Бджоли України

Benjamin P. Oldroyd і Graham J. Thompson
Лабораторія поведінки та генетики соціальних комах, біологічна школа наук, Університет Сіднея, Австралія.

Медоносна бджола, Apis mellifera, давно стала організмом для дослідження поведінки та поведінкової генетики. Медоносні бджоли зайняли центральне місце для деяких найвпливовіших досліджень з етології та соціобіології, водночас є важливим експериментальним організмом для дослідження з розведення тварин та генетики.

Медоносні бджоли легко адаптуються до життя в спостережних вуликах, можуть бути навчені робити певні завдання, і ними можна керувати різними способами, щоб побачити, як вони реагують, як на індивідуальному, так і на суспільному рівні. Медоносні бджоли, таким чином, піддаються проведенню генетичних досліджень поведінки щодо пізнання, навчання та пам’яті, і порогам поведінки, а також соціальній взаємодії вищого порядку, наприклад розподілу завдань в бджолиній родині.

Щоб створити цілі колонії які є генетично однорідними або гетерогенними використовують контрольоване виведення трутнів та бджолиних маток і контрольоване штучне осіменіння. Крім того, відносна простота зворотнього схрещування у поєднанні з незвично високий коефіцієнт рекомбінації дозволяє генетичне картографування дуже тонкого масштабу, що дозволяє генам, що впливають на зміну ознак поведінки локалізувати до відносно вузьких генетичних регіонах. Таким чином, медоносні бджоли дуже корисні для досліджень генетики поведінки.

Незважаючи на численні переваги як модельний організм для поведінкової генетики, треба визнати, що медоносні бджоли мають декілька недоліків. Головний серед це відносно тривалий час генерації: щонайменше вісім тижнів від колонії до доньки.

Другий недолік – дуже сильні наслідки інбридинг у спричинені генетичним навантаженням, що накладається комплементарним визначенням локусу статі. Негативні наслідки, спричинені інбридинг ом, тягнуть за собою втомливе, дороге і зазвичай невдале в довгостроковій перспективі обслуговування вибраних ліній.
Крім того, медоносних бджіл неможливо утримувати в ізольованих лабораторних умовах. Це означає, що утримання трансгенних ліній навряд чи зможе затвердитися, оскільки стримування несумісне з довгостроковою життєздатністю.

У міру розгортання епохи геноміки огляд поведінки медоносної бджоли є актуальним та своєчасним. У ньому ми намагалися просувати медоносній бджолі розширену роль як модельного організму в поведінкових генетичних дослідженнях та окреслити загальні стратегії, які використовуються для пошуку генів, пов’язаних із поведінкою і, зокрема, соціальною поведінкою. Крім того, так як медоносна бджола є основою основних галузей виробництва меду та запилення, ми також спробували окреслити, якими засобами геноміки можуть користуватися паічники в практичному розведенні бджіл.

2 Колонія проти окремих фенотипів

Обговорюючи фенотипи поведінки медоносних бджіл, корисно розібратися в різних рівнях біологічної організації бджолиної колонії (Мал. 1). Ми розглядаємо ген як основну одиницю відбору (реплікатор) та колонію робочих бджіл в яких експресуються гени, на яких безпосередньо діє відбір. Соціальні фенотипи дають модель для вивчення того, як можливий вибір діє одночасно на різних рівнях – наприклад, кількість пилку яку колонія збирає і зберігає у своєму гнізді, очевидно, це поведінка на рівні колонії (фенотип, який легко оцінюється).

Мал. 1 Рівні біологічної організації між геном, індивідом та колонією. Стрілки приблизно відображають напрямок причини та наслідку. З генецентричної точки зору, гени можуть змінюватись за своєю послідовністю або схемою експресії та можуть впливати на фізіологію особин, внаслідок чого виникають відмінності в поведінці. Варіанти поведінки особини, в свою чергу, може призвести до змін фенотипів на рівні колонії.

Бджолярі можуть розпізнати колонії, наприклад, що зберігають багато пилку, і таким чином, може бути обраний шлях повторного відбору на цей чи інший фенотип.

