Abstract The composition of the gut microbiota has recently been identified as a cause of cognitive variability in humans and animals. Germ-free individuals and individuals exposed to an antibiotic treatment show severe alteration of their learning and memory performance measured in various cognitive tasks. While different species of bacteria are known to interact in the gut, their cumulative or synergistic effects on cognitive performance remain elusive. Here we established a defined bacterial community - composed of core members of the corbiculate bee microbiota - which enhances honey bees’ cognitive capacities. Honey bees colonized with this reconstituted community discriminated better two odours based on the presence or absence of a sucrose reward compared to germ-free individuals. They also memorized better these odour-food associations in the short-term. These cognitive improvements seem to constitute an emergent property of the community, because they could not be recapitulated by any of the community members when mono-associated in gnotobiotic bees and they were not explained by the total biomass in the gut. The identification of this community and its effect on bees open new avenues of research in neuroscience, microbiology, and ecology. Future research should help understanding how interactions between bacterial species in the community promote the host’s associative learning and memory performance.

Abstract The gut microbiota influences animal neurophysiology and behavior but has not previously been documented to affect emergent group-level behaviors. Here we combine gut microbiota manipulation with automated behavioral tracking of honeybee sub-colonies to show that the microbiota increases the rate and specialization of social interactions. Microbiota colonization was associated with higher abundances of one third of metabolites detected in the brain, including several amino acids, and a subset of these metabolites were significant predictors of social interactions. Colonization also affected brain transcriptional processes related to amino acid metabolism and epigenetic modification in a brain region involved in sensory perception. These results demonstrate that the gut microbiota modulates the emergent colony social network of honeybees, likely via changes in chromatin accessibility and amino acid biosynthesis.

Infected wounds pose a major mortality risk in animals 1,2 . Injuries are common in the ant Megaponera analis , which raids pugnacious prey 3,4 . Here we show that M. analis can determine when wounds are infected and treat them accordingly. By applying a variety of antimicrobial compounds and proteins secreted from the metapleural gland to infected wounds, workers reduce the mortality of infected individuals by 90%. Chemical analyses showed that wound infection is associated with specific changes in the cuticular hydrocarbon profile, thereby likely allowing nestmates to diagnose the infection state of injured individuals and apply the appropriate antimicrobial treatment. This study demonstrates that the targeted use of antimicrobials to treat infected wounds, previously thought to be a uniquely human behavior, has evolved in insect societies as well.

ABSTRACT Gut microbes can impact cognition and behavior, but whether they regulate the division of labor in animal societies is unknown. We addressed this question using honeybees since they exhibit division of labor between nurses and foragers and because their gut microbiota can be manipulated. Using automated behavioral tracking and controlling for co-housing effects, we show that gut microbes influence the age at which bees start expressing foraging-like behaviors in the laboratory but have no effects on the time spent in a foraging arena and number of foraging trips. Moreover, the gut microbiota did not influence hallmarks of behavioral maturation such as body weight, cuticular hydrocarbon profile, hypopharyngeal gland size, gene expression, and the proportion of bees maturing into foragers. Overall, this study shows that the honeybee gut microbiota plays a role in controlling the onset of foraging-related behavior without permanent consequences on colony-level division of labor and several physiological hallmarks of behavioral maturation. IMPORTANCE The honeybee is emerging as a model system for studying gut microbiota-host interactions. Previous studies reported gut microbiota effects on multiple worker bee phenotypes, all of which change during behavioral maturation—the transition from nursing to foraging. We tested whether the documented effects may stem from an effect of the microbiota on behavioral maturation. The gut microbiota only subtly affected maturation: it accelerated the onset of foraging without affecting the overall proportion of foragers or their average output. We also found no effect of the microbiota on host weight, cuticular hydrocarbon (CHC) profile, hypopharyngeal gland size, and the expression of behavioral maturation-related genes. These results are inconsistent with previous studies reporting effects of the gut microbiota on bee weight and CHC profile. Our experiments revealed that co-housed bees tend to converge in behavior and physiology, suggesting that spurious associations may emerge when rearing environments are not replicated sufficiently or accounted for analytically.

