Autor: Małgorzata Cebrat

Małgorzata Cebrat – jestem biotechnolożką z wykształcenia i biolożką molekularną z zawodu. Od kilku lat prowadzę badania na temat genetyki pszczół. Najczęściej można mnie zastać albo w pasiece, albo na obserwowaniu ptaków (z aparatem fotograficznym w ręku), a gdy pogoda nie dopisuje – przy drukarce 3D.

Jak zostać królową, czyli do czego służy obżarstwo (u pszczół)

Małgorzata Cebrat7 komentarzy

(ku pokrzepieniu serc wszystkich, którzy uważają, że przesadzili z pączkami w Tłusty Czwartek)

Powiązane wpisy:
Maminsynki i córeczki wielu tatusiów czyli o intymnym życiu pszczół miodnych 
Maminsynki i córeczki wielu tatusiów, czyli co decyduje o płci pszczół

Swoje dwa pierwsze wpisy poświęciłam na wyjaśnienie mechanizmu odpowiedzialnego za to, czy pszczoła (Apis mellifera) staje się samicą albo samcem: działa on na zasadzie molekularnego przełącznika, którym jest gen csd – jeżeli pszczoły posiadają dwie różne odmiany (allele) genu csd – stają się samicami, jeżeli posiadają tylko jedną kopię csd (lub dwie kopie, ale tej samej odmiany) – stają się samcami. Choć mechanizm determinacji płci na poziomie molekularnym składa się z wielu następujących po sobie procesów, to jednak na jego początku znajdują się białka csd, których działanie skierowuje rozwijającą się pszczołę na jedną z dwóch ścieżek. Przypadki pośrednie, to znaczy pszczoły z nieokreśloną płcią, są praktycznie nieznane. Determinacja płci u pszczół działa więc zero-jedynkowo, a ponadto jest ściśle uzależniona od czynników genetycznych.

Kasty u pszczół

Równie fascynujące, ale dużo bardziej skomplikowane są mechanizmy, które są odpowiedzialne za to, do jakiej kasty należeć będzie samica – czy stanie się matką (królową), czy też robotnicą. Kastowość jest zjawiskiem stosunkowo popularnym u owadów społecznych – polega ono na tym, że z osobników identycznych genetycznie mogą się rozwinąć osobniki, które będą znacząco się różnić, tworząc wyodrębnione grupy (kasty) spełniające w rodzinie odrębne funkcje. O ile więc niewłaściwe jest uważanie trutni za odrębną kastę (bo różnią się one genetycznie od samic), o tyle robotnice i królowe należą faktycznie do osobnych kast. Różnice pomiędzy królowymi i robotnicami widać już na pierwszy rzut oka. Robotnice są znacznie mniejsze (ok. 1,5x), co szczególnie jest widoczne w przypadku odwłoka, który u robotnic jest zakryty skrzydełkami, natomiast u matek skrzydełka sięgają jedynie do mniej więcej połowy jego długości.

Robotnica (u góry) i matka (na dole). Fot. Alex Wild

Odwłok królowej skrywa w swoim wnętrzu cały układ rozrodczy, a najwięcej miejsca zajmują ogromne jajniki (zbudowane ze średnio 160 rurek jajnikowych), zdolne do produkowania nawet kilku tysięcy komórek jajowych dziennie. Jajniki robotnic są bardzo silnie zredukowane i zawierają zaledwie kilka rurek jajnikowych. Robotnice nie posiadają też rozwiniętej spermateki, czyli narządu, w którym gromadzone są plemniki trutni przekazywane matce w czasie lotu godowego, oraz gruczołów wydzielających substancje utrzymujące plemniki przy życiu.

Jajniki królowej (po lewej) i robotnic (po prawej). Duncan i wsp., 2016

Królowe z kolei nie posiadają cech, które są potrzebne robotnicom do spełniania roli jako karmicielek, zbieraczek i obrończyń. Robotnice posiadają więc dłuższe języczki, którymi pobierają nektar, mają lepiej rozwinięte oczy i więcej receptorów na swoich czułkach. Posiadają koszyczki na zewnętrznej powierzchni goleni tylnej pary odnóży, służące do przenoszenia pyłku. Robotnice mają także gruczoły wydzielające wosk, który służy do budowy plastra. Matki i robotnice różnią się jakością wydzielanych przez siebie feromonów i obecnością gruczołów ich produkujących.

Bardzo ciekawą różnicą pomiędzy matkami a robotnicami jest budowa żądła – robotnice posiadają żądła przypominające harpun, co powoduje, że żądło pozostaje w skórze atakowanego zwierzęcia i stanowi skuteczny środek obrony przez drapieżnikami (kto został choć raz pożądlony przez pszczoły, ten wie, jak bardzo skuteczny), niestety jednak powodujący, że robotnice giną w czasie obrony swojej rodziny. Do zadań matek nie należy obrona gniazda, co jednak nie znaczy, że są pacyfistkami – żądło służy im do pojedynkowania się z innymi matkami w obrębie tej samej rodziny i do zabijania jeszcze niewyklutych matek. Ten proces siostrobójstwa następuje wtedy, gdy rodzina wychowuje nową matkę, która ma zastąpić starą i niesprawną matkę lub objąć panowanie w rodzinie, z której stara matka odleciała (w czasie rojenia się). Jako gwarancję, że wszystko pójdzie jak należy, pszczoły wychowują więcej młodych matek, które później brutalnie rozstrzygają między sobą, która „obejmie panowanie” w rodzinie. Zrozumiałe jest zatem, że żądła matek nie mogą pozostawać w ciele ich ofiar, bo wtedy one same stały by się ofiarą swojego zwycięstwa – ich żądła nie posiadają zatem zadziorków, a zdolność do produkcji jadu spada wraz z wiekiem matki, bo po młodzieńczym okresie pojedynkowania się jad przestaje być królowej potrzebny. Również skład jadu różni się pomiędzy robotnicami a matką – ten u robotnic jest bardziej przystosowany do zrobienia jak największej szkody kręgowcom, zaś matki – innym pszczołom.

