科學(xué)家通過改造酵母，使其能夠產(chǎn)生花粉中常見的六種必需甾醇，創(chuàng)造了一種突破性的蜜蜂“超級(jí)食品”。與食用標(biāo)準(zhǔn)飼料的蜂群相比，食用這種實(shí)驗(yàn)室自制飼料的蜂群幼蜂數(shù)量最多可增加15倍，其營(yíng)養(yǎng)成分幾乎與自然采食的飼料相同，因此茁壯成長(zhǎng)。在傳粉昆蟲種群數(shù)量銳減、威脅全球糧食安全的當(dāng)下，這一突破為恢復(fù)蜜蜂健康提供了一種可持續(xù)的方法。

工蜂在牛津蜜蜂實(shí)驗(yàn)室進(jìn)食。圖片來源：Caroline Wood

由牛津大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與英國(guó)皇家植物園邱園、格林威治大學(xué)和丹麥技術(shù)大學(xué)合作，開發(fā)出一種有望解決蜜蜂數(shù)量驚人下降問題的方法。他們的研究重點(diǎn)是一種特殊設(shè)計(jì)的膳食補(bǔ)充劑，可以復(fù)制通常從植物花粉中獲得的重要化合物。經(jīng)測(cè)試，這種補(bǔ)充劑能夠顯著促進(jìn)蜂群繁殖。該研究結(jié)果于8月20日發(fā)表在《自然》雜志上。

養(yǎng)蜂人丹·埃瑟里奇（Dan Etheridge）與蜂框。圖片來源：卡羅琳·伍德（Caroline Wood）。

蜜蜂的生存困境部分源于氣候變化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)踐，它們賴以生存的花卉種類減少?；ǚ凼敲鄯涫澄锏闹饕獊碓?，其中含有被稱為固醇的脂質(zhì)，而固醇對(duì)蜜蜂的健康生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。隨著天然花粉供應(yīng)日益稀缺，養(yǎng)蜂人開始轉(zhuǎn)向人工替代品。這些產(chǎn)品通常由蛋白粉、糖和油制成，可以提供熱量，但不含蜜蜂所需的固醇，導(dǎo)致它們營(yíng)養(yǎng)不良。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們對(duì)酵母耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）進(jìn)行了基因改造，使其能夠精確地合成六種對(duì)蜜蜂健康至關(guān)重要的固醇混合物。隨后，他們將酵母添加到實(shí)驗(yàn)性飼料中，并在為期三個(gè)月的受控喂養(yǎng)試驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。這些蜂群被飼養(yǎng)在封閉的溫室中，以確保蜜蜂只食用特制的飼料。

牛津蜜蜂實(shí)驗(yàn)室，籠養(yǎng)蜜蜂。圖片來源：Caroline Wood。

到研究結(jié)束時(shí)，與飼喂對(duì)照飲食的菌落相比，飼喂富含甾醇的酵母的菌落所養(yǎng)育的幼蟲至可存活蛹期的數(shù)量增加了 15 倍。

喂食強(qiáng)化飲食的蜂群更有可能在三個(gè)月期末繼續(xù)養(yǎng)育幼蟲，而喂食缺乏固醇飲食的蜂群則會(huì)在 90 天后停止養(yǎng)育幼蟲。

值得注意的是，喂養(yǎng)工程酵母的蜂群中幼蟲的甾醇譜與自然覓食蜂群中的甾醇譜相匹配，這表明蜜蜂選擇性地僅將最重要的生物學(xué)甾醇轉(zhuǎn)移到幼蟲身上。

資深作者、牛津大學(xué)生物系教授杰拉爾丁·賴特表示：“我們的研究展示了如何利用合成生物學(xué)來解決現(xiàn)實(shí)世界的生態(tài)挑戰(zhàn)。蜜蜂使用的大多數(shù)花粉固醇在自然界中無法獲得足夠數(shù)量的商業(yè)化收獲，因此，我們無法創(chuàng)造出一種營(yíng)養(yǎng)全面的花粉替代品?！?/p>

主要作者埃莉諾·摩爾博士（研究期間就職于牛津大學(xué)生物系，現(xiàn)就職于代爾夫特理工大學(xué)）補(bǔ)充道：“對(duì)蜜蜂而言，富含甾醇的飲食與傳統(tǒng)蜜蜂飼料之間的差異，就如同人類攝入均衡、營(yíng)養(yǎng)全面的膳食與攝入缺乏必需脂肪酸等必需營(yíng)養(yǎng)素的膳食之間的差異一樣。通過精準(zhǔn)發(fā)酵，我們現(xiàn)在能夠?yàn)槊鄯涮峁┰诜肿铀缴蠣I(yíng)養(yǎng)全面的定制飼料?！?/p>

牛津蜜蜂實(shí)驗(yàn)室的詹妮弗·切內(nèi)爾斯（Jennifer Chennells）正在稱量蜜蜂食物選擇管。圖片來源：卡羅琳·伍德（Caroline Wood）

