Autor: Jonathan W. Nieve
¿Cómo digieren el polen las abejas?
El polen proporciona nutrientes vitales a muchos animales, incluidas las abejas (Wright et al., 2018) y otras especies de abejas (Leach y Drummond, 2018). El polen es rico en proteínas, aminoácidos libres, lípidos, vitaminas y elementos inorgánicos, todos los cuales son mucho más bajos en el néctar, la otra fuente de alimento de la abeja (Brodschneider y Crailsheim 2010; Nicolson 2011). Los granos de polen contienen solo unas pocas células que están protegidas por una capa interna (el endotelio) y una capa externa muy resistente (la piel externa). Estos granos se deshidratan, pierden su actividad metabólica durante la dispersión y se sabe que son casi indestructibles (Borg y Twell 2013). Entonces, cómo los animales que comen polen o los polífagos digieren el polen ha sido un misterio de larga data. Antes de entrar en la digestión del polen, repasemos la biología del polen. Las abejas polinizan las flores y transfieren el polen de una flor a otra (Figura 1). Para fertilizar una nueva flor, los granos de polen producidos por las anteras/estambres de las flores masculinas primero deben interactuar con estigmas compatibles en las flores femeninas. Los granos de polen luego comienzan un proceso llamado germinación, que conduce a la formación de estructuras llamadas tubos polínicos, que crecen a lo largo del estilo, descendiendo desde el estigma de la flor femenina. Después de llegar al óvulo (el sitio de puesta de huevos de la flor femenina), el tubo polínico se rompe, lo que permite que los gametos masculino y femenino se combinen, lo que completa el proceso de fertilización, que completa la polinización (Borg y Twell 2013).
Figura 1
(A) Trébol blanco de trabajo forrajero (Trifolium repens).
(B) Forgaers en trampas de polen montadas en el frente disecadas con carga de polen visible.
(C) Partículas de polen recolectadas de los sáculos de los recolectores que regresan a la colonia.
Actualmente, se piensa que la digestión del polen involucra uno o varios de los siguientes mecanismos: inducción de la germinación parcial (falsa germinación), ruptura mecánica de la pared del polen, descomposición enzimática y choque osmótico (Roulston y Cane 2000). En las abejas melíferas, incluidas las abejas melíferas, la germinación fantasma y el choque osmótico son las vías más probables de digestión del polen (revisado en (Peng y Dobson 1997; McKinstry et al. 2020)). El choque osmótico ocurre cuando los cambios en la presión osmótica en diferentes áreas del tracto digestivo hacen que los granos de polen revienten a medida que se propagan. La mayoría de los estudios sobre el tracto digestivo de las abejas muestran que el contenido de polen se libera lentamente a medida que se esparce el grano. Por lo tanto, aunque los cambios de presión osmótica pueden afectar la liberación, la ruptura violenta contradice la fuga gradual del contenido de polen. Por ejemplo, Peng y colegas (1986) encontraron que el polen de alfalfa no se rompió inmediatamente después de la transición del buche (también conocido como intestino anterior, similar al estómago) al intestino medio, aunque la transición involucró cambios significativos en el intestino medio. Infiltrarse en el entorno. En cambio, observaron cambios lentos en los granos de polen, incluida una expansión lenta alrededor del orificio de germinación donde aparecerían los tubos polínicos, seguido de la liberación de material interno (Peng et al. 1986) (imagen de granos de polen en un resumen de abejas) Ver figura 2 ). Los autores sugieren que estos cambios son más consistentes con el patrón de pseudogerminación de la digestión, que ocurre cuando los granos de polen comienzan pero no completan la secuencia de germinación. Proponen una germinación falsa en lugar de una germinación completa porque se sabe desde mediados del siglo XX que el polen recolectado por las abejas reduce la capacidad de polinización de las flores femeninas, en parte debido a la pérdida del potencial de germinación. Uno de los primeros informes sobre el tema sugería que este potencial se perdía