Агрессия у пчел регулируется индивидуальной и групповой генетикой

Американские ученые идентифицировали генетические факторы, обуславливающие уровень агрессии у пчел. Авторы сравнили рабочих пчел и пчел-солдат, а также колонии с разным уровнем агрессии. Выявленные различия в регуляторных сетях, управляющих экспрессией генов в мозге, позволили связать индивидуальные генетические различия с групповым фенотипом. Оказалось, что групповая генетика формирует особенности регуляторных сетей генов мозга, а это, в свою очередь, влияет на поведение всей группы.

Изображение:
Африканская пчела — подвид медоносной пчелы и один из предков использованных в исследовании африканизированных пчел.
Credit:
123rf.com

Эволюция поведения социальных животных до сих пор мало изучена. Хотя было описано влияние генетики популяций на межгрупповую изменчивость, пока отсутствует понимание, закономерности индивидуальных различий пока не охарактеризованы. В новой работе американские ученые описали связь генетической изменчивости отдельных пчел с общим уровнем агрессии колонии.

Для пчел хорошо описаны вариации в уровне агрессии между колониями, в том числе известны влияющие на него гены. Однако они были описаны по данным массового секвенирования членов колонии, а не изучением индивидуальных генотипов.

В отличие от муравьев, у которых существуют морфологически различные особи-солдаты, у пчел различие между рабочими и солдатами исключительно поведенческое. В возрасте около трех недель пчелы переходят от работы внутри улья к собирательству (большинство) либо к защите колонии, становясь солдатами. Между солдатами и рабочими был описан ряд физиологических различий, включая уровень аминов в мозге.

В первичном анализе авторы провели секвенирование мозгов 81 солдата и 82 рабочих из колоний африканизированных пчел пчел из Пуэрто Рико. В этой популяции эволюционно сформировался меньший уровень агрессии, чем у других африканизированных пчел. По результатам было выявлено около 4000 генов, экспрессия которых различалась между рабочими и солдатами. Однако ни один из наборов специфичных для «профессии» генов не перекрывался с ранее описанными, характеризующими общий уровень агрессии колонии.

Следующим шагом исследователей стало секвенирование РНК единичных клеток мозга. Для анализа использовали пчел европейского типа из-за логистических проблем, связанных с изучением африканизированных популяций. В течение четырех дней авторы отбирали по 5 солдат и 5 рабочих из двух колоний с высокой и двух колоний с низкой агрессией. Всего были получены сиквенсы 24000 клеток.

По результатам секвенирования авторы идентифицировали локусы количественных признаков экспрессии (eQTL; влияющие на экспрессию какого-либо белка). Из генов, содержащих eQTL, ученые отобрали те, которые по предыдущим данным были ассоциированы с агрессией. Таким образом был получен набор из 30 генов (авторы обозначили их как eGenes), однако закономерностей их экспрессии в зависимости от «профессии» пчелы также не наблюдалось.

Тогда авторы решили изучить так называемые генные регуляторные сети (GRN), описывающие взаимоотношения между факторами транскрипции и их генами-мишенями. Для анализа использовали алгоритм SimiC, с помощью которого оценивали индекс регуляторных различий между двумя сетями. На основе этого индекса ученые давали количественную оценку различиям между рабочими и солдатами.

Индекс регуляторных различий между рабочими и солдатами был больше в колониях с высокой агрессией. Это подтверждает предположение о том, что агрессия колонии является функцией индивидуального поведения. Наибольшие различия между «профессиями» наблюдались в популяциях клеток грибовидных тел — эти структуры ответственны в том числе за обработку сенсорной информации, и ранее была показана их ассоциация с агрессией у пчел; и клеток астроцитоподобной глии, для которой была описана связь с поведенческой пластичностью у социальных насекомых. Примечательно, что различия в GRN объяснялись малым количеством транскрипционных факторов.

Наконец, авторы попробовали связать генетические факторы группового уровня с генетикой отдельной особи. Для этого было построено две GRN: одна на основе 30 ранее идентифицированных eGenes, другая на основе такого же количества случайно отобранных генов. GRN на основе eGenes имела значительно более плотную и организованную структуру. Это подтверждает, что генетические вариации, обуславливающие агрессию колонии, влияют на регуляцию генов мозга. Исследователи также идентифицировали 15 связей между транскрипционными факторами и их мишенями (TF-TG связей), демонстрирующих значимые различия между солдатами и рабочими.

Таким образом, групповой фенотип формируется за счет того, что генетический профиль колонии воздействует на регуляторные сети каждой отдельной особи.


У муравьев разных каст различается организация мозга

Источник

Traniello, I.M. et al. Single-cell dissection of aggression in honeybee colonies. // Nat Ecol Evol, published June 01, 2023. DOI: 10.1038/s41559-023-02090-0

Добавить в избранное