Экспрессия гена вителлогенина и регуляция продолжительности жизни рабочих особей темной лесной пчелы
Авторы:
Название:
Экспрессия гена вителлогенина и регуляция продолжительности жизни рабочих особей темной лесной пчелы
Страницы:
110-112
В последние десятилетия мировое сообщество пчеловодов отмечает резкое увеличение смертности пчел в развитых странах мира и в России. Если в XX веке смертность пчелиных семей составила 5-10% за сезон, то в XXI уровень смертности достигает 20-30%. Согласно последнему исследованию специалистов из Министерства сельского хозяйства США, с апреля 2014 года по апрель 2015 года пчеловоды потеряли 42.1% своих пчелиных семей. Вот уже десять лет, как ученые исследуют причины сокращения численности пчел в Европе. Особенно беспокоит ученых тот факт, что процессы вымирания пчелиных семей становятся все более масштабными, а гибель семей в мире составляет от 30-50%. В России сложилась ситуация, где нет централизованного подхода по мониторингу гибели пчел за сезон, по некоторым данным уровень гибели составляет от 15- 30 %.
Озадачены причинами возросшей смертности как пчеловоды, так и ученые. Последние ведут работу над выявлением причин и их решением. Сотрудники нашей лаборатории Биохимии и адаптивности насекомых Уфимского научного центра провели ряд исследований в рамках международного проекта COLOSS, результаты которого показали, что генетическое разнообразие медоносной пчелы, ее паразитов и патогенов определяют существенные различия в восприимчивости хозяина и вирулентности сопутствующих ему организмов в зависимости от региона. Все это в совокупности с климатическими особенностями и хозяйственной спецификой объясняет вполне ожидаемые различия в симптомах и причинах гибели пчелиных семей в разных регионах мира и требует своего самостоятельного решения. К тому же сложные для пчеловодства климатические условия России требуют особого подхода к этой проблеме. В связи с этим большой интерес представляют потенциальные возможности структурной и функциональной геномики, возникшие после полной расшифровки генома медоносной пчелы [HoneyBee Genome Sequencing Consortium; 2006)] но пока в полной мере не реализованные. Наши предварительные эксперименты и анализ состояния проблемы, а также последние публикации зарубежных коллег показали перспективность изучения структуры и функционирования гена вителлогенина для этой цели. Ранее было показано, что вителлогенин связан с плодовитостью пчелиной матки и влияет на устойчивость к окислительному стрессу, координирует социальное поведение рабочих особей, в т.ч. регулирует переход рабочих пчел от ухода за расплодом к фуражированию. Научная проблема заключается в понимании механизмов, регулирующих продолжительность жизни рабочих особей медоносной пчелы. Эти процессы во многом определяют жизнеспособность и характер жизнедеятельности пчелиной семьи.
Целью исследования является поиск взаимосвязи между полиморфизмом и особенностями экспрессии гена вителлогенина у наиболее адаптированного к условиям северной, экстремальной части видового ареала, подвида темная лесная пчела (Apis mellifera mellifera L., среднерусская порода), с одной стороны, и регуляцией продолжительности жизни рабочих особей этого подвида, с другой. Предполагается анализ участия гена вителлогенина в механизмах адаптации пчел к длительной зимовке, устойчивости к ряду заболеваний, а также оценка перспективности гена в качестве селекционного маркера.
Ген вителлогенина, кодирующий основной белок-предшественник яичного желтка, обнаружен у большинства яйцекладущих животных. У насекомых вителлогенин синтезируется в жировом теле, секретируется в гемолимфу и изолируется ооцитами, обеспечивая питание будущего эмбриона. Из-за своей ассоциации с плодовитостью и воспроизводством изучение гена вителлогенина имеет особое значение для понимания эволюции разделения труда у социальных насекомых [Toth, Robinson; 2007]. У медоносной пчелы вителлогенин был обнаружен почти 40 лет назад, тогда же была показана его роль в репродуктивной функции пчелиной матки, что было вполне ожидаемым, т.к. именно матка несет ответственность за откладку яиц. Однако этот же белок был обнаружен в значительных количествах в рабочих пчелах, которые обычно бесплодны. Тогда этот факт отнесли к издержкам эволюции. Позже Г. Амдам с коллегами [Amdam et al.; 2004] показали плейотропные функции вителлогенина, было обнаружено несколько различных фенотипических проявлений его действия у пчелиной матки и рабочих пчел. Было показано, что вителлогенин связан с плодовитостью медоносной пчелы: его концентрация выше у репродуктивных маток в сравнении с рабочими пчелами, титр циркулирующего в гемолимфе белка коррелирует со скоростью яйцекладки [Barchuk et al.; 2007].