después de unas pocas horas (Singh y Boynton 1949). Esto tiene implicaciones interesantes para la polinización mediada por abejas, ya que sugiere que el polen recolectado por las abejas puede ser beneficioso para la polinización cuando están en la naturaleza, pero que las abejas pueden alterar el polen para reducir su eficiencia de polinización mientras aumentan su eficiencia de polinización. capacidad de almacenamiento. Para que la falsa germinación sea un posible mecanismo digestivo, los granos de polen deben conservar al menos la capacidad de iniciar el proceso de germinación. El estudio de Singh y Boynton (y otros similares) demostró la pérdida del potencial de germinación al medir la formación del tubo polínico o el potencial de fertilización, los cuales son eventos posteriores en el proceso de germinación. Durante la germinación, los granos de polen pasan por muchos eventos bioquímicos tempranos, como la formación de tubos polínicos, antes de que se observen cambios morfológicos significativos. El mecanismo de pseudogerminación de la digestión requiere que ciertos aspectos de la germinación, como la actividad metabólica, permanezcan intactos a pesar de la pérdida de la capacidad para completar el proceso. Sin embargo, estos eventos son difíciles de medir, lo que lleva a lagunas en la evidencia que respalda la germinación como mecanismo de digestión del polen.
Figura 2
Secciones de tejido del intestino medio de abeja teñidas con hematoxilina y eosina que muestran diferentes etapas de la digestión del polen en la luz. Las células y la quitina del revestimiento del tracto digestivo están en la parte superior.
El nuevo método proporciona evidencia de que el polen recolectado por las abejas conserva la capacidad de «activarse» incluso si no germina completamente.
Afortunadamente, los avances recientes en nuestra comprensión de los pasos celulares y moleculares involucrados en las primeras etapas del proceso de germinación pueden proporcionar nuevas formas de demostrar la capacidad de germinación de las fracciones de polen recolectadas por las abejas. Por ejemplo, se ha demostrado que la germinación del polen da como resultado una «ola» temprana de especies reactivas de oxígeno (ROS), un subproducto común de la actividad metabólica que también es importante para la función del polen (revisado en (McInnis et al. 2006)). En un estudio reciente de mi laboratorio, proponemos que las ráfagas de ROS en el polen recolectado por las abejas pueden proporcionar evidencia adicional de la actividad metabólica y los mecanismos de pseudogerminación subyacentes que se conservan durante la digestión del polen de abeja. Utilizamos una serie de técnicas de microscopía y análisis bioquímicos para demostrar que la cantidad de polen recolectado por las abejas recolectoras puede producir ROS (McKinstry et al., 2020). Primero recolectamos partículas de polen de canastas de polen (corbiculae) o trampas de polen en las patas traseras de las recolectoras que regresaban a la colonia (Fig. 1). Luego los rehidratamos para permitir la germinación y encontramos una señal robusta de ROS en los granos de polen mediante dos ensayos bioquímicos que detectan dos formas diferentes de ROS, peróxido de hidrógeno (H2O2) o anión superóxido. En la Figura 3, mostramos los resultados de un ensayo para detectar peróxido de hidrógeno en cargas de polen, que luego identificamos como de trébol blanco (Trifolium repens) mediante secuenciación de ADN. En el caso del ensayo de peróxido de hidrógeno, mostramos además que la señal puede eliminarse mediante varios tratamientos. Por ejemplo, el tratamiento térmico del polen reduce la cantidad de ROS producida, lo que sugiere que la señal depende de enzimas activas en el polen vivo. Manipulaciones experimentales adicionales se describen en detalle por McKinstry et al. (2020). Usando tintes fluorescentes que pueden visualizar varios tipos de ROS, también mostramos que la señal se localiza en los granos de polen. Estos ensayos demuestran que el polen recolectado de las conchas de escamas de abeja tiene la capacidad de generar ROS tras la rehidratación.
