Abstract piRNAs play pivotal roles in suppressing transposons, maintaining genome stability, regulating gene expression, and modulating development and immunity. However, there are few piRNA-associated studies on honey bee, and the regulatory role of piRNAs in the development of bee guts is largely unknown. In this current work, the differential expression pattern of piRNAs during the developmental process of the European honey bee ( Apis mellifera ) was analyzed, and target prediction of differentially expressed piRNAs (DEpiRNAs) was then conducted, followed by investigation of regulatory networks and the potential function of DEpiRNAs in regulating larval gut development. Here, a total of 843 piRNAs were identified in the larval guts of A. mellifera ; among these, 764 piRNAs were shared by 4- (Am4 group), 5- (Am5 group), and 6-day-old (Am6 group) larval guts, while 11, 67, and 1, respectively, were unique. The first base of piRNAs in each group had a cytosine (C) bias. Additionally, 61 up-regulated and 17 down-regulated piR-NAs were identified in the Am4 vs. Am5 comparison group, further targeting 9, 983 genes, which were involved in 50 GO terms and 142 pathways, while two up-regulated and five down-regulated piRNAs were detected in the Am5 vs. Am6 comparison group, further targeting 1, 936 genes, which were engaged in 41 functional terms and 101 pathways. piR-ame-742536 and piR-ame-856650 in the Am4 vs. Am5 comparison group as well as piR-ame-592661 and piR-ame-31653 in the Am5 vs. Am6 comparison group were found to link to the highest number of targets. Further analysis indicated that targets of DEpiRNAs in these two comparison groups were seven development-associated signaling pathways such as Hippo and Notch signaling pathways, seven immune-associated pathways including endocytosis and the Jak/STAT signaling pathway, and three energy metabolism pathways, namely sulfur metabolism, nitrogen metabolism, and oxidative phosphorylation. Moreover, the expression trends of five randomly selected DEpiRNAs were verified based on stem-loop RT-PCR and RT-qPCR. These results were suggestive of the overall alteration of piRNAs during the larval developmental process and demonstrated that DEpiRNAs potentially modulate development-, immune-, and energy metabolism-associated pathways by regulating expression of corresponding genes via target binding, further affecting the development of A. mellifera larval guts. Our data offer novel insights into the development of bee guts and lay a basis for clarifying the developmental mechanism underlying the larval guts of European honey bee.

Abstract Nosema ceranae is a widespread fungal parasite for honey bees, causing bee nosemosis. Based on deep sequencing and bioinformatics, identification of circular RNAs (circRNAs) in Apis cerana cerana workers’ midguts and circRNA-regulated immune response of host to N. ceranae invasion were conducted in this current work, followed by molecular verification of back-splicing sites and expression trends of circRNAs. Here, 10185 and 7405 circRNAs were identified in the midguts of workers at 7 d (AcT1) and 10 d (AcT2) post inoculation (dpi) with N. ceranae . PCR amplification result verified the back-splicing sites in three specific circRNAs (novel_circ_005123, novel_circ_007177, and novel_circ_015140) expressed in N. ceranae -inoculated midgut. In combination with transcriptome data from corresponding un-inoculated midguts (AcCK1 and AcCK2), 2266 circRNAs were found to be shared by the aforementioned four groups, whereas the numbers of specific ones were 2618, 1917, 5691 and 3723 respectively. Further, 83 (52) differentially expressed circRNAs (DEcircRNAs) were identified in AcCK1 vs AcT1 (AcCK2 vs AcT2) comparison group. Source genes of DEcircRNAs in workers’ midgut at 7 dpi were involved in two cellular immune-related pathways such as endocytosis and ubiquitin mediated proteolysis. Additionally, competing endogenous RNA network analysis showed that 23 (13) DEcircRNAs in AcCK1 vs AcT1 (AcCK2 vs AcT2) can target 18 (14) miRNAs and further link to 1111 (1093) mRNAs. These target mRNAs were annotated to six cellular immunity pathways including endocytosis, lysosome, phagosome, ubiquitin mediated proteolysis, metabolism of xenobiotics by cytochrome P450, and insect hormone biosynthesis. Moreover, 284 (164) IRES and 54 (26) ORF were identified from DEcircRNAs in AcCK1 vs AcT1 (AcCK2 vs AcT2) comparison group; additionally, ORFs in DEcircRNAs in midgut at 7 dpi with N. ceranae were associated with several crucial pathways including endocytosis and ubiquitin-mediated proteolysis. Finally, RT-qPCR results showed that the expression trends of six DEcircRNAs were consistent with those in transcriptome data. These results demonstrated that N. ceranae altered the expression pattern of circRNAs in A. c. cerana workers’ midguts, and DEcircRNAs were likely to regulate host cellular and humoral immune response to microsporidian infection. Our findings lay a foundation for clarifying the mechanism underlying host immune response to N. ceranae infection and provide a new insight into interaction between Asian honey bee and microsporidian.