Walka matek (http://beespoke.info/2016/06/25/fighting-queen-bees)

Co jedzą królowe i robotnice

Przywiązałam tak nieproporcjonalnie dużą wagę do żądła i jadu nie bez powodu; po pierwsze, ten przykład obrazuje wiele poziomów, na których różnią się matki i robotnice (zachowanie, anatomia i skład wydzielanych substancji), co z kolei silnie sugeruje, jak złożone muszą być procesy, które są w stanie sterować rozwojem tak różnych od siebie pszczół z identycznych genetycznie osobników. Po drugie zaś – pojedynkowanie się młodych matek kieruje naszą uwagę na wspomniany już proces ich powstawania. A to właśnie różnice w sposobach wychowywania larw przez rodzinę decydują o tym, czy pszczoła będzie królową lub robotnicą.

Ze złożonego przez królową zapłodnionego jaja po trzech dniach wykluwa się larwa, która przez pierwsze trzy dni swojego życia karmiona jest mleczkiem pszczelim wydzielanym przez pszczoły-karmicielki. Po tym czasie larwy przeznaczone do bycia matkami są w dalszym ciągu karmione tym „królewskim” mleczkiem (RJ, od angielskiego „royal jelly”), natomiast larwy przyszłych robotnic karmione mleczkiem „robotnic” (WJ, ang. „worker jelly”) z dodatkiem miodu i pyłku roślin. O ile przyszłe królowe są karmione bardzo obficie i wręcz pływają w przeznaczonym dla nich pokarmie, to robotnice są karmione tylko wystarczająco.

Po lewej: larwy przyszłych królowych skąpane w mleczku pszczelim (https://www.wired.com/2015/09/royal-jelly-isnt-makes-queen-bee-queen-bee/; Waugsberg CC). Po prawej: poczwarka królowej wewnątrz swojej komórki, Ryszard Maleszka BY CC)

Jeśli to właśnie pokarm jest tym, co różnicuje kasty, to oczywistym staje się pytanie, czym różnią się od siebie pokarmy robotnic i królowych. Najbardziej zauważalną różnicą jest znacznie większa ilość cukrów w RJ – dowiedziono eksperymentalnie, że suplementacja pokarmu robotnic zwiększoną ilością cukru sprawia, że zaczynają rozwijać się matki. Czyżby to było aż takie proste? Chyba nie. Badacze skłaniają się ku hipotezie, że zwiększona podaż cukru zachęca larwy do jedzenia, innymi słowy: cukier działałby jako stymulant apetytu dla niejadków, powodując, że larwy przy okazji jadłyby większą ilość innych substancji zawartych w podawanym im pokarmie, a które miałyby sprawić, że rozwijałyby się królowe. Czym są te tajemnicze inne substancje? Nie do końca wiadomo – kilka lat temu zostało ogłoszone, że jest to jedno z białek zawartych w dużych ilościach w RJ – białko MRJP1 (ang. major royal jelly protein 1, „royalactin”), ale autorzy kolejnej pracy stwierdzili, że to nieprawda i że nie da się powtórzyć eksperymentów wskazujących na decydującą rolę MRJP1. W odpowiedzi autor pierwszej pracy udowadniał, że autorzy drugiej pracy użyli innych warunków hodowli pszczół… Spór trwa.

Robotnice rozwijają się w małych (drugi plan), zaś matki w dużych, zwisających komórkach. Fot. Rusty Barlow (https://www.honeybeesuite.com/is-it-a-swarm-cell-or-a-supersedure-cell)

Jacy są inni kandydaci? Jest nim na przykład 10-HDA (kwas 10-hydroksy-2-decenowy), którego jest znacznie więcej w RJ. 10-HDA jest substancją hamującą enzym zwany deacetylazą histonów. Acetylacja histonów, białek wokół których oplecione są nici DNA, powoduje, że DNA jest bardziej „rozluźnione”, co wpływa pozytywnie na możliwość ekspresji genów. Deacetylaza, odrywając reszty acetylowe od histonów, powoduje, że DNA jest ciaśniej nawinięte i niedostępne. 10-HDA zatem, hamując deacetylazę, powoduje zwiększoną dostępność DNA i podwyższa poziom ekspresji genów.

Inni badacze zwrócili zaś uwagę, że może za bardzo zafiksowaliśmy się na poszukiwaniu składników pokarmu charakterystycznych dla pokarmu matek, a nie zwracamy wystarczająco dużo uwagi na elementy pokarmu robotnic. Takim składnikiem mogłyby być tzw. mikroRNA, czyli krótkie RNA pełniące funkcje regulujące (na ogół negatywnie) ekspresję genów. Okazało się, że w pokarmie robotnic jest zdecydowanie więcej mikroRNA i że sztuczna suplementacja pokarmu królowej tymi mikro-RNA powoduje zwrot rozwoju w kierunku robotnic. Innym ciekawym odkryciem było pokazanie, że jeden ze składników pyłku kwiatowego, który dodawany jest wyłącznie do pokarmu robotnic, a którym jest kwas p-kumarowy, działa jako środek chemicznej kastracji. Dodanie kwasu p-kumarowego do pokarmu matek powodowało niedorozwój jajników.

Jeden, by wszystkimi rządzić?

