Beyond the core: genomic characterization of two novel gut symbionts from stingless bees with biotechnological potential

Abstract

Stingless bees (Meliponini) are essential Neotropical pollinators for the maintenance of natural and agricultural ecosystems, being endemic to tropical regions. Among the factors influencing their health, the gut microbiota stands out; however, despite its ecological and physiological importance, it remains poorly characterized compared to that of the Apini and Bombini tribes. Moreover, the biotechnological potential of these microbial communities is still largely unexplored, especially regarding the selection of bacteria with properties of interest. This gap is particularly notable given that meliponines face increasing anthropogenic pressures, including habitat loss and pesticide exposure, which threaten their populations and their crucial pollination ecosystem services for native biodiversity and agricultural crops. Species of the genus Melipona appear to share unique symbiotic microbial partnerships that may hold the key to their conservation. This study genomically characterized two bacterial isolates, MM121 and MM128, from Melipona mondury Smith, 1863 (Hymenoptera: Apidae), previously identified for their apparent taxonomic uniqueness, antimicrobial activity, and capacity to metabolize pesticides in preliminary assays. Using an integrated approach of whole genome sequencing, multi-locus phylogeny, Average Nucleotide Identity (ANI), and Average Amino acid Identity (AAI), we determined that MM121 and MM128 possess reduced genomes (~1.39 Mbp and ~1.43 Mbp, respectively) and form distinct monophyletic clades with other Meliponini symbionts. The genetic divergence found in relation to established genera (Convivina and Floricoccus, respectively), evidenced by ANI values below 76% and AAI of ~70-76%, supports the classification of these isolates not only as novel species but as belonging to two novel bacterial genera. Functional analysis revealed that MM121 encodes two distinct bacteriocin clusters, while both isolates possess a robust genetic repertoire for detoxification and xenobiotic metabolism. We conclude that the evolutionary divergence found is the result of remarkable speciation events, driven by geographic isolation and/or specific host adaptation, challenging the concept of a universal core microbiome for corbiculate bees. Furthermore, the combination of taxonomic novelty, confirmed antimicrobial mechanisms, and pesticide metabolism potential positions the MM121 and MM128 consortium as a candidate for developing probiotic supplements to strengthen pollinator health. Keywords: TCC, Melipona, Melipona mondury, gut microbiota, bioinformatics, phylogenomics, probiotics, pollinator conservation.As abelhas sem ferrão (Meliponini) são polinizadores neotropicais essenciais para a manutenção de ecossistemas naturais e agrícolas, sendo endêmicas das regiões tropicais. Entre os fatores que influenciam sua saúde destaca-se a microbiota intestinal, a qual, apesar de sua importância ecológica e fisiológica, ainda é pouco caracterizada quando comparada à das tribos Apini e Bombini. Além disso, o potencial biotecnológico dessas comunidades microbianas permanece pouco explorado, especialmente no que diz respeito à seleção de bactérias com propriedades de interesse. Essa lacuna é particularmente notável, uma vez que meliponíneos enfrentam pressões antropogênicas crescentes, incluindo perda de habitat e exposição a pesticidas, que ameaçam suas populações e seus serviços ecossistêmicos de polinização, cruciais para a manutenção da biodiversidade nativa e de culturas agrícolas. Espécies do gênero Melipona parecem compartilhar parcerias simbióticas microbianas únicas que podem guardar a chave para sua conservação. Este estudo caracterizou genomicamente dois isolados bacterianos, MM121 e MM128, de Melipona mondury Smith, 1863 (Hymenoptera: Apidae), previamente identificados por sua aparente singularidade taxonômica, atividade antimicrobiana e capacidade de metabolizar pesticidas em ensaios preliminares. Utilizando uma abordagem integrada de sequenciamento de genoma completo, filogenia de múltiplos loci, Identidade Nucleotídica Média (ANI) e Identidade de Aminoácidos Média (AAI), determinamos que MM121 e MM128 possuem genomas reduzidos (~1,39 Mbp e ~1,43 Mbp, respectivamente) e formam clados monofiléticos distintos com outros simbiontes de Meliponini. A divergência genética encontrada em relação aos gêneros estabelecidos (Convivina e Floricoccus, respectivamente), evidenciada por valores de ANI inferiores a 76% e AAI de ~70-76%, sustenta a classificação desses isolados não apenas como novas espécies, mas como pertencentes a dois novos gêneros bacterianos. A análise funcional revelou que MM121 codifica dois clusters distintos de bacteriocinas, enquanto ambos os isolados possuem um robusto repertório genético para detoxificação e metabolismo de xenobióticos. Concluímos que a divergência evolutiva encontrada é resultado de notáveis eventos de especiação, impulsionados pelo isolamento geográfico e/ou adaptação específica ao hospedeiro, desafiando o conceito de um microbioma universal para abelhas corbiculadas. Ademais, a combinação de novidade taxonômica, mecanismos antimicrobianos confirmados e potencial de metabolismo de pesticidas posiciona o consórcio MM121 e MM128 como um candidato para o desenvolvimento de suplementos probióticos para fortalecer a saúde de polinizadores. Palavras-chave: TCC, Melipona, Melipona mondury, microbiota intestinal, bioinformática, filogenômica, probióticos, conservação de polinizadores.