Выявлен ген, регулирующий разделение труда у пчел

Генетические основы сложнейшего социального поведения общественных насекомых по-прежнему во многом загадочны, однако первые шаги к их расшифровке уже сделаны (фото с сайта cache.eb.com)
Генетические основы сложнейшего социального поведения общественных насекомых по-прежнему во многом загадочны, однако первые шаги к их расшифровке уже сделаны (фото с сайта cache.eb.com)

Американские биологи установили, что ген vitellogenin, необходимый для формирования яиц у насекомых, у медоносной пчелы выполняет также целый ряд других функций, связанных с социальной организацией и разделением труда. Белок вителлогенин, кодируемый этим геном, влияет на возраст, в котором рабочая пчела переходит от работы «по дому» к сбору пропитания, на то, какой корм она будет собирать — нектар или пыльцу, а также на продолжительность ее жизни.

Исключительная сложность поведения, коммуникации и социальной организации общественных насекомых издавна привлекает внимание исследователей. Главный принцип организации семьи-колонии у пчел, шмелей, муравьев или термитов — это наличие рабочих особей, которые сами не размножаются, но проявляют подлинно родительскую заботу о потомстве «царицы». Многие специалисты предполагают, что такое поведение могло появиться из-за десинхронизации работы генов, ответственных за размножение и заботу о потомстве. В результате «родительские инстинкты» у рабочих стали включаться до того, как они сами приобретали способность к размножению. За неимением собственного потомства такие насекомые были вынуждены заботиться о своих сестренках и братишках.

В дальнейшем у многих общественных насекомых система каст и разделения труда между ними сильно усложнилась. Например, у медоносной пчелы молодые рабочие сначала выполняют различные «домашние» работы, а спустя несколько недель переходят к сбору пропитания, причем одни особи специализируются на заготовке нектара, а другие — пыльцы. От чего зависит эта трудовая специализация? Если верны упомянутые выше предположения, то можно ожидать, что важную роль в регуляции разделения труда у пчел могут играть гены-регуляторы, изначально связанные с репродуктивной функцией — например, влияющие на выработку половых гормонов (см.: Amdam et al. Complex social behaviour derived from maternal reproductive traits // Nature. 2006. V. 439. P. 76–78).

Ранее был выявлен ряд генов, уровень экспрессии (активности) которых меняется у рабочих пчел в зависимости от рода их занятий. Особое внимание среди них привлек ген vitellogenin. Этот ген у насекомых — как общественных, так и одиночных — тесно связан с женской репродуктивной функцией: кодируемый им белок вителлогенин необходим для формирования яиц в яичниках самок (см. оогенез). Однако у рабочих пчел, которые никаких яиц не откладывают, этот ген тоже активен. Более того, было замечено, что его активность у рабочих пчел снижается с возрастом. Это позволило предположить, что вителлогенин служит своеобразным поведенческим «переключателем»: снижение его концентрации заставляет пчелу в определенный момент ее жизни оставить домашние хлопоты и переключиться на сбор пропитания за пределами гнезда.

Группе американских энтомологов удалось экспериментально подтвердить роль вителлогенина в регуляции разделения труда у пчел. Для этого они воспользовались методом РНК-интерференции. Только что вышедшим из куколки молодым рабочим пчелам вводили двухцепочечную РНК с такой же последовательностью нуклеотидов, как и в гене vitellogenin. В результате этот ген у подопытных пчел оказывался выключенным на всю жизнь. В опыте использовались также две контрольные группы рабочих: первой из них ничего не вводили, а второй вводили другую двухцепочечную РНК, не влияющую на экспрессию генов (чтобы доказать, что наблюдаемые изменения вызваны именно выключением гена vitellogenin, а не травмирующей процедурой).

Оказалось, что рабочие пчелы с отключенным геном vitellogenin отличаются от контрольных сразу по трем показателям. Во-первых, они значительно раньше переходили от домашних работ к сбору пропитания. Это подтвердило высказанное ранее предположение, что вителлогенин служит «поведенческим переключателем». Во-вторых, продолжительность их жизни заметно сократилась. В-третьих, они специализировались преимущественно на сборе нектара, а не пыльцы. Этот результат согласуется с полученными ранее данными, согласно которым пчелиные семьи, для которых характерен низкий уровень вителлогенина у молодых рабочих пчел, собирают больше нектара и меньше пыльцы по сравнению с семьями, генетические особенности которых предопределяют более высокий уровень вителлогенина у молодых рабочих.

Таким образом, один и тот же ген, изначально связанный с женской репродуктивной функцией, стал выполнять у медоносной пчелы целый ряд новых задач, связанных с регуляцией разделения труда и общественного устройства.

Несомненно, полученные результаты являются важным шагом к пониманию молекулярно-генетических механизмов, определяющих сложнейшее социальное поведение общественных насекомых. Однако для полного разрешения этой великой загадки подобных шагов предстоит сделать еще очень много. Подспорьем в этом нелегком деле станет прочтенный в октябре прошлого года геном медоносной пчелы.

