PETER R. OXLEY,* MARLA SPIVAK† and BENJAMIN P. OLDROYD* *Behaviour and Genetics of Social Insects Laboratory, School of Biological Sciences, University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australia, †Department of Entomology, University of Minnesota, Minneapolis, MN 55108, USA
Анотація
Гігієнічна поведінка медоносних бджіл забезпечує колоніям захист від багатьох збудників хвороб
і є важливою модельною системою генетики складної поведінки. Гігієнічна поведінка складається з двох компонентів – пошук хворої лялечки, і подальше видаленням вмісту комірки – кожен з яких, як вважається, незалежно модулюється кількома локусами, від середнього до великого ефекту. На генетичну схильність робочої особини до занять гігієнічними завданнями впливає інтенсивність стимулу.
Генетичні різноманіття в колоніях призводить до спеціалізації завдань серед робочих особин, які виконують більшість завдань в гнізді. Ми виділяємо три кількісні риси локусів, які впливають на ймовірність того, що робочі особини будуть займатися гігієнічною поведінкою і становлять до 30% фенотипічної мінливості в гігієнічній поведінці колонії. Крім того, ми ідентифікуємо два локуси, які впливають на ймовірність того, що бджола виконуватиме лише поведінку відкривання комірки та один локус, який впливає на поведінку видалення її вмісту. Ми повідомляємо про перші гени-кандидати, пов’язані із залученням до гігієнічних засобів поведінку, включаючи чотири гени, що беруть участь у сприйнятті запахів (нюху), навчанні та соціальній поведінці та один ген, що бере участь у циркадних рухах.
Ці гени дозволять дати молекулярні характеристики цієї відмінної поведінкової стійкості до хвороб, а також надають можливість для поширення цієї комерційно значущої риси.
Вступ
Роль генотипу в модуляції поведінки залишаються суперечливими. Всередині колонії гени можуть відігравати певну роль у розподілі праці серед індивідів: наприклад, було показано, що ген AmFor впливає на вік, з якого робочі особини починають годувати личинок, кілька кількісних локусів ознак (QTL) що модулюють годування личинок та оборонну поведінку.
Проте наше розуміння молекулярних механізмів, які впливають на ймовірність індивіда залучатися до певної поведінки та механізмів які дозволяють виконувати таку поведінку, здебільшого продовжують залишатися невідкритими.
Гігієнічна поведінка – це поведінкова реакція працівників медоносної бджоли (Apis mellifera) на зараження розплоду в межах їх колонії. Він розвинувся як загальний механізм стійкості до хвороб розплоду і забезпечує значну стійкість до ряду збудників хвороб, включаючи аскосфероз (Ascosphaera apis), бактерії американського гнильця (Paenibacillus), кліща Varroa.
Гігієнічна поведінка складається з виявлення робочою бджолою наявності зараженої личинки або лялечки, “відкривання” воскової кришки комірки, якщо комірка запечатана, та видалення хворої особини.
Зазвичай оцінюється гігієнічна поведінка колоній по швидкості, з якою колонія видаляє мертвих лялечок, які були навмисно вбиті за допомогою голок (Spivak & Downey 1998) або заморожуванням (Spivak & Reuter 1998c). Оцінена таким чином, гігієнічна поведінка на рівні колоній має високу спадковість, тому легко виділити штами, які мають високий рівень гігієнічної поведінки в колоніях та економічно значну стійкість до хвороб.
Однак мінливість гігієнічних показників, що виникають із факторів навколишнього середовища вимагає, щоб оцінка колонії базувалася на декількох оцінках. Ця вимога збільшує час і вартість оцінювання та зменшує ймовірність появи селекціонерів бджіл, що оцінюють гігієнічну поведінку в своїх колоніях. Таким чином, ідентифікація локусів гігієнічної поведінки забезпечить не тільки нові уявлення про те, як може призвести генетична мінливість мінливість складної поведінки, але також дозволила б розробити відбір маркерів важливих ознак.
Порогова модель відповіді розподілу завдань дозволяє припустити, що розподіл гігієнічних завдань є результатом відмінності генетичних схильностей до виконання кожного із завдань у кожної бджоли. Якщо первинна різниця між робочими особинами – їхня схильність до ініціативи гігієнічної поведінки (та ймовірності) ініціювання розгризання кришечки комірки чи видалення лялечки, то, швидше за все, ця різниця пов’язана з генами, що беруть участь у ініціації завдань: гени, які підвищують чутливість бджоли до відповідних подразників (таких як запах, що виділяється завмерлим розплодом). Ці гени можуть кодувати білки які взаємодіють безпосередньо зі стимулом (наприклад, рецептори запаху і білки, що зв’язують запах).