Помимо этого, он влияет на устойчивость к окислительному стрессу и продолжительность жизни пчелиной матки. В ее организме вителлогенин содержится в больших количествах на протяжении всей жизни. Потенциально матка может жить до 3-5 лет, поддерживая постоянный высокий уровень вителлогенина в гемолимфе, даже в периоды, когда она не откладывает яйца. Вителлогенин может координировать социальное поведение рабочих пчел [Whitfield et al.; 2002]. Хотя некоторые виды имеют несколько копий гена вителлогенина, которые могли бы обеспечить кастоспецифичные функции, медоносная пчела имеет только один тип белка вителлогенина [Sumner et al.; 2006]. Таким образом, этот ген является социально плейотропным через его влияние на несколько жизненных характеристик пчелиной семьи, которые частично распределены между маткой и рабочими пчелами. Вителлогенин затрагивает несколько важных характеристик рабочих пчел, либо непосредственно или посредством репрессии ювенильного гормона. Пчелы-няньки выделяют его в пищу для расплода, это увеличивает сопротивление стрессу, уровень иммунитета и выживаемость как пчелиной матки, так и рабочих пчел. Этот белок регулирует переход рабочих пчел от ухода за расплодом к фуражированию [Whitfield et al.; 2003]. Молодые имаго, работающие в гнезде и ухаживающие за личинками, имеют высокий уровень вителлогенина, и используют его для производства личиночной пищи. Когда через 2-3 недели содержание вителлогенина в гемолимфе пчелы снижается, рабочие пчелы переходят к фуражированию. Высокий уровень вителлогенина у гнездовых рабочих пчел функционально связан с большей устойчивостью к окислительному стрессу и усилением иммунитета. Таким образом, вителлогенин может вносить свой вклад в жизнеспособность колоний через влияние на плодовитость и продолжительность жизни матки, через кормление расплода, а также разделение труда у рабочих пчел.
По нашим предварительным данным эксперимента и анализа состояния, а также последним публикациям зарубежных коллег показали перспективность изучения структуры и функционирования гена вителлогенина, как одного из наиболее перспективных подходов к решению проблемы регуляции продолжительности жизни рабочих пчел, а следовательно, и контроля жизнеспособности пчелиных семей.
Целью исследования является поиск взаимосвязи между полиморфизмом и особенностями экспрессии гена вителлогенина у наиболее адаптированного к условиям северной, экстремальной части видового ареала, подвида темная лесная пчела (Apis mellifera mellifera L., среднерусская порода), с одной стороны, и регуляцией продолжительности жизни рабочих особей этого подвида, с другой. Предполагается анализ участия гена вителлогенина в механизмах адаптации пчел к длительной зимовке, устойчивости к ряду заболеваний, а также оценка перспективности гена в качестве селекционного маркера.
Ген вителлогенина, кодирующий основной белок-предшественник яичного желтка, обнаружен у большинства яйцекладущих животных. У насекомых вителлогенин синтезируется в жировом теле, секретируется в гемолимфу и изолируется ооцитами, обеспечивая питание будущего эмбриона. Из-за своей ассоциации с плодовитостью и воспроизводством изучение гена вителлогенина имеет особое значение для понимания эволюции разделения труда у социальных насекомых [Toth, Robinson; 2007]. У медоносной пчелы вителлогенин был обнаружен почти 40 лет назад, тогда же была показана его роль в репродуктивной функции пчелиной матки, что было вполне ожидаемым, т.к. именно матка несет ответственность за откладку яиц. Однако этот же белок был обнаружен в значительных количествах в рабочих пчелах, которые обычно бесплодны. Тогда этот факт отнесли к издержкам эволюции. Позже Г. Амдам с коллегами [Amdam et al.; 2004] показали плейотропные функции вителлогенина, было обнаружено несколько различных фенотипических проявлений его действия у пчелиной матки и рабочих пчел. Было показано, что вителлогенин связан с плодовитостью медоносной пчелы: его концентрация выше у репродуктивных маток в сравнении с рабочими пчелами, титр циркулирующего в гемолимфе белка коррелирует со скоростью яйцекладки [Barchuk et al.; 2007].