Jest bardzo prawdopodobne (a w zasadzie już pewne), że poszukiwanie pojedynczego czynnika różnicującego pokarm matek i robotnic jest skazane na niepowodzenie. Jest to stwierdzenie dość uzasadnione – zakłada bowiem, że gdyby pojedynczy czynnik zarządzał wszystkim, to determinacja kasty byłaby zero-jedynkowa, czyli np. gdyby ten czynnik był obecny, to larwa rozwijałaby się jako królowa, a jeśli nie – jako robotnica, analogicznie do sytuacji przy determinacji płci (dwa różne allele csd – samica, brak różnych – samiec). Tymczasem w determinacji kast takiej zero-jedynkowej sytuacji nie obserwujemy, szczególnie w warunkach laboratoryjnej hodowli larw. Istnieją bowiem osobniki form pośrednich, to znaczy robotnice z pewnymi cechami matek, albo matki z cechami robotnic. Granica pomiędzy tymi pośrednimi formami jest płynna. Istnienie form pośrednich wskazuje na to, że sygnały pochodzące ze środowiska są złożone i równie złożone są szlaki sygnałowe od nich zależne, zaś odpowiednia siła tych sygnałów prowadzi do zróżnicowanej ekspresji genów odpowiedzialnej za różne ścieżki rozwojowe. Sprawia to, że o odtworzenie idealnych warunków jest praktycznie niemożliwe w warunkach laboratoryjnych. Formy pośrednie pomiędzy matkami i robotnicami pojawiają się również naturalnie – dzieje się tak wtedy, gdy larwa nieco starsza niż trzydniowa zaczyna być na nowo karmiona pokarmem matek. Taka sytuacja ma miejsce np. wtedy, gdy z powodu jakiejś katastrofy ginie panująca w rodzinie królowa (np. nie wraca z lotu godowego), a w gnieździe brakuje młodszych larw. Powstaje więc awaryjna matka, znacznie mniejsza niż te „prawdziwe”, która nie posiada również pełnego potencjału rozrodczego. Jej zadaniem jest przeprowadzenie rodziny przez kryzys – składa zatem zapłodnione jaja, z których robotnice wychowują pełnowartościowe matki. Po spełnieniu tej funkcji awaryjna matka zostaje zlikwidowana (muszę przyznać, że wchodząc w szczegóły życia rodzinnego pszczół przestaję być ich bezkrytyczną fanką).

Wchodząc głębiej

Wiedząc, że to składniki pokarmu pełnią kluczową rolę w decyzji o wyborze kasty, ale nie wiedząc, które konkretnie czynniki to są, można teraz (z pewnym zakłopotaniem) spróbować wejść głębiej w molekularne mechanizmy tych procesów, czyli spróbować zdefiniować, które szlaki sygnałowe są regulowane przez te enigmatyczne czynniki zewnętrzne. To, co już wiadomo na pewno, to fakt, że do tych szlaków sygnałowych należą IIS (ang. insulin and insulin-like signalling) i TOR (ang. target of rapamycin) – zaburzenie tych szlaków sygnałowych (obu lub z osobna) poprzez obniżenie (za pomocą techniki RNAi) poziomu ekspresji genów kodujących ich elementy, prowadziło do zahamowania powstawania matek i skierowanie rozwoju w stronę robotnic. Szlaki te ze sobą współdziałają prowadząc do powstawania hormonu juwenilnego – podawanie hormonu juwenilnego larwom z uszkodzonymi szlakami IIS i TOR przywracało rozwój matek. Funkcją hormonu juwenilnego jest zaś zapobieganie programowanej śmierci (apoptozy) komórek tworzących jajniki. Hormon juwenilny kontroluje również uwalnianie eksdysteroidów, które biorą udział zarówno w rozwoju jajników, ale na dalszym etapie rozwoju – również mózgu.

Chciałabym jeszcze raz podkreślić, że osobniki poszczególnych kast mogą się rozwinąć z osobników identycznych genetycznie. O ile więc podłoże genetyczne jest takie samo, omawiane procesy muszą wpływać na bardzo zróżnicowaną ekspresję genów – to jest włączanie lub wyłączanie aktywności poszczególnych genów. Informacja o tym, który gen ma być włączony lub wyłączony musi być dziedziczona przez kolejne pokolenia komórek rozwijającej się pszczoły. Taką kontrolę ekspresji genów nazywa się kontrolą epigenetyczną, a podstawowymi mechanizmami za nią stojącymi są wspomniana już modyfikacja histonów i metylacja DNA. Modyfikacja chemiczna histonów reguluje poziom upakowania DNA i jego dostępność, natomiast metylacja DNA powoduje wiązanie się białek do konkretnych regionów DNA, co również wpływa na dostępność tych fragmentów dla maszynerii odpowiedzialnej za ich ekspresję. I faktycznie, oba te procesy wpływają na decyzję królowa vs. robotnica – np. sztuczne obniżenie poziomu jednego z enzymów odpowiedzialnych za metylację DNA powodowało pojawienie się cech charakterystycznych dla matek.

Podsumowanie (sfrustrowane)

Kończąc opisywanie mechanizmów odpowiedzialnych za determinację kast u pszczół, zdałam sobie sprawę ze swojej ogromnej frustracji – badania toczą się od ponad stu lat, a zrozumienie tego procesu wciąż nam umyka. Niby wiadomo, że jest on zależny od pokarmu, ale nie wiadomo, jakich konkretnie jego składników. Cukier jest ważny, ale chyba tylko jako bodziec stymulujący jedzenie. Mamy też zawarte w diecie mikroRNA i kwasy tłuszczowe – oba te czynniki wpływają bezpośrednio na ekspresję genów z pominięciem szlaków sygnałowych. Mamy chemiczną kastrację spowodowaną zjadaniem pyłku. Szlaki sygnałowe uruchamiane bodźcami zewnętrznymi – nawet wiemy jakie, ale może być ich więcej. Mechanizmy epigenetyczne – oczywiście, ale jak to się dzieje, że kontrolują tylko wybrane geny? Setki genów zmieniających ekspresję i to w dodatku na różnych etapach rozwoju larwy. Skład pokarmu zmieniający się w zależności od etapu rozwoju. Jeżeli odnosicie wrażenie, że jest to trochę nieskładna wyliczanka czynników, to jest to dobre wrażenie – mamy sporo elementów układanki, ale ułożenie z nich spójnego, pięknego obrazu zajmie jeszcze sporo czasu.