ABSTRACT Ascosphaera apis is a fungal pathogen that exclusively infects bee larvae, causing chalkbrood disease, which results in severe damage for beekeeping industry. Long non-coding RNAs (lncRNAs) are versatile regulators in various biological processes such as immune defense and host-pathogen interaction. However, expression pattern and regulatory role of lncRNAs involved in immune response of bee host to A. apis invasion is still very limited. Here, Apis mellifera ligustica 4-, 5-, and 6-day-old larvae inoculated by A. apis spores (AmT1, AmT2, and AmT3 groups) and corresponding un-inoculated larval guts (AmCK1, AmCK2, and AmCK3 groups) were prepared and subjected to deep sequencing, followed by identification of lncRNAs, analysis of differentially expressed lncRNAs (DElncRNAs), and investigation of DElncRNA-regulated host immune responses. In total, 3 746 A. m. ligustica lncRNAs were identified, including 78 sense lncRNAs, 891 antisense lncRNAs, 1 893 intergenic lncRNAs, 346 bidirectional lncRNAs, and 210 intronic lncRNAs. Compared with corresponding un-inoculated larval guts, 357, 236, and 505 DElncRNAs were discovered in the A. apis -inoculated 4-, 5-, and 6-day-old larval guts. Additionally, there were 32 shared DElncRNAs. In AmCK1 vs AmT1, AmCK2 vs AmT2, and AmCK3 vs AmT3 comparison groups, 217, 129, and 272 DElncRNAs were respectively predicted to regulate neighboring genes via cis -acting manner, and these targets were associated with a series of GO terms and KEGG pathways of great importance, such as response to stimulus and Jak-STAT signal pathway. Moreover, competing endogenous RNA (ceRNA) network analysis indicated that 197, 95, and 356 DElncRNAs in the aforementioned three comparison groups could target 10, eight, and 21 DEmiRNAs and further target 147, 79, and 315 DEmRNAs, forming complex regulatory networks. Further investigation suggested that these targets were relevant to several key cellular and humoral immune pathways, such as phagosome and MAPK signaling pathway. Ultimately, the expression trends of nine randomly selected DElncRNAs were verified by RT-qPCR, indicative of the authenticity and reliability of our transcriptome data. Findings in this current work not only provide candidate DElncRNAs for functional study, but also lay a foundation for unclosing the mechanism underlying DElncRNA-regulated larval immune responses to A. apis infection.

