Odhalení nových vlastností asijské včely medonosné, Apis cerana, pomocí sekvenování celého genomu

Genomické vlastnosti A. cerana

Sekvenování a sestavení

Provedli jsme sekvenování celého genomu asijské včely medonosné pomocí sedmi trubců pocházejících z jedné kolonie. Protože včela medonosná má haplodiploidní systém páření, samci (trubci) jsou haploidní a samice (dělnice a královny) jsou diploidní. Abychom minimalizovali možnou kontaminaci cizími genomy, jako jsou bakterie a viry, odstranili jsme před sekvenováním tkáně středního střeva jednotlivých trubců. Genomové sekvenční knihovny byly vytvořeny kombinací krátkých čtení (500 bp) a dvou delších knihoven insertů (3 a 10 Kb) pomocí sekvenační technologie Illumina (152násobné pokrytí) (tabulka 2). Sestava se skládala z 2 430 scaffoldů o celkové délce 228 Mb, které pokrývaly 96 % odhadované velikosti genomu (238 Mb) . Obecné informace o sestavě genomu jsou uvedeny v tabulce 3. Velikost N50 scaffoldů byla 1 421 kb (tabulka 3), což je mnohem více než velikost N50 scaffoldů zjištěná v původních a nedávno vylepšených sestavách A. mellifera (359 kb a 997 kb, Amel_4.0 a Amel_4.5; doplňkový soubor 1: tabulka S1) . Abychom posoudili přesnost skládek, porovnali jsme genomy A. mellifera a A. cerana za účelem identifikace genomové syntézy (Additional file 1: Figure S1). Výsledky odhalily několik scaffoldů A. cerana a chromozomu 3 A. mellifera, které vykazovaly syntenické vztahy bez rozsáhlých přestaveb. Kromě toho jsme zjistili, že mitochondriální genom A. mellifera (NCBI GQ162109, ) a jeden kontig A. cerana mají vysokou sekvenční podobnost, ~99 % (Additional file 1: Figure S2). Tento kontig, pokrývající celý mitochondriální genom A. cerana, má 15 915 bp a zahrnuje 13 genů kódujících proteiny (Additional file 1: Figure S3). Všechny sekvenční informace byly předloženy v NCBI .

Obsah guaninu plus cytosinu (GC)

V genomu A. cerana assembly obsahuje 30 % GC (tabulka 3), což je podobné průměrnému obsahu GC u A. mellifera (33 %). Kromě toho má šest druhů mravenců (Linepithema humile, Camponotus floridanus, Pogonomyrmex barbatus, Solenopsis invicta, Atta cephalotes a Acromyrmex echinatior) podobný obsah GC v rozmezí 33-38 % . Naopak Drosophila melanogaster (42 %), Nasonia vitripennis (42 %) a Harpegnathos saltator (45 %) mají ve srovnání s A. cerana vyšší obsah GC. Podle srovnávacích studií dvou druhů mravenců, C. floridanus a H. saltator, mohou mít organismy se složitějšími sociálními znaky genomy se zkreslenými AT .

Relativní zkreslení AT koreluje s metylací DNA, protože DNA metyltransferázy (Dmnts) jsou téměř výhradně zaměřeny na cytosinové zbytky následované guaniny v orientaci 5′ až 3′ (CpG dinukleotidy). Methylcytosin má tendenci mutovat na thymin (T), a tak gradační akumulace mutací, které přeměňují CpG dinukleotidy na TpG dinukleotidy, vede ke vzniku genomů bohatých na AT . Zejména normalizované hodnoty CpG pozorované/očekávané (CpG o/e) mají negativní vztah k úrovni metylace DNA . Metylace DNA je jednou z hlavních součástí epigenetické regulace a má funkční úlohu v regulaci genové exprese u obratlovců a hmyzu . Na rozdíl od genomů obratlovců, které jsou ochuzeny o CpG dinukleotidy , vykazuje většina hymenopterního hmyzu, včetně A. cerana (1,61), A. mellifera (1,65), C. floridanus (1,58), H. saltator (1,49) a N. vitripennis (1,35), ve svých genomech vysoké hodnoty CpG o/e . Dalším zajímavým zjištěním je, že normalizovaná hodnota CpG o/e v sekvencích kódujících proteiny A. cerana vykazovala bimodální rozložení, podobně jako u A. mellifera (obr. 1, Additional file 1: Figure S4) a mšice hrachové Acyrthosiphon pisum. Je zajímavé, že jsou doloženy dvě odlišné třídy genů, které plní různé funkce , z nichž geny s nízkým obsahem CpG se podílejí především na hospodaření a geny s vysokým obsahem CpG se podílejí na vývoji. Zjistili jsme totiž, že geny, které jsou zastoupeny ve třídách s nízkým obsahem CpG, jsou zařazeny do kategorie metabolických procesů a transkripční a translační regulace. Naopak geny s vysokým obsahem CpG reprezentovaly kategorie GO, které jsou specifické pro biologické funkce.