Idę coś zjeść, z dużą ilością cukru (chyba mi jeszcze zostały pączki z lukrem).

Może stanę się królową?

Maminsynki i córeczki wielu tatusiów, czyli co decyduje o płci pszczół

Małgorzata Cebrat2 komentarze 
Powiązane wpisy:
Maminsynki i córeczki wielu tatusiów, czyli o intymnym życiu pszczół miodnych
Jak zostać królową, czyli do czego służy obżarstwo (u pszczół)

W moim poprzednim wpisie opowiedziałam o tym, że samce i samice pszczół znacznie się od siebie różnią pod względem genetycznym. Dla przypomnienia: samce pszczół (trutnie) posiadają pojedynczy zestaw chromosomów (fachowo mówiąc – są haploidalne), gdyż rozwijają się z niezapłodnionej komórki jajowej, zaś samice (robotnice i matki) rozwijają się z zapłodnionej komórki jajowej i wobec tego mają podwójny zestaw informacji genetycznej – pochodzący zarówno od matki jak i od ojca, i są diploidalne. Wspomniałam również, że możliwym wytłumaczeniem powstania takiego systemu rozmnażania i determinacji płci jest to, że pojedynczy zestaw informacji genetycznej u samców powoduje, że są one szczególnie wrażliwe na mutacje. Skutki mutacji upośledzających lub wyłączających funkcję danego genu upośledzają lub wręcz eliminują danego trutnia, gdyż nie mogą być maskowane obecnością drugiej (prawidłowej) kopii tego genu (tak jak ma to miejsce u samic), i w związku z tym mutacje takie nie są przekazywane przez trutnie kolejnym pokoleniom pszczół.

Diploidalne trutnie

Z powodu mojego ewidentnego „pszczołocentryzmu”, zawężonego jeszcze dodatkowo do pszczoły miodnej, Czytelnik mógłby odnieść wrażenie, że ten specyficzny sposób rozmnażania dotyczy właśnie tego gatunku. A tak nie jest – system haplodiploidalny, oparty na „pojedynczości” informacji genetycznej samców i „podwójności” samic, jest szeroko rozpowszechniony i dotyczy owadów błonkoskrzydłych (pszczoły, osy, mrówki), roztoczy, wciornastków, niektórych chrząszczy i wrotków – około 20% wszystkich gatunków zwierząt.  I właśnie obserwacja innych gatunków owadów (a konkretnie pasożytniczych os) doprowadziła do odkrycia, że mogą również powstawać, choć rzadko, samce posiadające podwójny zestaw chromosomów. W przypadku pszczoły miodnej samce takie nie przeżywają, gdyż ich larwy są zabijane przez robotnice zaraz po wykluciu. Eliminacja tych trutni przez robotnice została po raz pierwszy opisana przez Jerzego Woyke (kolejny, po wspomnianym w poprzednim wpisie Janie Dzierżoniu, polski wątek w badaniach na temat płci u pszczół). Nie do końca wiadomo, w jaki sposób robotnice poznają, że wykluta larwa jest diploidalnym trutniem – przypuszczalnie wyczuwają to węchem, choć mimo podejmowanych badań, hipoteza ta nie została do tej pory zweryfikowana.

Gen csd

Jaki jest w takim razie mechanizm determinacji płci u pszczół i w jaki sposób jest on na ogół związany z ich haplo- i diploidalnością? Nie omawiając kolejnych kroków wieloletnich badań, pozwolę sobie przejść od razu do ich wyniku. Okazało się zatem, że jest za to odpowiedzialny jeden gen – csd (ang. complementary sex determiner). W populacji pszczół występują liczne warianty genu csd. Konkretna pszczoła, jak pamiętamy, może powstać z zapłodnionej komórki jajowej, posiada zatem podwójny zestaw informacji genetycznej i w związku z tym posiada dwie kopie genu csd. Jeżeli te kopie genu csd są od siebie różne,to powstaje samica, a jeśli takie same – diploidalny truteń (ten, który zostanie zabity przez robotnice). Pszczoły powstające z niezapłodnionych komórek jajowych, posiadające pojedynczy zestaw informacji genetycznej, a zatem tylko jedną kopię genu csd, rozwijają się jako „zwykłe” trutnie (Rycina 1). A co konkretnie robi csd? Badania prowadzone od około 20 lat, których kolejna część została opublikowana dosłownie dwa tygodnie temu, pokazują, że białko kodowane przez gen csd tworzy trójskładnikowe kompleksy „samo ze sobą”. Jeżeli w kompleksie znajdują się białka różniące się między sobą (bo były kodowane przez różne warianty genu csd), to taki kompleks jest aktywny, włączając molekularną ścieżkę powstawania samicy. Jeżeli zaś w kompleksie znajdują się identyczne białka csd (kodowane przez ten sam wariant genu csd), kompleks ten jest nieaktywny, co powoduje włączenie ścieżki prowadzącej do powstania samca.

Jaka różnica robi różnicę?