Abstract MiRNAs are critical regulators of numerous physiological and pathological processes. Ascosphaera apis exclusively infects bee larvae and causes chalkbrood disease. However, the function and mechanism of miRNAs in the bee larval response to A. apis infection is poorly understood. Here, ame-miR-34, a previously predicted miRNA involved in the response of Apis mellifera ligustica larvae to A. apis invasion, was subjected to molecular validation, and overexpression and knockdown were then conducted to explore the regulatory functions of ame-miR-34 in larval body weight and immune response. Stem-loop RT–PCR and Sanger sequencing confirmed the authenticity of ame-miR-34 in the larval gut of A. m. ligustica . RT–qPCR results demonstrated that compared with that in the uninfected larval guts, the expression level of ame-miR-34 was significantly downregulated ( P < 0.001) in the guts of A. apis -infected 4-, 5-, and 6-day-old larvae, indicative of the remarkable suppression of host ame-miR-34 due to A. apis infection. In comparison with the corresponding negative control (NC) groups, the expression level of ame-miR-34 in the larval guts in the mimic-miR-34 group was significantly upregulated ( P < 0.001), while that in the inhibi- tor-miR-34 group was significantly downregulated ( P < 0.01). Similarly, effective overexpression and knockdown of ame-miR-34 were achieved. In addition, the body weights of 5- and 6-day-old larvae were significantly increased compared with those in the mimic-NC group; the weights of 5-day-old larvae in the inhibitor-miR-34 group were significantly decreased in comparison with those in the inhibitor-NC group, while the weights of 4- and 6-day-old larvae in the inhibi- tor-miR-34 group were significantly increased, indicating the involvement of ame-miR-34 in modulating larval body weight. Furthermore, the expression levels of both hsp and abct in the guts of A. apis -infected 4-, 5- and 6-day-old larvae were significantly upregulated after ame-miR-34 overexpression. In contrast, after ame-miR-34 knockdown, the expression levels of the aforementioned two key genes in the A. apis -infected 4-, 5- and 6-day-old larval guts were significantly downregu- lated. Together, the results demonstrated that effective overexpression and knockdown of ame-miR-34 in both noninfected and A. apis -infected A. m. ligustica larval guts could be achieved by the feeding method, and ame-miR-34 exerted a regulatory function in the host immune response to A. apis invasion through positive regulation of the expression of hsp and abct . Our findings not only provide a valuable reference for the functional investigation of bee larval miRNAs but also reveal the regulatory role of ame-miR-34 in A. mellifera larval weight and immune response. Additionally, the results of this study may provide a promising molecular target for the treatment of chalkbrood disease.

ABSTRACT Apis cerana cerana , a subspecies of eastern honey, Apis cerana , plays a specific role in beekeeping industry and ecosystem in China and other Asian countries. Larvae of A. c. cerana can be infected by Ascosphaera apis , the fungal pathogen of chalkbrood. In this article, normal 4-, 5-, and 6-day-old larval guts (AcCK1, AcCK2, AcCK3) and A. apis -infected 4-, 5- and 6-day-old larval guts (AcT1, AcT2, AcT3) of A. c. cerana workers were respectively harvested followed by DNA isolation, bisulfite conversion, cDNA library construction and Illumina sequencing. Based on genome-wide bisulfite sequencing, 79167210, 82175052, 79331489, 81051009, 74742842 and 74849091 raw reads were generated from AcCK1, AcCK2, AcCK3, AcT1, AcT2 and AcT3, and after quality control, 73417030 (92.73%), 76660370 (93.27%), 71804727 (90.44%), 75046507 (92.82%), 67487782 (90.30%) and 67367023 (90.04%) clean reads were obtained, respectively. Additionally, 73333333, 76533333, 71466667, 75066667, 67590965 and 67200000 clean reads were mapped to the reference genome of A. cerana , including 54656767, 58583415, 54127407, 57943220, 52547867 and 51295824 unique mapped clean reads, and 8624392, 8789458, 7531333, 7747337, 6249679 and 5394174 multiple mapped clean reads. The genome-wide bisulfite sequencing data reported here can be used for genome-wide identification of 5mC methylation sites in eastern honeybee larval guts and systematic investigation of DNA methylation-mediated host response to A. apis infection. Value of the data The current dataset contributes to genome-wide identification of 5mC methylation sites in normal and A. apis -infected larval guts of eastern honeybee. The reported data could be used for systematic investigation of DNA methylation-mediated response of eastern honeybee larvae to A. apis infection. Our data offers a valuable genetic resource for better understanding epigenetic regulation mechanism involved in eastern honeybee larvae- A. apis interaction.