Другий приклад цього явища – відбір для гігієнічної поведінки колонії які швидко видаляють мертвих лялечок. Такий відбір на рівні колонії призводить до зміни характеристики робочих особин, зокрема здатність реагувати на запах мертвої лялечки.

І навпаки, вибір на індивідуальному фенотипі робочих особин також може змінити фенотип на рівні колонії. Наприклад, відбір колоній в яких робочі особини відкладають трутневі яйця призводить до дисфункціональних колоній, в яких відбувається розпад соціальної згуртованості.

Ці приклади ілюструють, як важливо не лише розрізняти вищі рівні та окремі фенотипи, але також одночасно розпізнавати, наскільки тонкі відмінності в поведінці на одному рівні можуть призвести до значних зрушень у поведінці на іншому рівні.

3 Пошук генів для поведінкових рис

Що робити, якщо шукаються специфічні для таксону гени, або якщо гени-кандидати не можуть бути визначені? У цих випадках можна зробити вступ – шляхом пошуку серед якомога більшої кількості локусів. На відміну від кандидатського генного підходу, де конкретні гени гіпотезуються заздалегідь, відкритий пошук ідеально охоплюватиме весь геном.

Це максимально збільшує шанс виявлення відмінностей в генотипі або експресії генів, які пов’язані з різницею в поведінці та без конкретних прогнозів про те, які гени є потенційно важливими. Відсутність гена – кандидата при пошуку прямого типу є і активом, і зобов’язанням. Відкритий пошук потенційно виявляє нові гени.

Кількісний аналіз генетичного впливу на поведінкові риси може допомогти виявити наявність та розташування генів головного ефекту, їх епістатичний характер взаємодії та потенційно можуть перевірити ефекти вже відомих кандидатів для подальшого розведення. У випадках, коли спадкові відмінності у поведінкових фенотипах залучають кілька локусів основного ефекту, на відміну від багатьох локусів малого ефекту, то очевидною метою для поведінкових генетичних досліджень є “основні” гени, ті, що пояснюють найбільшу кількість фенотипічних варіацій.

Кількісні локуси ознак (QTL) – геномні області, які містять одне або більше генів, які сприяють фенотипічній варіації кількісних ознак, на відміну від рис, які якісно змінюються. QTL можна ідентифікувати методом, відомим як картографування зв’язків.

Принципи, що стоять за цим картографуванням зв’язків у зворотному схрещуванні концептуально просте. Два лінії, що сильно відрізняються фенотипом, що цікавить (у цьому випадку поведінковий фенотип) схрещуються для отримання F1. Індивід F1 тоді зворотньо схрещується, щоб отримати масив потомства, який поділяється на два генотипічних класи, гомозиготні та гетерозиготні (Мал. 2). Кожне потомство оцінюється фенотипічно за ознакою, що цікавить, а потім генотипують на велику кількість локусів молекулярних маркерів. (наприклад, мікросупутники або SNP).

Мал. 2 Прості схеми зворотного схрещування, що використовуються для генерації сегрегуючої групи робочих особин (А) або колонії (В). (A) Дві вроджені батьківські лінії контрастного фенотипу, “Висока лінія” (заштрихована) та “низька лінія” перетинаються в гетерозиготній матці F1. Вона схрещується з (гаплоїдними) трутнями імовірного рецесивної ознаки (“Низький”) для створення ряду потомства, яке розмежовується в межах однієї колонії для фенотипічно змінної ознаки. Робочі особини, гомозиготні за потрібною рисою, повинні показувати “низький” фенотип, тоді як гетерозиготи мають показувати “високий” фенотип. Якщо ознака контролюється одним локусом, співвідношення двох фенотипічних типів повинні становити приблизно 1: 1. (В) Як зображено вище, за винятком того, що гетерозиготна матка F1 використовується для отримання незапліднених яєць, які розвиваються як гаплоїдні трутні. Ці самці потім використовується для осіменіння маток рецесивної лінії та розмноження нових колоній. Робочі особини з цих колоній буде будуть відрізнятися за «рисою інтересу» у приблизному співвідношенні 1:1.