Інші ймовірні кандидати – це гени, які впливають на взаємодію робочої особини з іншими бджолами або впливають на навчання та пам’ять. Доказано, що октопамін необхідний для формування нюхової пам’яті, і вивільняється у більших кількостях у мозок «швидких» гігієнічних бджіл, ніж у «повільних» гігієнічні бджіл, коли їх стимулюють відповідним запахом.
Використання єдиної гібридної матки було зворотно схрещено з «гігієнічним» трутнем, що призвело до сегрегації алелів пов’язаних з гігієнічною поведінкою серед окремих робочих особин. Ці робочі особини можуть бути оцінені по своїй реакції на мертвий розплод.
Ця конструкція має основні переваги в тому, що велика кількість робочих бджіл може бути фенотипована в межах однієї колонії одночасно, і дозволяє ідентифікувати QTL (локус кількісних ознак) не тільки загальної гігієнічної поведінки, а також QTL для завдань розпечатування та видалення лялечки.
У цьому дослідженні ми намагаємось підтвердити існування QTL, які впливають на схильність робочих особин до заняття гігієнічною поведінкою, заснованою на поведінці окремих працівників, а не поведінки цілої колонії. Ми також намагаємось визначити місце положення QTL в геномі медоносних бджіл.
Матеріали та методи.
Гігієнічні матки та трутні були отримані з Програми селекції університету Міннесоти. Створена в 1993 році, ця програма швидко розвивалася шляхом повторного відбору.
Гібридну матку (дочка “швидкої” гігієнічної матки, що інсемінована трутнем з «повільної» гігієнічної колонії) – штучно осіменіли спермою одного трутня з «швидкої» гігієнічної колонії. Колонія, що розпечатає та видалить з 200 комірок вбитого заморожуванням увесь мертвий розплід через 48 год. мають «швидку» гігієнічну поведінку., тоді як колонії «повільної» гігієнічної поведінки не видаляють весь заморожений розплід через тиждень.
Через двадцять один день після осіменіння гібридної матки дві рамки вийняли і інкубували (34, 50% RH). Окремо позначили 500 робочих особин на 1-2 день за допомогою поєднання фарб на животі та нумерованих міток на грудній клітці. Позначені робочі особини були введені в оглядовий вулик, з генотипічно «повільною» гігієнічною маткою та робочими бджолами. Приблизно половину введених бджіл не прийняли, тому ще 250 особин було позначено наступним чином і повторно введено до колонії.
Через п’ятнадцять днів після введення робочих бджіл підставили рамку з вбитим заморожуванням розплодом. Заморожений розплід замінювали щодня о 09:00 та 17:00 год. протягом 8 днів.
Щоб звести до мінімуму кількість гігієнічних дій, які залишилися без уваги, розплід, що завмирав розміщувався лише на стороні оберненій до камери відеозапису. Робоча поведінка всіх бджіл на ділянці замороженого розплоду та сусідньої рамки фіксувалася 24 год на добу на протязі 8 днів.
Відеозаписи переглядали на 15-дюймовому телевізійному моніторі, поведінку окремих робочих бджіл відмічали окремо. Кожну помічену робочу бджолу, яка була присутня на вбитому розплоді спостерігали за ознаками розпечатування (розгризання воскової кришечки), виймання (фізичне витягування лялечки), прибирання/обстеження комірки (розміщення її голови, тіла всередині комірки.
Для кожного екземпляру гігієнічної поведінки – було записано час витрачений на виконання завдання: від 1 (короткий) до 5 (> 30 с). Через 8 днів після початку спостережень, всіх помічених робочих особин вилучили з вулика і законсервовано у 99% етанолі.
Дані спостережень було отримано для 431 робочої бджоли, для яких сумарно відстежено за виконанням гігієнічних завдань 2991 раз. Через смерть робочих особин, що настала від фуражування чи інших невідомих обставин лише 149 бджіл було успішно відібрано для генотипування та використано в аналізі QTL.
Аналіз даних
Для кожної відібраної робочої особини було розроблено фенотипічний бал за загальну гігієнічну поведінку. Кожний епізод реакції на гігієнічну поведінку множили на тривалість діяльності, щоб дати зважену оцінку, що вказує на загальний час, витрачений на виконання гігієнічної поведінки.