Genom A. cerana, A. mellifera a A. pisum kódují úplné komplexy DNA metylačních proteinů (Dmnts) , ale podle nedávného objevu má několik druhů hmyzu úplnou sadu Dnmts bez nápadného vzorce deplece kódujících exonů. Tato genomová vlastnost tedy nemusí být druhově specifická, ale mechanismy epigenetické regulace mohou být u obou druhů včel medonosných konzervovány.

Repetitivní elementy

Soubor A. cerana obsahoval 6,48 % (14,79 Mb) repetitivních elementů, které se skládaly z 3,58 % (8,16 Mb) jednoduchých repetic a 1,95 % (4,44 Mb) prokládaných repetic (Additional file 1: Table S2). Pomocí programu pro vyhledávání repetic de novo RepeatModeler (verze 1.0.7) bylo nalezeno 75 repetic specifických pro A. cerana. Vzhledem k tomu, že sestava genomu A. cerana obsahovala 9,79 % N, předpokládali jsme, že repetitivní sekvence v současné sestavě mohou být podhodnoceny. Ve srovnání s A. mellifera byly u A. cerana nadměrně zastoupeny pouze dlouhé terminální repetitivní elementy, které tvořily 0,1 % (218 kb) genomu ve srovnání s 0,02 % (49,6 kb) u A. mellifera. Naopak dlouhé intersperované elementy a krátké intersperované elementy nebyly v genomu A. cerana zjištěny. Oba byly v genomu A. mellifera nalezeny s frekvencí 0,04 % (83,1 kb), resp. 0,03 % (70 kb). DNA transpozony tvoří 0,11 % (247 kb) genomu A. cerana a 0,57 % (1,34 Mb) genomu A. mellifera. Transpoziční elementy Mariner, poprvé objevené u ovocné mušky, byly nalezeny u všech druhů včel medonosných . Genom včely medonosné západní, A. mellifera, obsahoval více kopií marinerových transpozonů, od AmMar1 po AmMar6. Naproti tomu genom A. cerana obsahoval ortology AmMar1 a AmMar3-6, ale ortolog AmMar2 nalezen nebyl. To odpovídá domněnce, že AmMar1 a AmMar2 byly do genomu A. mellifera přeneseny relativně nedávno .

Ačkoli je třeba dále zkoumat analýzy opakování v celém genomu, výsledky této studie ukázaly nápadné snížení počtu transpozabilních elementů (TE) a retrotranspozonů v genomu A. cerana ve srovnání s A. mellifera. Nedostatek TE je jedním z hlavních rysů genomu včely medonosné ve srovnání s ostatními sekvenovanými blanokřídlými . Některé důkazy naznačují, že grooming a hygienické chování u eusociálních organismů omezilo vkládání TE z cizích genomů . Nicméně byly sekvenovány genomy jak sociálního, tak nesociálního hmyzu, včetně sedmi mravenců a parazitoida Nasonia, které obsahují výrazně odlišné množství repetitivních elementů tvořících 11 % až 28 % genomů . Hygienické chování tedy není jediným faktorem ovlivňujícím akumulaci repetitivních elementů v genomech.