Abstract Nosema ceranae is an intracellular fungal parasite for honeybees, leading to chronic disease named bee nosemosis with worldwide distribution. Asian honeybee ( Apis cerana ) is the original host for N. ceranae , but the impact of N. ceranae infection on A. cerana physiology is largely unknown. In this current work, workers of Apis cerana cerana , a subspecies of Asian honeybee, were artificially inoculated with N. ceranae spores and reared under lab conditions, followed by detection of fungal spore load as well as host sucrose solution consumption, midgut epithelial cell structure, and lifespan. The result of spore counting suggested that the spore load in the host midgut decreased significantly during 1 dpi-2 dpi, whereas that displayed an elevated trend among 2 dpi-13 dpi. The sucrose solution consumption of workers in N. ceranae -inoculated groups among 1 dpi-20 dpi was always higher than that of workers in un-inoculated groups; additionally, the difference of sucrose solution consumption between these two groups at 4 dpi, 5 dpi, and 13 dpi was of significance. Based on microscopic observation of paraffin sections, darkly stained parasites were clearly detected in the midgut epithelial cells of N. ceranae -inoculated workers at 7 dpi-10 dpi, whereas no parasite was observed in those of un-inoculated workers. In addition, the boundaries of un-inoculated host epithelial cells were intact and the darkly stained nucleus were clear, while the boundaries of midgut epithelial cells of N. ceranae -inoculated workers were blurred, the nucleus were almost disappeared, and the nucleic acid substances were diffused. Moreover, the survival rates of workers in both N. ceranae -inoculated groups and un-inoculated groups at 1 dpi-5 dpi were pretty high and then started to decrease at 5 dpi; the survival rate of workers in N. ceranae -inoculated groups was always lower than that in un-inoculated groups, with significant difference between these two groups during 11 dpi-20 dpi. These results together indicate that the quantity of fungal spores continuously elevated with the microsporidian multiplication, causing energetic stress for workers and host cell structure damage, which further negatively affected the host lifespan. Our findings offer a solid basis not only for exploring the molecular mechanism underlying N. ceranae infection but also for investigating the interaction between N. ceranae and eastern honeybee.

Abstract Asian honey bee Apis cerana is the original host for Nosema ceranae , a unicellular fungal parasite that causes bee nosemosis throughout the world. Currently, interaction between A. cerana and N. ceranae is largely unknown. Here, based on our previously gained high-quality RNA-seq and small RNA-seq data from N. ceranae -infected A. c. cerana workers’ midguts and clean spores, differentially expressed mRNAs (DEmiRNAs) in N. ceranae targeted by DEmiRNAs in host midguts and A. c. cerana DEmRNAs targeted by microsporidian DEmiRNAs were predicted using bioinformatics, and then target DEmRNAs in microsporidian and host were annotated and investigated, with a focus on targets involved in N. ceranae glycolysis/glyconeogenesis and virulence factors as well as A. c. cerana energy mechanism and immune response. It’s found that 97 down-regulated (60 up-regulated) mRNAs in NcCKM vs NcTM1 were potentially targeted by eight up-regulated (six down-regulated) miRNAs in AcCKMI1 vs AcTMI1, 44 down-regulated (15 up-regulated) mRNAs in NcCKM vs NcTM2 were putative targets of seven up-regulated (two down-regulated) miRNAs in AcCKMI2 vs AcTMI2. Additionally, miR-60-y and miR-676-y were found to up-regulate in AcCKMI1 vs AcTMI1 and target genes engaged in spore wall protein and glycolysis/gluconeogenesis, while miR-60-y in AcCKMI1 vs AcTMI1 was up-regulated and potentially targeted a glycolysis/gluconeogenesis-associated gene. Comparatively, 343 down-regulated (138 up-regulated) mRNAs in AcCKM1 vs AcTM1 were putative targets of 121 up-regulated (112 down-regulated) miRNAs in NcCKMI vs NcTMI1, 247 down-regulated (110 up-regulated) mRNAs were putatively targeted by 110 up-regulated (104 down-regulated) miRNAs in NcCKMI vs NcTMI2. Further analysis showed that 31 up-regulated miRNAs in NcCKMI vs NcTMI1 potentially targeted 12 down-regulated mRNAs in AcCKM1 vs AcTM1, which were involved in five immune-related pathways such as phagasome and Jak-STAT signaling pathway, whereas nine up-regulated miRNAs in NcCKMI vs NcTMI2 putatively targeted five down-regulated mRNAs in AcCKM2 vs AcTM2, which were engaged in three immune-related pathways including endocytosis, lysosomes, and regulation of autophagy. In addition, miR-21-x was observed to up-regulate in NcCKMI vs NcTMI1 and target a oxidative phosphorylation-related gene. Finally, potential targeting relationship between two host DEmiRNAs-microsporidian DEmRNAs pairs and two microsporidian DEmiRNAs-host DEmRNAs pairs were verified on basis of RT-qPCR. Our findings not only lay a foundation for exploring the molecular mechanism underlying cross-kingdom regulation between A. c. cerana workers and N. ceranae , but also offer valuable insights into Asian honey bee-microsporidian interaction.