Wiedząc już, że to konfiguracja wariantów genu csd (dwa różne lub dwa takie same warianty, bądź tylko jedna kopia genu csd), u konkretnej pszczoły powoduje jej rozwój w kierunku danej płci, wypadałoby się zastanowić, co to właściwie znaczy „różne warianty”. Czy jakakolwiek różnica w sekwencji pomiędzy wariantami csd będzie funkcjonalna? Sprawa ta jest przedmiotem sporu, w który również jest zaangażowana pisząca te słowa. To, co wiadomo raczej na pewno, to fakt, że istotne są tylko różnice w sekwencji końcowej części białka, tak zwanej domenie PSD. Domena ta kodowana jest fragment DNA, który często podlega mutacjom, które doprowadzają zarówno do podmiany reszt aminokwasowych w kodowanym białku, jak i również do skracania lub wydłużania tego fragmentu. To, co jest przedmiotem kontrowersji, to określenie, ile zmian w pozycjach aminokwasowych kodowanych białek powoduje, że dana para białek csd będzie tworzyć aktywny kompleks. Analizując pary wariantów csd występujące u robotnic i wiedząc, że jeżeli dana para wariantów doprowadziła do powstania robotnicy, to musi być funkcjonalna, jedna z grup badawczych wyciągnęła wniosek, że minimalna liczba różnic to pięć reszt aminokwasowych w domenie PSD. Ci sami badacze odkryli również parę wariantów csd, różniących się od siebie trzema resztami aminokwasowymi, która była tylko częściowo funkcjonalna, to znaczy na ogół prowadziła do powstania samców, ale również od czasu do czasu – samic. Wniosek „różnicę robi co najmniej pięć aminokwasów” wydaje się jednak przedwczesny, ponieważ w czasie badań autorstwa naszej grupy, przeprowadzonych na dużo większej liczbie robotnic pochodzących z różnych rodzin, udało się „upolować” parę wariantów csd różniących się jedynie jedną resztą aminokwasową, a mimo wszystko w pełni funkcjonalną, to znaczy wydajnie prowadzącą do rozwoju samic. Wobec małej liczby danych (pojedynczych przypadków par wariantów nieznacznie od siebie się różniących) nie sposób powiedzieć, co będzie tu regułą, a co wyjątkiem. Zachowując ostrożność, w tej chwili można jedynie wnioskować, że to nie liczba różnic w pozycjach aminokwasowych jest ważna, a pozycja zmiany i otaczająca ją sekwencja.

Ile jest wariantów csd i dlaczego to takie ważne?

Na tym etapie ktoś mógłby już zacząć podejrzewać, że poznawanie dokładnego mechanizmu działania csd, nie mówiąc już o sporach dotyczących „minimalnej różnicy” są klasyczną tetrapiloktomią (sztuką dzielenia włosa na czworo, patrz „Wahadło Foucaulta U. Eco). Jakie to ma znaczenie? Odpowiedź brzmi – ogromne. O ile do tej pory prowadziłam Czytelnika w głąb – od pszczelej rodziny, przez poszczególnych jej członków i ich informację genetyczną, działanie csd i w końcu jego strukturę, tak teraz, mając już tę wiedzę, chciałabym zaproponować powrót do poziomu rodziny, a nawet całej populacji pszczół.

            Przede wszystkim należy zauważyć, że powstawanie diploidalnych trutni nie jest korzystne dla rodziny pszczelej. Można uznać, że są one genetycznym „wypadkiem przy pracy”, gdyż powstają z zapłodnionych komórek jajowych, a więc miały być samicami (najprawdopodobniej robotnicami). Nieszczęśliwy zbieg okoliczności sprawił, że w jednym organizmie znalazły się dwa identyczne warianty genu csd (pochodzące od matki i od trutnia) i nie został uruchomiony molekularny szlak odpowiedzialny za powstanie samicy. Powstający diploidalny truteń jest eliminowany przez swoją rodzinę (gdyby przeżył i tak nie byłoby z niego pożytku, bo nie mógłby się rozmnażać). A to jest strata – zasobów, czasu i miejsca, które mogłyby być przeznaczone na wyprodukowanie robotnicy. A pszczela rodzina jest między innymi silna liczebnością swoich robotnic. Wyobraźmy sobie skrajny przypadek, czyli co by było, gdyby matka była zaplemniona przez tylko jednego trutnia, do tego niosącego wariant csd identyczny z jednym z jej wariantów csd (Rycina 2). Otóż aż połowa jej diploidalnego potomstwa spisana by była na straty, gdyż posiadałaby w swoim genomie dwa identyczne warianty csd.

            Jak więc pszczoły minimalizują prawdopodobieństwo powstawania diploidalnych trutni? Na dwa główne sposoby: matka leci w lot godowy daleko od własnego gniazda, aby zminimalizować prawdopodobieństwo kopulacji z własnymi braćmi, oraz kopuluje z wieloma różnymi trutniami, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo na zebranie plemników z różnymi wariantami csd. Wydaje się jednak, że kluczem do sukcesu jest utrzymanie w populacji odpowiednio dużej różnorodności wariantów csd. Im jest ich więcej, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że w jednym organizmie spotkają się dwa takie same. Ile zatem jest tych wariantów? I tu znowu są spore kontrowersje – wiele lat temu uważało się, że kilkanaście (ku mojemu ubolewaniu w dalszym ciągu nawet najnowsze publikacje w ślepo podają taką informację). Później twierdzono, że na całym świecie jest ich około 140. My z kolei pokazaliśmy, że nie sposób tego oszacować, bo warianty csd są nierównomiernie rozłożone zarówno pod względem częstotliwości, jak i miejsca występowania – innymi słowy, pobierając pszczoły do badania z różnych miejsc, jest duża szansa, że znajdzie się zupełnie inny zestaw wariantów. Do tej pory zgłoszono już kilkaset różnych sekwencji csd do publicznych baz danych, co oznacza, że gen csd jest jednym z najbardziej różnorodnych z poznanych do tej pory genów.

