KEGG a Pathway Architect.

Hlavní výsledky a diskuse

• Vzorky s vysokou zátěží N. ceranae vykazovaly zvýšené hladiny β- a γ-tokoferolu oproti zdravým úlům.
• Signifikantní zvýšení niacinamidu a oxalové kyseliny ve včelstvech s horším zdravotním stavem.
• Další významné entity: 1-methyl-1H-imidazol, 1-tridecyn-4-ol, 5-hydroxy-4',7-dimethoxyflavinon, tris(2,4-di-tert-butylfenyl)fosfát.
• Chemické markery souvisejí s drahami: fenylalanin, kofein, syntéza mastných kyselin, nicotinamid a terpenoidní metabo­lismus.

Přínosy a praktické využití metody

Integrovaný přístup exposomiky a genového profilu parazitární infekce poskytuje silný více-omický rámec pro objevné studie. Umožňuje identifikovat potenciální chemické biomarkery a narušené dráhy, což může vést k cíleným intervencím ve včelařství a zlepšení kvality QA/QC v průmyslové analytice.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření longitudinálních studií a větších souborů vzorků pro validaci markerů.
• Propojení exposomických dat s dalšími omickými technologiemi (proteomika, metabolomika).
• Vývoj rychlých testů založených na detekovaných chemických znacích pro monitorování zdraví úlů.
• Využití pokročilých bioinformatických nástrojů a strojového učení pro predikci rizik kolapsu úlů.

Závěr

Studie demonstrovala, že infekce Nosema ceranae je spojena s konkrétními změnami exposomu medonosných včel a dysregulací biologických drah. Integrovaný multiómický přístup otevírá nové možnosti pro výzkum příčin a prevence kolapsu včelstev.

Reference

1. Hamiduzzaman M.M., Guzman-Novoa E., Goodwin P.H. A multiplex PCR assay to diagnose and quantify Nosema infections in honey bees (Apis mellifera). J. Invertebr. Pathol. 2010, 105, 151-155.
2. Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K.W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods 2012, 9, 7, 671-675.
3. NIST Standard Reference Database 1A. National Institute of Standards and Technology. 2011.
4. Kanehisa M. et al. KEGG: new perspectives on genomes, pathways, diseases and drugs. Nucleic Acids Res. 2016, 44, D457-D462.
5. Kanehisa M., Goto S. KEGG: kyoto encyclopedia of genes and genomes. Nucleic Acids Res. 2000, 28, 27-30.