Abstract Piwi-interacting RNAs (piRNAs), a kind of small non-coding RNAs (ncRNAs), play pivotal parts in maintaining the genomic stability and modulating biological processes such as growth and development via regulation of gene expression. However, piRNAs in Asian honey bee ( Apis cerana ) is still largely unknown at present. In this current work, on basis of previously gained high-quality small RNA-seq datasets, piRNAs in the larval guts of Apis cerana cerana , the nominate species of A. cerana , was for the first time identified, followed by in-depth investigation of the regulatory roles of differentially expressed piRNAs (DEpiRNAs) in the developmental process of the A. c. cerana . Here, a total of 621 piRNAs were identified in the A. c. cerana larval guts, among which 499 piRNAs were shared by 4- (Ac4 group), 5- (Ac5 group), and 6-day-old (Ac6 group) larval guts, while the numbers of unique ones were 79, 37, and 11, respectively. piRNAs each group were ranged from 24 nt to 33 nt in length, and the first base of piRNAs had a cytosine (C) bias. Additionally, five up-regulated and five down-regulated piRNAs were identified in the Ac4 vs. Ac5 comparison group, 9 of which could target 9, 011 mRNAs; these targets were involved in 41 GO terms and 137 pathways. Comparatively, 22 up-regulated piRNAs were detected in the Ac5 vs. Ac6 comparison group, 21 of which could target 28, 969 mRNAs; these targets were engaged in 46 functional terms and 164 pathways. The results suggested the overall alteration of expression pattern of piRNAs during the developmental process of A. c. cerana larvae. Regulatory network analysis showed that piR-bmo-748815 and piR-bmo-512574 in the Ac4 vs. Ac5 comparison group as well as piR-bmo-716466 and piR-bmo-828146 in the Ac5 vs. Ac6 comparison group linked to the highest number of targets. Further investigation indicated that targets of DEpiRNAs in the above-mentioned two comparison groups could be annotated to several growth and development-associated pathways, such as Jak/STAT, TGF-β, and Wnt signaling pathways, indicating the involvement of DEpiRNAs in modulating larval gut development via these crucial pathways. Moreover, the expression trends of six randomly selected DEpiRNAs were verified using a combination of stem-loop RT-PCR and RT-qPCR. These results not only provide a novel insight into the development of the A. c. cerana larval guts, but also lay a foundation for uncovering the epigenetic mechanism underlying the larval gut development.