            Co sprawia, że wariantów csd jest tak dużo? Jest to bardzo specyficzna sekwencja DNA kodująca domenę PSD, która jest bardzo podatna na mutacje. Składa się ona z licznych powtarzających się elementów, które sprawiają, że maszyna kopiująca DNA jest bardziej podatna na popełnianie błędów, szczególnie takich, które wydłużają bądź skracają nowopowstającą nić DNA. Jeśli na skutek mutacji powstanie nowy wariant csd, to znajduje się on w uprzywilejowanej pozycji w stosunku do już istniejących w populacji wariantów, gdyż niezależnie od tego, kto mu się „trafi do pary” w powstającym diploidalnym organizmie, to zawsze taka para będzie funkcjonalna, to znaczy powstanie samica. I tak nowy wariant będzie się propagował w populacji z dużym powodzeniem, aż do momentu, kiedy stanie się tak częsty, że prawdopodobieństwo, że trafi „na samego siebie” w nowopowstającym organizmie będzie na tyle istotne, że zacznie być częściowo eliminowany z populacji z powodu powstawania diploidalnych trutni. W tym momencie, mam nadzieję, zaczyna być zrozumiałe, dlaczego naukowcy tak bardzo się spierają o kwestię „wystarczającej różnicy” pomiędzy wariantami csd – gdyby były znane te kryteria, można by było oszacować, jak szybko mogą powstawać nowe warianty, które z już istniejącymi wariantami mogłyby tworzyć funkcjonalne pary i jaka byłaby ich dynamika rozprzestrzeniania się w populacji.

Wir diploidalnych trutni

Wyobraźmy sobie teraz czarny scenariusz – mamy na danym terenie populację pszczół, której liczebność została w jakiś sposób zaburzona przez czynniki zewnętrzne (pasożyty, insektycydy, niedostatek pożywienia, fatalną pogodę…). Wraz ze spadkiem liczby rodzin zmniejsza się różnorodność wariantów genu csd w takiej populacji. W ślad za tym spadkiem wzrasta prawdopodobieństwo, że nowe matki będą zaplemniane przez trutnie niosące takie same warianty csd, które mają matki, a więc zamiast robotnic będzie powstawać pewien odsetek diploidalnych trutni. To z kolei może osłabiać rodziny i powodować ich śmierć. Spadek liczby rodzin spowoduje coraz większy spadek różnorodności csd, i tak dalej, i tak dalej, aż cała populacja w końcu wyginie. Efekt ten został przewidziany symulacjami matematycznymi i został nazwany wirem diploidalnych trutni (Rycina 3). Mając to na względzie, można wnioskować, że obecne problemy ze zwiększającą się śmiertelnością pszczół, choć są niewątpliwie stymulowane wspomnianymi czynnikami zewnętrznymi,  mogą być dodatkowo napędzane mechanizmem powstawania diploidalnych trutni. Nie można nie odnosić się zatem sceptycznie do niektórych praktyk hodowlanych, które powodują dodatkowe obniżenie różnorodności genetycznej populacji pszczół, szczególnie masowej produkcji blisko spokrewnionych ze sobą matek pszczelich i ich kontrolowanej inseminacji spermą pochodzącą od ograniczonej liczby trutni, często blisko ze sobą spokrewnionych. Praktyki takie, choć pomagające w osiągnięciu celów hodowlanych, jakimi są wyprowadzenie linii pszczół o pożądanych cechach, powinny być jednak głęboko przemyślane pod kątem niekorzystnego wpływu, jaki mogą wywrzeć na całą populację pszczół.

Maminsynki i córeczki wielu tatusiów, czyli o intymnym życiu pszczół miodnych

Małgorzata Cebrat2 komentarze 
Powiązane wpisy:
Maminsynki i córeczki wielu tatusiów, czyli co decyduje o płci pszczół
Jak zostać królową, czyli do czego służy obżarstwo (u pszczół)

Historia, którą chcę dzisiaj opowiedzieć, powinna mile połechtać próżność polskiego czytelnika, gdyż badania naukowe, które dotyczą tego, w jaki sposób pszczoły stają się tytułowymi maminsynkami albo córeczkami tatusiów, rozpoczyna się w połowie XIX wieku od wielce frapującego odkrycia polskiego naukowca – Jana Dzierżona (rycina 1). Dzierżon znany jest pszczelarzom głównie z tego powodu, że opracował budowę współczesnego ula z ruchomymi ramkami, co znacznie zwiększyło wygodę i wydajność hodowli pszczół i pozyskiwania miodu. Dla naszej opowieści kluczowe jest jednak inne jego odkrycie, a mianowicie, że pszczoły mogą się rozmnażać poprzez dzieworództwo.

Rodzina pszczela i obyczaje godowe pszczół

Zanim powtórnie zdecyduję się użyć tego terminu naukowego, winna jestem Czytelnikowi wyjaśnienie, jakie są obyczaje godowe pszczół i przy okazji zaznaczyć, że wszędzie tam, gdzie piszę o pszczołach bez dodatkowego doprecyzowania gatunku, mam na myśli pszczołę miodną (Apis mellifera L.). Zacznijmy zatem od tego, jak wygląda rodzina pszczela. Otóż składa się ona z wielu tysięcy (w szczycie rozwoju rodziny – kilkudziesięciu tysięcy) niepłodnych samic, których zadaniem jest robienie wszystkiego poza rozmnażaniem, czyli: zbieranie i przetwarzanie pokarmu, budowa i utrzymywanie czystości gniazda (znajdującego się w ulu, dziupli lub jakiejś innej wnęce), opieka nad potomstwem, obrona przed agresorami, utrzymywanie temperatury gniazda… Nic dziwnego, że pszczoły te nazywa się robotnicami – one dosłownie zaharowują się na śmierć: robotnice żyjące wiosną i latem żyją zaledwie około 30 dni, tym krócej, im bardziej intensywnie pracują (swoją drogą – powinno nam to dać trochę do myślenia, prawda?). Robotnice, które zimują, żyją znacznie dłużej (od jesieni do wiosny). Robotnice są samicami. Samicą jest również matka, której zadaniem jest wyłącznie rozmnażanie się. Otoczona troskliwą opieką, matka spędza całe dnie i noce na składaniu jaj, z których później wykluje się jej potomstwo. No i są jeszcze samce – trutnie – w rodzinie jest ich kilkaset i można powiedzieć, że ich jedynym życiowym celem jest próba zapłodnienia jakiejś matki (rycina 2).