Ці зважені бали потім підсумовували для кожної робочої особини, щоб дати загальну гігієнічну оцінку. Окремі компоненти гігієнічної поведінки (розпечатування комірки та видалення лялечки) – також були зважені і підлягали незалежному аналізу. При генетичному аналізі було розглянуто лише робочі особини які виконували гігієнічну поведінку більше шести разів.
Екстракція та генотипування ДНК
Протягом екстракції та генотипування ДНК із відібраних 149 робочих особин було генотиповано в 437 мікросупутникових локусах, розподілених по всіх хромосомах. Для всіх 149-и відібраних особин виконано інтервальне картографування окремих компонентів – за допомогою Map-Manager QTX, з функцією відображення Косамбі. Були побудовані карти зв’язків за допомогою мікросупутникових позицій.
Результати
Всього спостерігалось 431 мічені робочі особини протягом 8 днів. З цих 164 (38%) жодного разу не спостерігали за гігієнічною діяльністю, а 22 (5%) займалися гігієнічною поведінкою в середньому більше п’яти разів на день.
Розподіл завдань був мінімальним серед 102 особин, які виконували гігієнічні завдання шість і більше разів за весь період спостереження, лише дев’ять особин (9%) були задіяні виключно відкриванням комірки або вилученням личинки.
Усі рівні гігієнічної поведінки, що спостерігалися, були представлені у робочих особин, що було генотиповано.
Обговорення
Ми визначили три QTL, які впливають на схильність робочої бджоли до гігієнічної поведінки, а також три суттєві QTL, які впливають на завдання розділення серед гігієнічних бджіл. Ці результати надають докази існування генетичних локусів відповідальний за зміну порогових рівнів серед особин, а також припускають існування локусів, що впливати на окремі компоненти в межах складної поведінки.
Об’єднано один значний (Hyg1) і два сугестивні QTL (попередньо названі Hyg2 та Hyg3) щодо гігієнічної поведінки, як вважають, пояснюють 30% фенотипічної дисперсія для загальної гігієнічної поведінки в нашому картографування колонії.
Ефект QTL, ймовірно, був завищеним в попередніх дослідженнях. Тим не менш, ця оцінка дає верхню межу поясненої дисперсії. Спадковість гігієнічної поведінки є 0.6, що вказує на те, що наші QTL складають щонайменше половину половини генетичної дисперсії, що як правило, спостерігається у популяціях.
Генетична дисперсія, ймовірно, пояснюється невиявленим QTL, що мають малий ефект і, можливо, на фактори не розкриті цим дослідженням. Отримані дані забезпечують подальшу підтримку багатоцільової моделі гігієнічної поведінки.
Велика різниця в загальних гігієнічних характеристиках серед окремих робочих особин, а також значне розмежування виконання завдань серед генотипів, узгоджується з пороговою моделлю задачі видалення (Beshers & Fewell 2001; Oldroyd & Thompson 2007) та генетичній основі для варіації в порозі відгуку бджіл (Calderone & Page 1991; Джонс та ін. 2004).
Ми вважаємо, що ймовірність того, що робоча особина буде виконувати або розпечатування комірки, або видалення личинки визначається генетично, а впливає поріг QTL. Тому там надмірна кількість стимулів (або недостатня кількість робочих особин), поріг для усунення буде перевищено у більшості робочих особин. Тільки тоді, коли буде достатньо велика кількість робочих бджіл (або низький стимул) буде виникати розділення завдань (як це спостерігається в Arathi & Spivak 2001).
Розподіл балів гігієнічної поведінки і загальна відсутність розподілу завдань між поведінкою розпечатування та усуненням серед окремих бджіл відповідає спостереженням поведінки робочих особин, коли генетично гігієнічні бджоли є меншістю населення колонії (Arathi & Spivak 2001).
Висновки
У цьому дослідженні було використано зв’язок на основі мікросупутника карти медоносної бджоли для виявлення QTL, які впливають на ймовірність того, що робочі особини будуть займатися гігієнічною поведінкою. Ідентифіковані QTL надають додаткове підтвердження багатогенного характеру гігієнічної поведінки.
Тим не менш, ми також показали, що кожна складова гігієнічної поведінки регулюється деякими незалежними генетичними локусами. Тому гігієнічна поведінка залишається чудовою модельною системою для вдосконалення нашого розуміння поведінкової генетики.
Автори хотіли б подякувати членам Лабораторії поведінки та генетики соціальних комах за їх пропозиції у вдосконаленні цього дослідження. Ця робота була профінансована грантовою програмою Австралійської наукової ради
За матеріалами сайта bee-ua.org