Figura 3 (A) Resultados del ensayo Amplex Red que muestran la cantidad de peróxido de hidrógeno producido por el polen de trébol blanco después de la rehidratación. Datos que muestran la producción de μM H2O2 por minuto expresada como media ± error estándar de la media**p<0,01 (B) Esquema que muestra cómo varias condiciones inhiben la producción de ROS durante la germinación (para obtener más detalles, consulte (McKinstry et al. 2020)).
Era importante demostrar que los granos de polen pueden generar especies reactivas de oxígeno dentro del tracto digestivo de las abejas, donde debe ocurrir una pseudogerminación para participar en la digestión. Recolectamos recolectores de grupos, diseccionamos sus tractos digestivos y extrajimos el bolo alimenticio, un saco recubierto de quitina que contiene polen de consumo. Usando estas políticas alimentarias y un método bioquímico para detectar peróxido de hidrógeno, encontramos una fuerte señal de ROS en el tracto digestivo de abejas individuales. Luego, usando tintes que permiten la visualización de ROS, nuevamente observamos que la señal a menudo está presente en estructuras que parecen ser granos de polen (Fig. 4, p. 71). Finalmente, alimentamos con jarabe de sacarosa solo o jarabe de sacarosa con polen fresco durante 1 hora a las abejas que habían estado privadas de polen durante 24 horas. Observamos un aumento en los niveles de ROS (y un mayor número de polen) en las abejas alimentadas con jarabe de sacarosa con polen en comparación con las abejas que recibieron solo jarabe de sacarosa durante el mismo período. Estos resultados respaldan la idea de que el polen también puede generar especies reactivas de oxígeno en el tracto digestivo de las abejas durante la digestión.
Conclusión y direcciones futuras
La mayor parte de la investigación sobre el potencial de germinación poscosecha se ha centrado en la formación del tubo polínico o el potencial de fertilización (Roulston y Cane 2000). Dado que estos son eventos tardíos en el proceso de germinación, buscamos centrarnos en la actividad metabólica asociada con el proceso de germinación temprano para respaldar el método de pseudogerminación de las abejas que digieren el polen. Nuestros resultados son consistentes con estudios anteriores que muestran que el polen recolectado por las abejas aumenta significativamente el consumo de oxígeno después de la rehidratación (Keularts y Linskens 1968; Verhoef y Hoekstra 2012), lo que respalda la actividad metabólica preservada a pesar de que no se forma el tubo polínico. Nuestra investigación deja muchas preguntas importantes sin respuesta. Observamos que los niveles de ROS producidos por el polen de diferentes especies de plantas variaban ampliamente, incluso en el polen de la misma especie. Comprender cómo las limitaciones experimentales y las diferencias en la biología de las diferentes especies de plantas pueden contribuir a esta variabilidad es importante para desentrañar esto. Además, las ROS derivadas del polen que observamos pueden tener un impacto en la biología del tracto digestivo de las abejas melíferas al afectar la salud del intestino medio o el microbioma que contiene.
A pesar de estos problemas, la evidencia de la actividad metabólica retenida en nuestro estudio brinda apoyo adicional para los mecanismos de digestión del polen, incluida la germinación fantasma en las abejas, y apunta a nuevas formas de comprender mejor la digestión del polen en esta especie y otros insectos polífagos. Todavía se necesita más investigación para determinar si se requiere la pseudogerminación para la digestión del polen y si el choque osmótico juega un papel en este proceso, lo que tiene implicaciones importantes para comprender la nutrición de las abejas.
Figura 4
Se diseccionaron bolos de comida de abejas recolectoras y se detectó la presencia de ROS usando un tinte fluorescente (CM-H2DCF).La imagen de la izquierda es una imagen de campo claro, la imagen de la derecha es
Imágenes de fluorescencia del mismo bolo con y sin colorante.fluorescencia verde
Indicó que la presencia de ROS estaba relacionada con los granos de polen.