在開展這項(xiàng)研究之前，人們尚不清楚花粉中哪些甾醇對(duì)蜜蜂的健康至關(guān)重要。為了解答這個(gè)問題，研究人員對(duì)從蛹和成年蜜蜂身上采集的組織樣本中的甾醇成分進(jìn)行了化學(xué)評(píng)估。這需要一些極其精細(xì)的工作；例如，需要解剖單個(gè)工蜂以分離其腸道。分析確定了六種在蜜蜂組織中始終占主要成分的甾醇化合物：24-亞甲基膽固醇、菜油甾醇、異巖藻甾醇、β-谷甾醇、膽固醇和去甲甾醇。

研究人員隨后利用 CRISPR-Cas9 基因編輯技術(shù)，對(duì)酵母菌解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)進(jìn)行了基因改造，使其能夠以可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)這些固醇。之所以選擇解脂耶氏酵母，是因?yàn)檫@種酵母脂質(zhì)含量高，已被證實(shí)具有食品安全性，并且已經(jīng)用于補(bǔ)充水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料。為了生產(chǎn)富含固醇的補(bǔ)充劑，研究人員在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)了經(jīng)過基因改造的酵母生物質(zhì)，然后收獲，干燥成粉末。

合著者伊琳娜·博羅迪納教授（丹麥技術(shù)大學(xué)NNF生物可持續(xù)性中心）表示：“我們選擇產(chǎn)油酵母解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）作為細(xì)胞工廠，是因?yàn)樗浅Ｉ瞄L(zhǎng)生產(chǎn)乙酰輔酶A衍生的化合物，例如脂質(zhì)和固醇，而且這種酵母安全且易于規(guī)?；a(chǎn)。它在工業(yè)上用于生產(chǎn)酶、ω-3脂肪酸、作為無熱量甜味劑的甜菊糖苷、用于害蟲防治的信息素以及其他產(chǎn)品。”

牛津蜜蜂實(shí)驗(yàn)室的蜂箱之一。圖片來源：Caroline Wood

蜜蜂等傳粉昆蟲為全球主要農(nóng)作物的產(chǎn)量貢獻(xiàn)了70%以上。由于營(yíng)養(yǎng)缺乏、氣候變化、螨蟲侵?jǐn)_、病毒性疾病和農(nóng)藥暴露等因素的共同作用，蜜蜂數(shù)量嚴(yán)重下降，對(duì)糧食安全和生物多樣性構(gòu)成了重大威脅。例如，在過去十年中，美國(guó)商業(yè)蜜蜂群體的年度損失通常在40%至50%之間，到2025年可能會(huì)達(dá)到60%至70%。這種新型人工補(bǔ)充劑提供了一種增強(qiáng)蜂群恢復(fù)力的實(shí)用方法，且不會(huì)進(jìn)一步消耗天然花卉資源。由于酵母生物質(zhì)還含有有益的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，因此它有可能被開發(fā)成一種綜合性的蜜蜂飼料。

共同作者菲爾·史蒂文森教授（皇家植物園邱園和格林威治大學(xué)自然資源研究所）補(bǔ)充道：“蜜蜂是杏仁、蘋果和櫻桃等作物生產(chǎn)中至關(guān)重要的傳粉媒介，因此在某些作物種植區(qū)，蜜蜂數(shù)量眾多，這可能會(huì)給有限的野花資源帶來壓力。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的補(bǔ)充劑可以減少對(duì)有限花粉供應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)，從而使野生蜜蜂物種受益?！?/p>

丹妮爾·唐尼（Danielle Downey，非營(yíng)利性蜜蜂研究項(xiàng)目 Apis m.的執(zhí)行董事，未參與本研究）表示：“我們依靠蜜蜂為三分之一的食物授粉，然而蜜蜂面臨著諸多壓力。良好的營(yíng)養(yǎng)是提高它們抵御這些威脅能力的一種方法，在蜜蜂天然飼料日益減少的地區(qū)，更全面的膳食補(bǔ)充劑或許能帶來改變。這項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)，在飼料補(bǔ)充劑中添加關(guān)鍵植物營(yíng)養(yǎng)素，能夠持續(xù)維持蜜蜂幼蟲的育雛，這具有巨大的潛力，可以改善蜂群的生存狀況，進(jìn)而改善我們賴以生存的養(yǎng)蜂業(yè)。”

雖然這些初步結(jié)果令人鼓舞，但仍需進(jìn)一步進(jìn)行大規(guī)模田間試驗(yàn)，以評(píng)估其對(duì)蜂群健康和授粉效率的長(zhǎng)期影響。該補(bǔ)充劑有望在兩年內(nèi)向農(nóng)民提供。

這項(xiàng)新技術(shù)還可用于開發(fā)其他傳粉昆蟲或養(yǎng)殖昆蟲的膳食補(bǔ)充劑，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)開辟新的途徑。

編譯自/scitechdaily