Mając już z grubsza scharakteryzowanych członków rodziny, możemy puścić w ruch jej cykl życiowy. Zacznijmy od momentu, kiedy w przyrodzie wszystko idzie po myśli pszczół, czyli jest ciepło, nie pada i pokarmu jest pod dostatkiem – wtedy liczba pszczół w rodzinie gwałtownie przyrasta i przestają się mieścić w gnieździe. Wówczas zapada zbiorowa rodzinna decyzja, że należy wyhodować młode matki. Matki pod względem genetycznym niczym nie różnią się od robotnic, ale larwy przeznaczone do bycia matkami są karmione przez robotnice innym, specjalnym pokarmem. Taka dieta sprawia, że w komórkach rozwijającego się organizmu przyszłej matki uruchamiana jest ekspresja innych niż u robotnic genów (jest to tak zwana kontrola epigenetyczna), co sprawia, że powstaje znacząco inne, morfologicznie i fizjologicznie, ciało. Gdy młode matki są już prawie gotowe do wyklucia, matka rodziny opuszcza gniazdo z częścią robotnic i szuka sobie nowego domu, zostawiając stare gniazdo swojej następczyni. Pierwsze, co robi młoda matka po wykluciu, to eksterminacja wszystkich pozostałych (jeszcze niewyklutych) młodych matek. Dokonawszy tego siostrobójstwa i objąwszy niepodzielną władzę nad rodziną, młoda matka leci w lot godowy aby kopulować z trutniami. Po serii takich lotów matka wraca do gniazda i rozpoczyna składanie jaj, z których wylęgną się członkowie jej rodziny – robotnice i trutnie, a jeżeli warunki pozwolą, to w kolejnym roku – również młode matki.

Przeleciałam, nomen omen, dość szybko przez moment lotu godowego, ale tutaj musimy się zatrzymać, bo to jest chwila krytycznie ważna dla matki, jej rodziny, ba! – dla całej populacji pszczół. Tym, co wzbudza chyba największe emocje, jest fakt, że matka w czasie swoich lotów godowych kopuluje z wieloma trutniami – uważa się, że jest ich od 10 do 20, choć niektóre najnowsze badania genetyczne sugerują, że ich liczba może być znacznie większa (kilkadziesiąt). Ważne jest aby sobie uzmysłowić, że matka w celu kopulacji odlatuje daleko od swojego gniazda, podążając w miejsca (tak zwane trutowiska), w których gromadzą się trutnie z całej okolicy – w ten sposób unika kopulacji z trutniami z własnego gniazda (swoimi braćmi), znacząco zwiększając zróżnicowanie genetyczne swojego potomstwa i unikając chowu wsobnego (kazirodztwa). Ze wszystkich trutni obecnych na trutowisku szansę na kopulację z matką mają te najsprawniejsze – najszybsze i najbardziej wytrwałe. Można zatem powiedzieć, że lot godowy jest metodą selekcji trutni. Kopulacja odbywa się w locie,  trutnie dokonawszy dzieła spadają martwe na ziemię, zaś matka wraca do gniazda. Plemniki przekazane jej przez trutnie przechowywane są przez nią  w specjalnym narządzie zwanym spermateką, w której potrafią przetrwać nawet kilka lat (!) i z której pobierane są w celu zapłodnienia jaja. Albo i nie. I tu właśnie wkracza Jan Dzierżon i jego odkrycie…

Co odkrył Jan Dzierżon

Odkryciem Dzierżona było to, że matki, które nie mogły polecieć w lot godowy, ponieważ miały uszkodzone skrzydełka, również po jakimś czasie zaczynały składać jaja, z których jednak wylęgały się wyłącznie trutnie. Dzierżon doszedł do słusznego wniosku, że generalną zasadą u pszczół jest, iż z niezapłodnionych jaj rozwijają się samce (trutnie), a z zapłodnionych samice (robotnice lub kolejne matki).  Matka, która odbyła loty godowe może zarówno składać zapłodnione jaja (pobierając plemnik ze spermateki), jak i niezapłodnione (nie pobierając plemnika). Przez wiele lat uważano, że to nie może być prawda, ale w końcu, w roku śmierci Dzierżona (1906), na konferencji w Marburgu uznano słuszność jego wniosków. Oczywiście w chwili odkrycia dzieworództwa pszczół (1835 r.) i publikacji tej obserwacji (1845 r.) nikt nie miał pojęcia na temat DNA, chromosomów, dziedziczenia i podziałów komórkowych, więc mechanizm tego procesu pozostał na długi czas całkowicie nieznany. Zresztą i teraz nadużyciem byłoby stwierdzenie, że wiemy wystarczająco dużo, aby cały ten proces zrozumieć, tym niemniej chciałabym Czytelnikowi w tym i w kolejnych wpisach nieco przybliżyć zarówno sam mechanizm odpowiedzialny za powstawanie płci u pszczół, jak i konsekwencje tego bardzo ciekawego sposobu rozmnażania, które, jak się później okazało, nie ogranicza się wyłącznie do pszczół, ale jest charakterystyczne dla owadów błonkoskrzydłych, do których należą między innymi osy i mrówki.