Analýza souboru genů A. cerana

Vzhledem k omezeným údajům o exprimovaných sekvenčních značkách (EST) a komplementárních DNA (cDNA), které jsou pro A. cerana k dispozici, jsme vytvořili pipeline pro anotaci genů s využitím údajů o více důkazech (tabulka 4). Nejprve jsme vytvořili 213 327 transkriptů pokrývajících 515 809 639 bp pomocí sestavení de novo z 68 Gb čtení RNA-seq A. cerana. Zadruhé byla data RNA-seq zarovnána ke skeletovým sekvencím, což vedlo k vytvoření 31 027 genových modelů představujících 96 495 948 bp. Zatřetí jsme provedli počítačovou predikci genů na základě informací o sekvenci scaffoldu, která vygenerovala 24 579 genů pokrývajících 18 397 306 bp. Jako model jsme také použili genové sekvence A. mellifera shromážděné z databáze referenčních sekvencí Národního centra pro biotechnologické informace (NCBI RefSeq, ), abychom získali genovou anotaci založenou na homologii. Následně jsme všechny předpovězené modely genů sloučili pomocí programu MAKER a vytvořili primární soubor genů. Všechny geny byly vyhledány v neredundantní databázi NCBI pomocí BLASTX. Nakonec jsme ručně zkontrolovali chybějící geny, částečné geny nebo oddělené geny. Chemoreceptorové geny, včetně chuťových receptorů (Grs), pachových receptorů (Ors) a ionotropních receptorů (Irs), byly pečlivěji zkoumány pomocí analýz funkčních sekvenčních domén. Nakonec bylo anotováno 10 651 genů jako oficiální soubor genů (OGS) A. cerana, OGS verze 1.0 (tabulka 4), z nichž přibližně 84 % genů bylo anotováno v neredundantní databázi NCBI a 70 % bylo anotováno v databázi Uniprot . Celkově byl celkový počet genů v OGS v1.0 A. cerana srovnatelný s počtem genů v OGS v1.0 A. mellifera (10 157 genů). Tento počet je však nižší než u aktuálního vydání genomu A. mellifera, OGS v3.2 (15 314 genů; tabulka 5) .

Klasifikovali jsme geny podle funkce pomocí databází genové ontologie (GO) a Kjótské encyklopedie genů a genomů (KEGG) ; 6 338 genů (60 %) mělo více než jeden termín GO a 1 696 enzymů bylo zařazeno do 125 drah (doplňkové soubory 2 a 3). Zde bylo odhaleno několik zajímavých molekulárních drah, které by mohly představovat molekulární mechanismy specifické pro včelu medonosnou. Například dráhy biosyntézy mastných kyselin, metabolismu glutathionu a cytochromu P450 se mohou podílet na rozpoznávání hnízdních partnerů a detoxikaci pesticidů (doplňkový soubor 1: obrázek S5) . Povrch včely medonosné se skládá z mastných kyselin a uhlovodíků, které odrážejí identitu, a strážní včely tyto sloučeniny rozpoznávají, aby odlišily členy kolonie od vetřelců . Analýzy KEGG odhalily, že třídy enzymů zapojených do biosyntézy mastných kyselin jsou společné pro A. cerana a A. mellifera a A. cerana má méně detoxikačních enzymů ve srovnání s mouchou a komárem, ale podobný počet jako A. mellifera. Podíl pesticidů na globálních ztrátách kolonií A. mellifera je stále kontroverzní otázkou, ale údaje naznačují, že A. mellifera je neobvykle citlivá na různé insekticidy . Zajímavé je, že kolonie A. cerana nevykazují podobnou míru kolapsu jako A. mellifera, ale to lze vysvětlit jinými odlišnostmi, které mohou snižovat expozici pesticidům, jako je časté útěkové chování, malá architektura hnízda a hledání potravy ve vysokohorských oblastech .

Geny jedinečné pro A. mellifera. ceranaa ortologických pro včelu medonosnou

Abychom zjistili, zda neortologické geny souvisejí s rysy biologie A. cerana, porovnali jsme tři druhy hymenopter, Apis mellifera (sociální), Apis cerana (sociální), Nasonia vitripennis (nesociální), a jeden druh dipter, Drosophila melanogaster (nesociální), pomocí ortologického shlukování. Mezi 2 182 unikátními geny u A. cerana (obr. 2) se většina významně obohacených GO termínů týkala nervosvalového spojení, nervosvalového procesu, regulace vývoje svalových orgánů, diferenciace svalových buněk a vývoje svalové tkáně (p < 0,05, Additional file 4). A. cerana má vyšší frekvenci úderů křídel (306 úderů/s) ve srovnání s A. mellifera (235 úderů/s) a rychlé, prudké a nepředvídatelné letové vzorce, proto by některé z obohacených proteinů zapojených do svalového pohybu mohly vysvětlovat letové vzorce specifické pro A. cerana . K rozklíčování tohoto vztahu by měly být provedeny budoucí studie.

