(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

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?