Płeć genetyczna u ludzi

Jak zapewne Czytelnikowi wiadomo, każdy z nas, ludzi, posiada podwójny zestaw informacji genetycznej – poza komórkami rozrodczymi, każda jądrzasta komórka naszego organizmu ma 23 pary chromosomów (fragmentów DNA), a każdą parę tworzą chromosomy, które pod względem sekwencji zapisanych w niej informacji genetycznej są bardzo do siebie podobne (ale nie identyczne!) i które otrzymaliśmy (po jednym) od matki i od ojca. W czasie procesu tworzenia naszych własnych komórek rozrodczych (gamet – komórek jajowych albo plemników), do gamet „przechodzi” losowo po jednym chromosomie z każdej pary. Tak więc nasza gameta zawiera pojedynczy zestaw informacji genetycznej – 23 chromosomy, z czego część pochodzi oryginalnie od naszej matki, a część od naszego ojca. Nasze komórki rozrodcze przenoszą więc informację genetyczną naszych przodków – zarówno ze strony matki jak i ojca. Jeżeli chodzi o płeć biologiczną, to jest ona u nas determinowana konfiguracją 23-ej pary chromosomów: chromosomów X i Y. Jeżeli nowopowstający organizm ma dwa chromosomy X, to powstanie dziewczynka, a jeżeli X i Y – chłopiec (rycina 3) (od tej reguły są wyjątki związane z zaburzeniami struktury chromosomów płciowych, ale na razie zostańmy przy opisie tej najczęściej spotykanej sytuacji).

Determinacja płci u pszczół

U pszczół sytuacja jest znacząco inna, szczególnie jeśli chodzi o samców (rycina 4). Samice pszczół, ponieważ powstają z zapłodnionych jaj, posiadają podwójny zestaw informacji genetycznej (16 par chromosomów) – pochodzących od matki (16 sztuk) i od trutnia (również 16 sztuk). Trutnie natomiast, ponieważ powstają z niezapłodnionych komórek jajowych, posiadają pojedynczy zestaw informacji genetycznej, pochodzący wyłącznie od matki, a konkretnie – z jej gamety. Można zatem śmiało powiedzieć, że trutnie są maminsynkami, gdyż nie mają ojców. I nigdy nie będą mieć synów, bo jeżeli ich plemnik zapłodni komórkę jajową, to powstanie samica. Robotnice zaś mają zarówno matkę jak i ojca, ale ponieważ matka, jak wspominałam, kopulowała z wieloma trutniami, tak naprawdę robotnice w danej rodzinie są córeczkami wielu tatusiów, a bardziej naukowo mówiąc – reprezentują różne linie ojcowskie. Uważa się, że zróżnicowanie linii ojcowskich jest korzystne dla rodziny pszczelej, gdyż powoduje, że w rodzinie znajdują się robotnice o zróżnicowanych „zdolnościach” (cechach), które powodują, że rodzina jako całość jest lepiej przystosowana do zmiennych warunków środowiska, jest bardziej odporna na patogeny itd. (temat ten postaram się poruszyć w innych moich wpisach).

Trutnie – strażnicy jakości informacji genetycznej

I po co to wszystko? Jaka korzyść z takiego sposobu rozmnażania się? Odpowiedź najprawdopodobniej tkwi w tej „pojedynczości” informacji genetycznej trutni. Wyobraźmy sobie wpierw naszą (ludzką) informację genetyczną – mamy podwójny jej zestaw. Jeżeli jakiś konkretny gen leżący na którymś z chromosomów (załóżmy tym od ojca) przestanie pełnić swoją funkcję na skutek zmiany w sekwencji DNA (mutacji), to na ogół druga kopia tego genu, znajdująca się na drugim z chromosomów danej pary (w naszym przykładzie – tym od matki), jest wystarczająca do tego, aby pełnić funkcję w organizmie i nic złego się nie dzieje. Oznacza to jednak, że mutacja ta może być dziedziczona w następnych pokoleniach i od czasu do czasu, gdy spotka się w danym organizmie ze swoim odpowiednikiem (kiedy zarówno gen od matki i od ojca będzie zmutowany) może doprowadzić do poważnych komplikacji, ze śmiercią organizmu włącznie. Można powiedzieć więc, że taka mutacja „wozi się” przez pokolenia i się nieczęsto ujawnia, bo zmutowany chromosom ma swojego prawidłowego partnera, który go maskuje. Wziąwszy to pod uwagę, uważa się, że opisany powyżej sposób rozmnażania się pszczół, w czasie którego powstają osobniki z pojedynczym zestawem informacji genetycznej (trutnie) powoduje, że taki typ mutacji, o ile wystąpi, zostanie natychmiast wyeliminowany, ponieważ trutnie nie mają drugiej kopii genu, która maskowałyby tę zmutowaną. Można zatem powiedzieć, że trutnie są swojego rodzaju testerami jakości informacji genetycznej – jeżeli odziedziczą coś zepsutego od swojej matki, albo coś się u nich zepsuje – zabierają ten błąd do grobu, nie pozwalając na jego przenoszenie na kolejne pokolenia. A ponieważ trutnie całe swoje życie – od komórki jajowej, przez larwę, poczwarkę aż do postaci dorosłej muszą żyć właśnie z tym pojedynczym zestawem informacji genetycznej, możliwości testowania jakości ich informacji genetycznej jest naprawdę dużo i mają szansę być wyłapane mutacje, które upośledzają funkcje organizmu na różnym etapie jego rozwoju i w różnych warunkach.

Trutnie mają złą sławę i przysłowiowo uważane są za nierobów, wręcz pasożytujących na swoich pracowitych siostrach. Pomyślmy jednak o nich z sympatią – nie dość, że są bezpardonowo przed zimą wyrzucane z gniazda i skazywane na śmierć głodową, to jeszcze wygląda na to, że są strażnikami jakości informacji genetycznej, której niedoskonałości przypłacają swoim życiem.

I na tym można byłoby całą opowieść zakończyć, gdyby nie fakt, że kolejne odkrycia ujawniły, że, co prawda rzadko, ale powstają także trutnie, które mają podwójny zestaw informacji genetycznej. A więc w miarę proste wytłumaczenie, że z niezapłodnionego jaja powstaje samiec, a zapłodnionego – samica, choć na ogół prawdziwe, w pewnych wyjątkowych przypadkach nie wyczerpuje istoty problemu. Bo mechanizm determinacji płci u pszczół leży znacznie głębiej… O tym w kolejnej części.