Významně obohaceny byly také GO-termíny související s nervovou signalizací, včetně rozpoznávání neuronů, aktivity signálních receptorů, signální dráhy transmembránových receptorů, signální dráhy ionotropních glutamátových receptorů a aktivní aktivity transmembránových přenašečů, které úzce souvisejí s chemosenzorickým příjmem a chemickou signalizací (p < 0).05) v jedinečném souboru genů A. cerana (doplňkový soubor 4). Geny zapojené do chemické signalizace se rychle vyvíjely, zejména u eusociálních organismů . Procesy nervové signalizace hrají hlavní roli při zprostředkování sociální komunikace ve společnosti včely medonosné. A. cerana vykazuje řadu chování na skupinové úrovni odlišných od A. mellifera, včetně jedinečného obranného chování proti sršňům. Když se sršni přiblíží k úlu, strážní včely A. cerana zvednou bříška a třesou se nebo třepetají, čímž produkují poplašné feromony . Je zapotřebí dalšího výzkumu, abychom zjistili, zda za toto jedinečné sociální obranné chování mohou být zodpovědné molekulární regulační mechanismy nalezené jedinečně u A. cerana.

Jelikož se A. mellifera a A. cerana nedávno rozdělily, předpokládali jsme, že u obou druhů včel medonosných budou existovat proteinové ortology, které se zachovaly a které vysvětlují společné vlastnosti včel medonosných. Celkem bylo identifikováno 1061 proteinů A. cerana s ortology u A. mellifera, ale u žádného jiného nesociálního druhu. Tyto ortology byly zařazeny do kategorií GO-termínů „smyslové vnímání pachu“ (p < 1,75E-04) a „smyslové vnímání chemických podnětů“ (p < 7,55E-04), což jsou klíčové vlastnosti pro sociální komunikaci a fyzickou interakci . Kromě toho termíny GO „aktivita sacharidového transportéru“ (p < 1,87E-02), který popisuje detekci kutikulárních uhlovodíků , a „regulace krátkodobé neuronální synaptické plasticity“ (p < 2,21E-02) a „aktivita transmembránového signálního receptoru“ (p < 3.04E-02), které se podílejí na neuronální signalizaci během sociální interakce, byly rovněž obohaceny o ortology společné oběma druhům včely medonosné (Additional file 1: Table S3).

Rodina genů pro hemoreceptory

Chemoreceptory hrají důležitou roli v komunikaci a sociálním chování, částečně tím, že zprostředkovávají detekci chemických signálů od hnízdních partnerů . Mezi hlavní skupiny chemoreceptorů patří chuťové receptory (Grs), pachové receptory (Ors) a ionotropní receptory (Irs) . U sociálního hmyzu, jako jsou mravenci a včely medonosné, je chemická komunikace klíčová pro udržení kolonie a spolupráci . Zde jsme charakterizovali 10 nových Grs, 119 nových Ors a 10 nových Irs v genomu A. cerana. Vzorce genové exprese, zkoumané pomocí dat RNA-seq, ukázaly, že anotované geny chemoreceptorů jsou dobře uspořádané a srovnatelné s geny A. mellifera a N. vitripennis, i když jsou ve srovnání s genomem A. mellifera mírně nedostatečně zastoupeny .

Rodina chuťových receptorů

Rodina chuťových receptorů hraje důležitou roli v chuti a slouží ke sběru nektaru a pylu pro energii a péči o včelstvo . Ve společnosti včel medonosných mají členové včelstva rozdělenou práci a plní různé úkoly. Včely ošetřovatelky se starají o snůšku a královnu a uklízejí uvnitř hnízda. Včely sběračky sbírají potravu nebo pryskyřici zvenčí a přinášejí ji do úlu . Na tomto přechodu chování se podílí periferní a vnitřní regulace exprese genů Gr .

