Znamy pełną sekwencję genów kolejnego zwierzęcia. Tym razem pszczoły. To już trzeci owad, którego DNA rozszyfrowano, ale pierwszy żyjący społecznie

Towarzyszą nam od co najmniej 10 tys. lat. Dają miód, leczą, zapylają drzewa owocowe, a na polu grykę czy rzepak. Długo się z nimi bratamy, lecz wciąż nie znamy wszystkich ich tajemnic. Co wynika z pierwszego czytania w genach pszczoły (Apis mellifera)? I dlaczego uczonym zależało, żeby akurat tego owada wziąć teraz na cel?

Odpowiedź publikują najnowsze wydania prestiżowych tygodników świata - "Nature", "Science", "Proceedings of the National Academy of Sciences" oraz "Genome Research". Jednocześnie ukazują się tam wyniki prac naukowców z największych ośrodków zaangażowanych w genetykę, m.in. z National Human Genome Research Institute, National Institutes of Health, a także Departamentu Rolnictwa USA.

Królowa, trutnie i świta

Już wcześniej genetycznej analizie poddano dwa owady - muszkę owocową i komara widliszka. Wybór dość oczywisty. Muszka od lat służy uczonym jako model do badania różnych genów, często bardzo zbliżonych do ludzkich. Zaś komar widliszek przenosi zarodźce malarii - powszechnej choroby, z którą naukowcy wciąż nie potrafią sobie poradzić.

Trudno się dziwić pasji badaczy. Oprócz tego, że pszczoły produkują miód i są najskuteczniejsze w zapylaniu kwiatów (a więc bezcenne dla światowego rolnictwa), są to owady społeczne. W obrębie jednego gatunku żyją osobniki o różnym statusie społecznym - jak w środowisku ludzi. Zrozumienie ich skomplikowanych zachowań na poziomie molekularnym jest nie lada gratką dla uczonych.

Pszczoła robotnica rodzi się w ulu i po 30-40 dniach umiera. Jej życie jest zaprogramowane w najmniejszych szczegółach, tak by jak najlepiej służyła społeczności. Już zaraz po wydostaniu się z komórki, w której się rozwijała, czyści ją, tak by królowa mogła tam niezwłocznie złożyć kolejne jajeczko. Potem jest niańką do dzieci. Ogrzewa larwy, a następnie, gdy mają więcej niż trzy dni, karmi je pyłkiem ubitym ze śliną. W szóstym dniu rozwijają się jej gruczoły głowowe produkujące mleczko pszczele - i owad staje się chodzącą butelką dla nowo narodzonych larw. Kiedy wybija 12. dzień życia, porzuca ona dotychczasowe zajęcie i staje się woszczarką. Rozwijają się u niej gruczoły woskowe i może produkować plastry. Potem jeszcze praca wartowniczki u wejścia do ula i wreszcie ostatni etap życia - zbieranie pyłku.

Inaczej wygląda życie trutnia, czyli samca. Rodzą się one tylko latem z niezapłodnionych jaj, żyją ok. 55 dni, spędzając czas na lataniu i oczekiwaniu na seks z królową. Spełniają się w jednym locie godowym, po czym... padają na ziemię i giną.

Życie królowej matki jest w zasadzie wygodne i długie (nawet siedem lat!) acz nudne. Jej "koronacja" wcale nie zależy od tego, czy ma w sobie królewską krew, ale jak długo była karmiona królewskim mleczkiem. Bez wątpienia można ją nazwać głową ula, ale to robotnice są szyją, która nią kręci. Podwładne zresztą odsuwają matkę, gdy zaczyna produkować jaja gorszej jakości, czyli po mniej więcej dwóch latach. Potem same wybierają, która larwa dzięki odpowiedniej diecie stanie się następną matką. Dostaje ona wtedy specjalne mleczko, które zawiera 65 proc. wody, a także białka, węglowodany, tłuszcze, witaminy i rożne minerały. Mleczko steruje aktywnością wielu genów, tworząc z takiego samego przecież materiału genetycznego dwie różne kasty owadów, szalenie odmienne pod względem zarówno fizjologii, jak i budowy.

Dzięki opublikowanym właśnie badaniom uczeni dowiedzieli się, że ponad 90 proc. zawartych w mleczku białek, zaliczanych do tzw. Major Royal Jelly Protein, wywodzi się z jednej grupy genów. Zespół uczonych z Australian National University pod kierunkiem dr. Ryszarda Maleszki odkrył nawet, że ich praprzodkiem był pewien gen obecny nawet u bakterii.