Abstract Gut microbes can impact cognition and behavior, but whether they regulate division of labor in animal societies is unknown. We addressed this question using honeybees since they exhibit division of labor between nurses and foragers and because their gut microbiota can be manipulated. Using automated behavioral tracking and controlling for co-housing effects, we show that gut microbes influence the age at which bees start foraging but have no effects on the time spent in a foraging area and number of foraging trips. Moreover, the gut microbiota did not influence hallmarks of behavioral maturation such as body weight, cuticular hydrocarbon (CHC) profile, hypopharyngeal gland size, and the proportion of bees maturing into foragers. Overall, this study shows that the honeybee gut microbiota does not affect division of labor but rather plays an important function in controlling the onset of bee foraging.

The gut of honey bees is colonized by symbiotic bacteria during the first days of adult life, once bees have emerged from their wax cells. Within five days, the gut microbiota becomes remarkably stable and consistent across individual bees. Yet, the modes of acquisition and transmission of the gut microbiota are to be confirmed. Few studies suggested bees could be colonized via contact with fecal matter in the hive and via social interactions. However, the composition of the fecal microbiota is still unknown. It is particularly unclear whether all bacterial species can be found viable in the feces and can therefore be transmitted to newborn nestmates. Using 16s rRNA gene amplicon sequencing we revealed that the composition of the honey bee fecal microbiota is strikingly similar to the microbiota of entire guts. We found that fecal transplantation resulted in gut microbial communities largely similar to those obtained from feeding gut homogenates. Our study shows that fecal sampling and transplantation are viable tools for the longitudinal analysis of bacterial community composition and host-microbe interactions. Our results also imply that contact of young bees with fecal matter in the hive is a plausible route for the acquisition of the core gut microbiota.

It is presently unclear how much individual community members contribute to the overall metabolic output of a gut microbiota. To address this question, we used the honey bee, which harbors a relatively simple and remarkably conserved gut microbiota with striking parallels to the mammalian system and importance for bee health. Using untargeted metabolomics, we profiled metabolic changes in gnotobiotic bees that were colonized with the complete microbiota reconstituted from cultured strains. We then determined the contribution of individual community members in mono-colonized bees, and recapitulated our findings using in vitro cultures. Our results show that the honey bee gut microbiota utilizes a wide range of pollen-derived substrates including flavonoids and outer pollen wall components, suggesting a key role for degradation of recalcitrant secondary plant metabolites and pollen digestion. In turn, multiple species were responsible for the accumulation of organic acids and polyphenol degradation products, and a specific gut symbiont, Bifidobacterium asteroides, stimulated the production of host hormones known to impact bee development. While we found evidence for cross-feeding interactions, ~80% of the identified metabolic changes were also observed in mono-colonized bees with Lactobacilli being responsible for the largest share of the metabolic output. These results suggest that bacteria in the honey bee gut colonize largely independent metabolic niches, which may be a general characteristic of gut microbiomes. Our study reveals diverse metabolic functions of gut bacteria that are likely to contribute to bee health, and provide fundamental insights into how metabolic functions are partitioned within gut communities.

Adult honey bees harbor a specialized gut microbiota of relatively low complexity. While seasonal differences in community composition have been reported, previous studies have focused on compositional changes rather than differences in absolute bacterial loads. Moreover, little is known about the gut microbiota of winter bees, which live much longer than bees during the foraging season, and which are critical for colony survival. We quantified seven core members of the bee gut microbiota in a single colony over two years and characterized the community composition in 14 colonies during summer and winter. Our data shows that total bacterial loads substantially differ between foragers, nurses, and winter bees. Long-lived winter bees had the highest bacterial loads and the lowest community α-diversity, with a characteristic shift towards high levels of Bartonella and Commensalibacter , and a reduction of opportunistic colonizers. Using gnotobiotic bee experiments, we show that diet is a major contributor to the observed differences in bacterial loads. Overall, our study reveals that the gut microbiota of winter bees is remarkably different from foragers and nurses. Considering the importance of winter bees for colony survival, future work should focus on the role of the gut microbiota in winter bee health and disease.