Podle Robertsona a Wannera , včela medonosná západní, A. mellifera má 13 Grs (H. M. Robertson, osobní sdělení), což je malý počet ve srovnání s ovocnou muškou D. melanogaster (68 Grs, ), komárem Aedes aegypti (79 Grs, ), parazitoidní vosičkou N. vitripennis (58 Grs, ) a mravencem Linepithema humile (116 Grs, ). Podobně jako u A. mellifera bylo v genomu A. cerana identifikováno 10 genů Gr. Byly pojmenovány na základě jejich ortologie s Grs A. mellifera (AmGrs). Všechny identifikované Grs u A. cerana vykazovaly jednoduché ortologické vztahy s Grs u A. mellifera a AcGr1, 2, 3, 6, 7, 9 a 10 měly také ortology u N. vitripennis (Additional file 1: Figure S6). Tato data naznačila, že geny Gr jsou mezi druhy hymenopter vysoce konzervované. Podobně jako u repertoáru Gr A. mellifera byly AcGr1 a AcGr2 umístěny v rozšířených liniích k receptorům cukru D. melanogaster, včetně DmGr5a, DmGr61a a DmGr64a/f (obr. 3A) . Kromě toho AcGr3 sdílel klad s DmGr43a, který funguje jako fruktózový receptor na periferii a nutriční senzor v mozku drozofily (obr. 3A) . Naproti tomu linie AcGr6, 7, 9, 10 a X nevykazovaly žádné zjevné příbuzenské vztahy s DmGrs, což naznačuje, že mohou být jedinečné pro včelu medonosnou. Zdá se také, že receptory hořké chuti jsou v genomu A. cerana ztraceny, což může souviset s evolucí preference květů u včely medonosné ve srovnání s jiným sociálním hmyzem, jako je mravenec, u kterého jsou receptory hořké chuti zachovány . Kromě toho nebyly v genomu A. cerana přítomny ortology drozofilních receptorů pro oxid uhličitý (CO2), Gr21a a Gr63a, podobně jako u A. mellifera. Je však známo, že včely medonosné detekují CO2, což naznačuje, že se u nich mohly vyvinout nové molekulární mechanismy podobné mechanismu detekce kyselin zjištěnému u Drosophily pro detekci vysokých koncentrací CO2 . Pomocí vyhledávání TBLASTN byly nalezeny částečné sekvence ortologů Gr4 a Gr5 včely A. cerana. Ortolog Gr8 nebyl v genomu A. cerana nalezen.

Expresní vzorce ortologů Gr u A. cerana a A. mellifera byly stanoveny pomocí analýzy relativní genové exprese (obr. 3B). Překvapivě se expresní vzorce ortologů Gr mezi oběma druhy včel liší. Kandidátní receptory pro cukry, Gr1 a Gr2, byly exprimovány více u A. cerana ve srovnání s A. mellifera (obr. 3B), což naznačuje, že A. cerana může mít větší schopnost vnímat cukry. Podobně byly u A. cerana ve srovnání s A. mellifera vysoce exprimovány receptory Gr5 a Gr7. Naopak Gr3, 6, 9 a 10 byly více exprimovány u A. mellifera ve srovnání s A. cerana. Gr4 a GrX nebyly v transkriptomu antén A. cerana detekovány (data nejsou uvedena), což znamená, že Gr4 a GrX mohou být exprimovány v nedetekovatelné míře nebo v jiných tkáních, jako je jazyk nebo nohy. Budoucí funkční studie Grs mohou odhalit rozdíly ve vnímání chuti a vnitřní regulaci mezi druhy.

Rodina odorantových receptorů

Odorantové receptory hmyzu hrají důležitou roli v rozpoznávání signálů z prostředí a v mezidruhové a vnitrodruhové komunikaci . Včely medonosné využívají pachové receptory v různých souvislostech, včetně rozpoznávání příbuzných, navigace podle potravy a detekce feromonů . Navzdory významu odorantových receptorů však funkční identifikace Ors u včel medonosných chybí ve srovnání s jinými modelovými druhy hmyzu, včetně much a komárů .