Chemia i feromony

Badając materiał genetyczny trutni, naukowcy odkryli, że w porównaniu z muszką i komarem pszczoły mają ponad dwa razy więcej genów kodujących receptory zapachu, bo aż 163.

Wynika to zapewne z tego, że ich przeżycie zależy od zdolności do rozpoznania kwiatowych zapachów i porozumiewania się za pomocą substancji zapachowych z innymi pszczołami.

Jednocześnie okazało się, że owady te są wyjątkowo ubogie w receptory smaku. Doszukano się tylko dziesięciu genów w porównaniu z 68 u muszki i 76 u komara. - Wcale nas to nie dziwi - twierdzą autorzy pracy Hugh Robertson i Kevin Wanner z University of Illinois w Urbana-Champaign. - Smak nie jest im potrzebny, bo lokalizują jedzenie za pomocą zapachu. Poza tym większość pszczół jest karmiona.

Owady te - co zdziwiło uczonych - mają też wyjątkowo mało genów odpowiedzialnych za pracę układu odpornościowego, a przecież żyją w wielkim tłoku, gdzie choroby wyjątkowo szybko się rozprzestrzeniają.

Wszystkich genów pszczoła ma tylko ok. 10 tys., czyli 10-15 proc. mniej niż muszka (13,6 tys.) i komar (14 tys.). Jak to możliwe, że stoi wyżej w hierarchii? To będzie badane w następnych latach.

Wskazówką na pewno jest to, że choć mózg pszczoły zawiera tylko milion neuronów (o pięć rzędów wielkości mniej niż człowiek), to jest to cztery razy więcej niż u muszki. Pewnie dlatego, że robotnice muszą sobie radzić z wieloma zadaniami. Uczą się rozpoznawania barwy kwiatów, ich kształtu, zapachu, lokalizacji. O miejscach obfitujących w pokarm informują się specjalnym "tańcem". Jeśli kwiaty są niedaleko (do 100 m), taniec jest okręcany, czyli owad biega po plastrze, zataczając koło raz w jedną, raz w drugą stronę. Kiedy trzeba polecieć dalej, pszczoła kręci ósemki, poruszając odwłokiem na boki. Przekazuje też informacje o kierunku lotu - głowa zadarta w gorę oznacza "leć w stronę słońca", a opuszczona - w przeciwną stronę.

Co steruje tak skomplikowanymi sposobami porozumiewania się? Tę wiedzę naukowcy starają się odczytać z genów.

Kombinują, jak mogą

O zachowaniu zwierzęcia w dużej mierze decydują neuropeptydy - specjalne białka służące komórkom nerwowym do kontaktowania się. Naukowcy z University of Illinois w Urbana-Champaign oszacowali, że w mózgu owada powinno istnieć ok. 200 takich neuropeptydów. Są one kodowane przez 36 genów, z czego aż 33 dotąd nieznanych. Osiem z nich nie ma żadnych odpowiedników u innych owadów.

Obecność 100 neuropeptydów już udało się (m.in. za pomocą spektrometrii) potwierdzić w laboratorium. Są one w dużej mierze związane ze społecznym życiem pszczół i będą teraz wnikliwie badane. Znalezienie reszty będzie dość trudne, bo białka te mają różną wielkość i kształt. Na podstawie samego genu często nie sposób ustalić, jaki jest kodowany przez niego neuropeptyd. Poza tym ich liczba jest znikoma, a pojawiają się w mózgu owada jedynie w określonych momentach jego rozwoju.

Z odczytanego genomu pszczoły wynika również, że owady te mają największy ze wszystkich zwierząt stopień rekombinacji genetycznych. Co to znaczy? Rekombinacja to proces, podczas którego materiał genetyczny owada otrzymany od matki i ojca miesza się w trakcie seksualnej reprodukcji, tworząc nową jakość. Ten proces jest wyjątkowo ważny dla pszczół, gdyż w rodzinie matką wszystkich owadów jest królowa (czyli wszystkie pochodzą z tego samego materiału genetycznego). Rekombinacja umożliwia zachowanie różnorodności genetycznej. A ta jest gwarancją ich zdrowia.

Co jeszcze można wyczytać z pszczelich genów? Że te, które sterują ich zegarem biologicznym, są bardzo podobne do... genów kręgowców, a nie owadów. Takich ciekawostek doszukamy się pewnie więcej. Bo przecież przemiana organizmu żyjącego samotnie w twór społeczny musiała wymagać wielu zmian już na poziomie molekularnym. Oj, będzie co badać.


Źródło: Margit Kossobudzka, gazeta.pl