Abstract Ascosphaera apis exclusively infects bee larvae and causes chalkbrood, a lethal fungal disease that results in the sharp reduction in adult bees and colony productivity. However, little is known about the effect of A. apis infestation on the activities of antioxidant enzymes in bee larvae. Here, A. apis spores were purified and used to inoculate Asian honey bee ( Apis cerana ) larvae, followed by detection of the host survival rate and evaluation of the activities of four major antioxidant enzymes. At 6 days post inoculation (dpi) with A. apis spores, white mycelia penetrated the posterior end of the larva, extended to the anterior end, and eventually covered the entire larval body surface, presenting an obvious symptom of chalkbrood disease similar to that occurs in Apis mellifera larvae. Additionally, PCR identification showed that the expected fragment was amplified from the A. apis -inoculated larval guts and the A. apis spores, verifying the A. apis infection of A. cerana larvae. The survival rate of larvae inoculated with A. apis was high at 1–2 dpi, sharply decreased to 4.16% at 4 dpi, and reached 0% at 5 dpi; whereas that of un-inoculated larvae was always high at 1~8 dpi, with an average survival rate of 95.37%, indicating the negative impact of A. apis infection on larval survival. Furthermore, in comparison with those in the corresponding un-inoculated groups, the superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) activities in the 4-day-old larval gut in the A. apis -inoculated groups were reduced ( p > 0.05), while those in the 5- and 6-day-old larval guts were significantly decreased ( p < 0.05); the glutathione S-transferase (GST) activity in the 4- and 5-day-old larval guts was significantly increased ( p < 0.05), while that in the 6-day-old larval gut was reduced ( p > 0.05); the polyphenol oxidase (PPO) activity in 4-day-old larval gut was increased ( p > 0.05) and that in the 5-day-old larval gut was significantly increased ( p < 0.05), whereas that in the 6-day-old larval gut was significantly reduced ( p < 0.01). These results together suggested that the activities of SOD and CAT in the larval guts were suppressed during the process of A. apis infestation, while the GST activity was induced to activation, and the PPO activity was first enhanced and then inhibited. Our findings not only unravel the response of A. cerana larvae to A. apis infestation from a biochemical perspective, but also offer a valuable insight into the interaction between Asian honey bee larvae and A. apis .

Abstract piRNAs are a class of small non-coding RNAs that play an essential part in genomic defense, as well as in modulation of gene expression and diverse biological processes such as host–pathogen interaction. However, little is known about the expression pattern of the regulatory function of piRNAs in interactions between honey bees and pathogens. In this work, on the basis of our previously obtained high-quality small RNA-seq datasets from western honey bee ( Apis mellifera ) larval guts, the differential expression profile of piRNAs in A. mellifera larval guts after Ascosphaera apis infestation was analyzed, followed by structural characterization, target prediction, and regulatory network investigation. The potential roles of differentially expressed piRNAs (DEpiRNAs) in regulating host response, especially immune response, were further discussed. In this study, 504, 657, and 587 piRNAs were respectively identified in the 4-, 5-, and 6-day-old larval guts infected by A. apis , with 411 (53.24%) piRNAs shared. The length distribution of these piRNAs ranged from 24 nt to 33 nt and their first base had a “C” bias, similar to piRNAs discovered in other mammals and insects. Additionally, 96, 103, and 143 DEpiRNAs were detected in the 4-, 5-, and 6-day-old comparison groups; among these, piR-ame-149736, piR-ame-1066173, and piR-ame-1125190 were the most up-regulated, while piR-ame-1202932 was the most down-regulated. There were 68 DEpiRNAs shared between these three comparison groups. The targets of the DEpiRNAs in the three comparison groups were engaged in a suite of crucial functions associated with biological processes, molecular function, and cellular components, including molecular transducer activity, biological regulation, and membrane part. These targets were also relevant to diverse vital pathways such as the phosphatidylinositol signaling system, inositol phosphate metabolism, and Wnt signaling pathway. Further investigation demonstrated that targets of DEpiRNAs were involved in three energy metabolism-related pathways, seven development-associated signaling pathways, and seven immune-relevant pathways, including lysosome and endocytosis, as well as the MAPK and Jak-STAT signaling pathways. The expression trends of five randomly selected DEpiRNAs were verified using a combination of RT-PCR and RT-qPCR. Moreover, the expression levels of six genes targeted by piR-ame-945760 were detected by RT-qPCR, with the results showing that their expression trends were the same as the expression trend of piR-ame-945760, indicative of the positive correlation between piR-ame-945760 and these targets. These results suggest that A.apis infestation increased the overall expression level of piRNAs and altered the expression pattern of piRNAs in A. mellifera larval guts. DEpiRNAs potentially participate in the A. apis response of the host by modulating the expression of target genes associated with energy metabolism and development, as well as cellular and humoral immune response. Our findings not only offer novel insights into A. mellifera larva– A. apis interaction, but also lay the groundwork for clarifying the mechanisms underlying DEpiRNA-regulated larval response.