Медоносні бджоли особливо прихильні до зв’язкового картографування виражених ознак. До таких ознак належать морфологічні і фізіологічні риси, і деякі поведінкові риси, такі як поріг сахарози, вік початку годування личинки, або залучення до таких спеціальних завдань, як охорона.
Будь-яка асоціація між фенотипом та генотипом є свідченням наявності відокремлюваного QTL. QTL – один з типів взаємодії генів, за якого ступінь розвитку однієї тієї самої ознаки обумовлений впливом так званих полімерних генів (які проявляються подібним чином).

Приклад такого зворотного схрещування показаний у Мал. 2А, на якому алелі у ще невідомому QTL зроблені для відокремлення серед робочого потомства однієї матки F1. Робочі особини можуть бути оцінені за фенотипічною ознакою, та класифіковані на генотиповий клас.

Картографія на відміну від індивідуального рівня на рівні колонії зображена на Мал. 2В. Сегрегація відбувається серед нащадків однієї матки F1, але в цьому випадку з незапліднених яєць розвиваються гаплоїдні трутні, які потім використовуються для осіменіння великої кількості маток з передбачуваного рецесивного батьківського ряду. У випадках, коли домінування невідоме, два набори зворотних кросів потрібно виконати по одному від кожного з батьків.
Статистичний аналіз даних QTL є доволі складним і детальний його огляд виходить за межі цієї публікації. Тим не менш, тут ми коротко представляємо принципи, щоб читачі незнайомі з геномними аналізами зміг оцінити значення QTL, та його вплив на поведінку медоносних бджіл, без потреб заглиблюватися у спеціалізовану літературу.

4 Генетична архітектура та спеціалізація завдань

Щоб зрозуміти генетику поведінки медоносних бджіл, ми повинні спочатку оцінити генетичну структуру колонії. Колонія не є ні особою, ні населенням особин, а розширеною родиною (Мал. 3). Поведінкові фенотипи на рівні колоній виникають насамперед із взаємодії працівників один з одним та їх оточення. Так як матки спаровуються з приблизно з 10–20 гаплоїдними трутнями, робочі бджоли містить суміш повних і половинних сестер. Окрім того, оскільки трутні виробляють сперму клонально, це в три рази більша генетична відстань між підродинами, ніж між робочими бджолами.
Це означає, що для будь-якої ознаки, щодо якої є генетична дисперсія не кожна особина займеться певним завданням. Робочі особини від різних батьків по-різному реагуватимуть у відповідь на ту ж задачу, тому кожна колонія відрізнятиметься своїм порогом завдання).

Мал. 3 Соціальна та генетична структура колонії медоносних бджіл. Єдина матка з багатьма батьків-трутнів для отримання потомства робочих особин. Потомство, що утворюється від кожного трутня – представляє різні підродини серед робочих бджіл. Різновиди поведінки серед робочих бджіл можуть вказувати на те, що зміни в поведінці мають генетичну основу. Матка також відкладає незапліднені яйця партеногенетично, з яких народжуються чоловіче потомство.

5 Селекційні прийоми

На відміну від усіх інших тварин, продуктивність медоносних бджіл не залежить від окремих фізіологічних особливостей, таких як швидкість росту, а залежить від соціальних рис. Навіть на таку рису, як стійкість до хвороб сильно впливають соціальні фактори наприклад, гігієнічна поведінка, а також вроджений імунітет особин колонії. Таким чином, коли пасічники прагнуть генетично поліпшити медоносну бджолу вони насамперед зацікавлені в поліпшенні поведінки колонії, а не фізіології окремих робочих особин.

Генетичне вдосконалення медоносних бджіл для комерційного бджільництва містить обтяжливі проблеми. Як було сказано вище, через генетичне навантаження, накладене статевим локусом, наслідки інбридинг у сильні в медоносних бджіл. Тому розробка успішної програми відбору повинна мінімізувати швидкість інбридинг у.
Одна селекційна конструкція, яка є корисною для досягнення генетичного прогресу що мінімізує інбридинг показана на Мал.4

У цій конструкції підтримується серія племінних ліній.
Щороку найкраща матка в кожному рядку використовується матір’ю наступного покоління. Ця матка також дає трутнів до об’єднаних популяцій, з яких збирається сперма, яка потім використовується для осіменіння всіх маток програми з використанням ШО з об’єднаною центрифугованою спермою.