Источник: C. Mindy Nelson, Kate E. Ihle, M. Kim Fondrk, Robert E. Page Jr., Gro V. Amdam. The Gene vitellogenin Has Multiple Coordinating Effects on Social Organization // PLoS Biol 5(3): e62 doi:10.1371/journal.pbio.0050062. См. также популярный синопсис статьи: A Single Gene Coordinates the Social Life of Honeybees.

См. также:
1) Альтруизм общественных насекомых поддерживается полицейскими методами, «Элементы», 08.11.2006.
2) Склонность к альтруизму сильнее у тех, кому нечего терять, «Элементы», 16.05.2006.

Александр Марков


4
Показать комментарии (4)
Свернуть комментарии (4)

  • Irena  | 14.03.2007 | 09:51 Ответить
    Широко известный факт, что пчелиная семья представляет собой высокоорганизованное сообщество с великолепно отработанным разделением труда. В литературе господствует мнение о том, что смена функций у рабочих пчёл связана в основном с их возрастом и физиологическим состоянием (степень развития определённых желез).

    Однако, по мнению исследователей, которое подтверждается и экспериментом (НИИ пчеловодства 2001 г.) - решающим фактором в разделении труда между пчёлами являются состояние и потребности семьи.

    Остаётся только восхищаться и удивляться совершенству механизмов, позволяющим координировать совместную деятельность несколько десятков тысяч особей.

    подробнее об эксперименте: В.П.ЛЕБЕДЕВА, В.И.ЛЕБЕДЕВ
    http://www.beekeeping.orc.ru/Arhiv/a2001/n801_16.htm
    Ответить
  • Alex  | 14.03.2007 | 15:25 Ответить
    Конечно же поведение определяется не геном, а состоянием семьи, и Вы никогда не заставите пчелу, рожденную в конце августа работать также, как рожденную в начале (и живущую не 1 месяц, а девять). Она даже мед из одной ячейки в соседнюю Вам не перенесет. Вряд ли генный набор зависит от времени года.
    Ответить
    • Mikhail > Alex | 14.03.2007 | 23:18 Ответить
      Вообще-то ситуация может быть гораздо интереснее.

      Я, например, совершенно не удивлюсь, если окажется, что экспрессия генов у общественных насекомых таки зависит не только от времени года, но и от местности обитания или текущих природных условий.

      С моей точки зрения, рой или муравейник является чем-то вроде активной среды. Хорошо известно, что весьма сложные процессы в активных средах могут определяться (задаваться) достаточно небольшим набором параметров. И если посмотреть на состояние роя с этой точки зрения, то нетрудно предположить, что у каждой пчелы должны быть достаточно эффективные генетические механизмы, которые бы заставляли ее постоянно подстраивать свое "внутреннее" состояние (фактически -- весь комплекс биохимических процессов, включая и экспрессию генов) под "коллективное состояние" среды (роя).

      А уж это состояние наверняка зависит и от времени года, и от множества других параметров.

      Рассмотрение колонии общественных насекомых как активной среды позволяет, в частности, легко понять, почему матка (которая в этой модели играет роль фазового центра), управляет автоволновыми процессами в среде.
      Ответить
      • Petelin > Mikhail | 11.12.2016 | 13:11 Ответить
        Вопрос действительно гораздо интереснее чем мы представляем (в каком то смысле).
        Про экспрессию генов от времени года и места обитания, думаю не стоит исключать совсем; но все же больше склоняюсь к тому, что в разные периоды года, реализация генома включает разные варианты развития на уровне эпигенетики.

        Это применительно к пчелам и к муравьям. Есть данные, где отмечается сезонная изменчивость пчел, проводили наблюдения, исследования и это не только в России. Отмечается, что в начале сезона и в конце сезона, имеется ввиду медосбор, морфологическая изменчивость в семье наибольшая. С чем связано, да с тем что физиология весенней пчелы совсем не та, что физиология пчелы уходящей в зиму. Это разные по назначению касты изначально. Многие путают эту "пластичность семьи пчелиной", когда все пчелы проходят возрастные стадии и могут перестроиться физиологически под потребности семьи, так вот путают с физиологией "предназначения". Заключение исходя из изученных тем: вителлогенин, ювенильный гормон, этилолеат, феромоны матки, расплода; возрастные касты, функциональные группы, включающие пчел разного возраста.

        У весенней пчелы физиология для развития и кормления, у летней для переработки нектара и полевых работ, у зимней физиология запаса в резерв; это не одни и те же пчелы, они разные и реализация генома у них изначально разная, у каждых со своим акцентом, уклоном. (при том что также присутствует пластичность в плане физиологического замещения по потребностям семьи, тут одно перекрывает другое, потому и путают). Кастообразование сложнее чем принято считать, каст больше, они пластичные, по функционалу перекрывают друг друга. Есть данные PLOS,PNAS и др.
        Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»