V genomu A. cerana bylo identifikováno 119 AcOrs, včetně několika 5′- nebo 3′- částečných sekvencí obsahujících doménu odorantového receptoru. Ors A. cerana jsme pojmenovali podle polohy sekvence ve skeletech. Většina AcOrs nebyla rovnoměrně rozložena po scaffoldech, ale byla seskupena na několika místech v genomu. Například shluky 37 Ors, 15 Ors a 17 Ors byly rozmístěny na scaffoldu 3, 103 a 139 (Additional file 1: Figure S7). U A. mellifera bylo největší tandemové pole 60 Ors nalezeno na chromozomu 2 . Toto rozšíření Ors naznačuje, že došlo k nerovnoměrnému křížení sousedních genů. Velký počet paralogů Or naznačuje rozmanité role pro rozpoznávání pachových látek ve společnosti včely medonosné, jako jsou feromonové směsi, kutikulární uhlovodíky a květinové pachové koktejly . Jelikož se A. mellifera a A. cerana nedávno rozdělily , předpokládalo se, že mezi klastry Or může existovat syntéza. Oblasti chromozomu 2 A. mellifera se zachovanou mikrosyntézou byly identifikovány porovnáním uspořádání genů Or v genomu A. cerana s genomem A. mellifera. V souladu s hypotézou byla nalezena konzervovaná mikrosyntéza a jasné ortology Or A. cerana k Or A. mellifera (obr. 4C, doplňkový soubor 5), což naznačuje, že paralogy Or včely medonosné jsou shlukovány v konzervovaných genomických oblastech .

Hmyz má řadu variabilních Ors, které in vivo tvoří chaperon s čichovým koreceptorem (Orco). V této studii sdílel A. cerana Or5 ortologii s hmyzími Orcos včetně D. melanogaster Or83b, N. vitripennis Or1 a A. mellifera Or2 (obr. 4A). Celkově identifikované AcOrs vykazovaly jednoduché ortologické vztahy s AmOrs, například 1:1, 1:2 a 1:3 (AcOrs : AmOrs).

Mezi 177 A. mellifera Ors byl AmOr11 funkčně charakterizován jako feromonový receptor královny reagující na kyselinu 9-oxo-2-decenovou (9-ODA) . V naší studii AcOr30 vykazoval ortologii 1:1 k AmOr11 s 98,7% identitou (Additional file 1: Figure S7), což naznačuje, že komponenty feromonu královny mohou být mezi A. mellifera a A. cerana konzervovány.

Data transkriptomu odhalila, že homology Or jsou mezi A. cerana a A. mellifera rozdílně exprimovány (obr. 4B). Čtyřicet čtyři homologů Or bylo více exprimováno u A. mellifera a 56 homologů Or bylo více exprimováno u A. cerana. Rozdílné expresní vzorce podporují myšlenku, že kódující sekvence jsou mezi homology Or dobře konzervovány, ale jejich promotorové sekvence mají různé regulační motivy. Tato data naznačují, že oba druhy včel medonosných exprimují odlišná pachová spektra. Konkrétně sedm AcOrs (AcOr21, 38, 40, 45, 56, 58 a 116) bylo exprimováno pouze u A. cerana, což naznačuje funkce specifické pro A. cerana. K lepšímu pochopení různých funkcí Ors u včel medonosných je třeba provést funkční studie s využitím heterologních expresních systémů.

Rodina ionotropních receptorů

Nedávno byla u D. melanogaster identifikována nová rodina chemosenzorických receptorů, rodina ionotropních receptorů (Ir). Irs u D. melanogaster tvoří odlišné a divergentní podrodiny ionotropních glutamátových receptorů (iGluR) . U D. melanogaster bylo identifikováno 66 homologů Ir a 16 z nich bylo exprimováno specificky v tykadlech . To naznačuje, že Irs patří do dvou podskupin: konzervované anténní Irs a druhově specifické divergentní Irs. Tyto podskupiny představují třídy Ors, respektive Grs . Na rozdíl od Ors, které reagují široce na alkoholy, ketony a estery, Irs reagují především na kyseliny, aminy a oxid uhličitý, což může být u mnoha druhů hmyzu fyziologicky důležité . Ačkoli funkce těchto receptorů nejsou dosud známy, Irs mohou mít obecnější funkci při detekci chemických látek z prostředí, včetně pachových látek a chutí .

