An in vivo study of Gilliamella apicola as a potential vector for tetracycline resistance gene transfer in midgut and hindgut of Apis mellifera

Abstract

Honey bees, along with other wild type bees such as bumble bees, are the world’s most important pollinators. Their existence provide humans and animals important food supply, and also contribute to maintenance of the ecological biodiversity. By their pollination services they cover large spatial areas and their high interaction with the environments lead to spread of bacteria, thus also, presumably gene fragments, between them and the environment. The merging spread of antibiotic resistance is of major concern, and the environment play an important role, were spread of such genes, are being exchanged and transferred between and within different habitats. The role insects play in such spread of resistance is not well studied, and this thesis direct focus on potential role of the commensal bacteria Gilliamella apicola in the gastro intestinal tract of the honey bee Apis mellifera, as vectors for transfer of the antibiotic resistance gene tetB. In addition we aimed to look at bacterial compositions of the honey bee gut, after exposure to the broad-spectrum antibiotic tetracycline, and compare the microbiota of the two different gut compartments midgut and hindgut. By in vivo study, using 1080 caged honeybees, feeding trials were performed, by providing the honeybees sugar solutions with supplements in the form of tetracycline, and/or bacterial cultures of G. apicola. Methods used in the study involved both qualitative and quantitative PCR, 16S rRNA metagenome sequencing, and Sanger sequencing. A total of 267 midgut and 267 hindgut samples were analyzed. Our findings show high prevalence of tetB in Norwegian honeybees, with presence of the gene in 44% of the honeybees. No effects on abundance of the gene was observed with treatment with tetracycline, however a significant effect of treatment with G. apicola, and presence of the gene was observed, although evidence for gene transfer could not be confirmed. Bacterial composition comparison showed an increased abundance of Lactobacillus spp., associated to tetracycline treatment. In addition, differences in bacterial compositions in the midgut and hindguts were observed, where midgut microbiota showed to harbor a more unstable microbiota, compared to hindgut microbiota. Big differences were also observed in the midgut microbiota of bees from the colony versus caged bees.

Honningbier, sammen med andre villtype bier som humler, er verdens viktigste pollinatorer. Deres eksistens gir mennesker og dyr viktig matforsyning, og de bidrar også til vedlikehold av økologisk biologisk mangfold. Med deres pollineringstjenester, dekker de store områder og ved å interagere med omgivelsene i stor grad, bidrar de muligens til spredning av bakterier, derav også trolig gen-fragmenter, mellom dem og miljøet. Den økende forekomsten av spredning av antibiotika resistens er av stor bekymring, og miljøet spiller trolig en viktig rolle i forbindelse med slik spredning. Hvilken rolle insekter spiller i spredning av resistens er ikke kjent, og denne oppgaven retter fokus mot Gilliamella apicola, en tarmbakterie funnet i honningbien Apis mellifera, som potensiell vektor i forbindelse med overføring av antibiotika resistensgenet tetB. I tillegg var det ønskelig å undersøke bakterie komposisjonen i tarmen hos bie, etter eksponering for det bredspektrede antibiotikumet tetrasyklin, samt sammenligne bakterieflora i midtmage og endetarm. I et in vivo forsøk, med 1080 honningbier i bur, ble det utført fôringsforsøk ved å gi sukkerløsninger med supplementer i form av tetrasyklin, og/eller bakteriekulturer med G. apicola. Metoder som ble brukt i forbindelse med studien involverte både kvalitativ og kvantitativ PCR, 16S rRNA metagenomsekvensering, og Sanger-sekvensering. Totalt ble 267 midtmage og 267 endetarms prøver analysert. Våre funn viser høy forekomst av tetB i norske honningbier, med tilstedeværelse av genet i 44% av biene. Behandling med tetrasyklin ga ingen effekt på antall bier positive for tetB, men derimot ble det observert effekt av behandling med G. apicola, selv om det ikke ble funnet noen bevis for genoverføring. Ved behandling med tetrasyklin, økte mengden av arter tilhørende Lactobacillus. I tillegg ble det observer forskjeller i bakteriesammensetninger i midtmage og endetarm, hvor mikrobiotaen i midtmage viste seg å være mer ustabil, enn mikrobiota i endetarm. Det ble også observert store forskjeller I midtmage mikrobiota mellom bier i kube og bier i bur.