Помимо этого, он влияет на устойчивость к окислительному стрессу и продолжительность жизни пчелиной матки. В ее организме вителлогенин содержится в больших количествах на протяжении всей жизни. Потенциально матка может жить до 3-5 лет, поддерживая постоянный высокий уровень вителлогенина в гемолимфе, даже в периоды, когда она не откладывает яйца. Вителлогенин может координировать социальное поведение рабочих пчел [Whitfield et al.; 2002]. Хотя некоторые виды имеют несколько копий гена вителлогенина, которые могли бы обеспечить кастоспецифичные функции, медоносная пчела имеет только один тип белка вителлогенина [Sumner et al.; 2006]. Таким образом, этот ген является социально плейотропным через его влияние на несколько жизненных характеристик пчелиной семьи, которые частично распределены между маткой и рабочими пчелами. Вителлогенин затрагивает несколько важных характеристик рабочих пчел, либо непосредственно или посредством репрессии ювенильного гормона. Пчелы-няньки выделяют его в пищу для расплода, это увеличивает сопротивление стрессу, уровень иммунитета и выживаемость как пчелиной матки, так и рабочих пчел. Этот белок регулирует переход рабочих пчел от ухода за расплодом к фуражированию [Whitfield et al.; 2003]. Молодые имаго, работающие в гнезде и ухаживающие за личинками, имеют высокий уровень вителлогенина, и используют его для производства личиночной пищи. Когда через 2-3 недели содержание вителлогенина в гемолимфе пчелы снижается, рабочие пчелы переходят к фуражированию. Высокий уровень вителлогенина у гнездовых рабочих пчел функционально связан с большей устойчивостью к окислительному стрессу и усилением иммунитета. Таким образом, вителлогенин может вносить свой вклад в жизнеспособность колоний через влияние на плодовитость и продолжительность жизни матки, через кормление расплода, а также разделение труда у рабочих пчел.
По нашим предварительным данным эксперимента и анализа состояния, а также последним публикациям зарубежных коллег показали перспективность изучения структуры и функционирования гена вителлогенина, как одного из наиболее перспективных подходов к решению проблемы регуляции продолжительности жизни рабочих пчел, а следовательно, и контроля жизнеспособности пчелиных семей.
- Amdam, G. V., Norberg, K., Fondrk, M. K. , Page, R. E. 2004 Reproductive ground plan may mediate colonylevel selection effects on individual foraging behavior in honey bees. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 11 350.
- Barchuk, A. R., Cristino, A. S., Kucharski, R., Costa, L. F., Simoes, Z. L. P. , Maleszka, R. 2007 Molecular determinants of caste differentiation in the highly eusocial honeybee Apis mellifera. BMC Dev. Biol. 7, 70.
- HoneyBee Genome Sequencing Consortium 2006 Insights into social insects from the genome of the honey bee Apis mellifera. Nature 443, P. 931-948.
- Sumner, S., Pereboom, J. J. M. , Jordan, W. C. 2006 Differential gene expression and phenotypic plasticity in behavioural castes of the primitively eusocial wasp, Polistes canadensis. Proc. R. Soc. B 273, 19-26.
- Toth, A. L. , Robinson, G. E. 2007 Evo-devo and the evolution of social behavior. Trends Genet. V.23, P.334-341.
- Whitfield, C. W., Band, M. R., Bonaldo, M. F., Kumar, C. G., Liu, L., Pardinas, J. R., Robertson, H. M., Soares, M. B. , Robinson, G. E. 2002 Annotated expressed sequence tags and cDNA microarrays for studies of brain and behaviour in the honey bee. Genome Res. 12, 555-566.
- Whitfield, C. W., Cziko, A. M. , Robinson, G. E. 2003 Gene expression profiles in the brain predict behavior in individual honey bees. Science 302, 296-299.