Počet identifikovaných Irs u hmyzu se zvyšuje , a v kompletních genomech čtyř druhů blanokřídlých byl popsán velký komplement Irs: A. mellifera (10 Irs), N. vitripennis (10 Irs), L. humile (32 Irs) a P. barbatus (24 Irs) . V této studii bylo v genomu A. cerana nalezeno 10 homologů Ir (obr. 5A). Srovnání sekvencí a fylogenetické analýzy Irs s D. melanogaster a A. mellifera identifikovaly domnělé ortology konzervovaných Irs v genomu A. cerana: Ir8a, Ir25a, Ir68a, Ir75a, Ir76a a Ir93a. Podle očekávání byly v genomu A. cerana identifikovány vysoce konzervované ortology anténních Irs. Tyto výsledky podporují hypotézu, že antenální exprese ortologů Ir byla konzervována po více než 350 mya od doby, kdy se dipterní a hymenopterní hmyz rozdělil . Ostatní Irs u A. cerana s nízkou podobností s ortology jiných hmyzích receptorů se zdají být specifické pro včelu medonosnou. Tyto Irs mohou sloužit k druhově specifickému rozpoznávání, včetně kandidátů na receptory pro kutikulární uhlovodíky a receptory pro feromony včelího plodu. Expresní vzorce převážné většiny Irs však nejsou známy a pro Irs včely medonosné nebyly identifikovány žádné ligandy. V této studii se profily exprese AcIr lišily u A. mellifera a A. cerana (obr. 5B). Jejich funkce a evoluční základ rozmanitosti je třeba ještě prozkoumat.

Geny související s imunitou

Včely medonosné jsou neocenitelnými modely pro studium dynamiky sociální obrany a individuálních molekulárních a behaviorálních obranných mechanismů . Na rozdíl od A. mellifera není A. cerana citlivá na ektoparazitického roztoče Varroa destructor, jednoho z hlavních přenašečů včelích patogenů. Naopak A. cerana v posledních letech velmi trpí virovými a bakteriálními chorobami . Nedávná zpráva uvádí, že více než 90 % včelstev asijské včely medonosné zkolabovalo v důsledku infekce virem sacbrood (SBV) v Koreji . V mnoha asijských zemích také došlo k úbytku včelstev A. cerana z několika důvodů. Molekulární obranné mechanismy A. cerana však stále nejsou známy. Proto jsme zkoumali imunitní geny přítomné v genomu A. cerana porovnáním genomových informací s jinými sekvenovanými genomy hmyzu .

Pomocí vícenásobného vyhledávání TBLASTN bylo u A. cerana identifikováno 160 ortologů imunitních genů a ruční anotací bylo zjištěno 11 dalších genů. U A. cerana byly identifikovány všechny hlavní dráhy, včetně složek drah Toll, Imd, Jak/Stat a JNK . V genomu A. cerana nebyly zjištěny zejména FADD, Dredd a Kenny, složky dráhy Imd a Pelle dráhy Toll (obr. 6). Celkový počet genů vrozené imunity u A. cerana je podobný jako u ostatních sociálních blanokřídlých (Additional file 1: Table S4) a většina imunitních genů u A. cerana sdílela vyšší sekvenční podobnost s A. mellifera ve srovnání s ostatními sekvenovanými druhy hmyzu. To lze vysvětlit zachováním vrozeného imunitního systému mezi A. cerana a A. mellifera. Eusociální hmyz má další sociální imunitní systémy, jako je čistící chování (hygienické chování, péče o tělo a podnikání), tepelná obrana (A. mellifera toto chování postrádá) a antibiotická architektura hnízda (sběr pryskyřice), které mohou přispívat ke snížení expozice patogenům .

Předchozí studie naznačují, že v genomu A. cerana je kódováno více antimikrobiálních proteinů ve srovnání s A. mellifera. Obranné peptidy, včetně jedovatých peptidů, jsou u A. cerana skutečně silněji exprimovány než u A. mellifera. Některé zprávy navíc ukazují jedinečnost silných behaviorálních obranných projevů A. cerana, jako je hygienické a groomingové chování . Tyto údaje společně naznačují, že A. cerana může mít díky kombinaci propracovaných molekulárních a behaviorálních mechanismů účinnější sociální obranný systém ve srovnání s A. mellifera. Funkční studie imunitních genů přispějí k poznání metod kontroly nemocí specifických pro A. cerana a poskytnou cenný model pro srovnávací studie imunitních systémů sociálního hmyzu

.