Opdagelse af nye karakteristika ved asiatisk honningbi, Apis cerana, ved hjælp af sekventering af hele genomet

Genomiske egenskaber ved A. cerana

Sekventering og samling

Vi foretog sekventering af hele genomet hos asiatisk honningbi ved hjælp af syv droner fra en enkelt koloni. Da honningbien har et haplodiploidt parringssystem, er hannerne (droner) haploide, og hunnerne (arbejdere og dronninger) er diploide. For at minimere mulig kontaminering fra fremmede genomer som f.eks. bakterier og vira eliminerede vi væv fra de enkelte dronebier midt i tarmene før sekventeringen. Genomiske sekvensbiblioteker blev konstrueret med en kombination af korte læsninger (500 bp) og to længere indsatsebiblioteker (3 og 10 Kb) ved hjælp af Illumina-sekventeringsteknologi (152-dobbelt dækning) (tabel 2). Samlingen bestod af 2 430 scaffolds med en samlet længde på 228 Mb, som dækkede 96 % af den anslåede genomstørrelse (238 Mb) . Generelle oplysninger om genomsamlingen er anført i tabel 3. N50-stilladsstørrelsen var 1 421 kb (tabel 3), hvilket er meget længere end den N50-stilladsstørrelse, der blev fundet i de oprindelige og nyligt forbedrede samlinger af A. mellifera (359 kb og 997 kb, henholdsvis Amel_4.0 og Amel_4.5; Additional file 1: Tabel S1) . For at vurdere nøjagtigheden af stilladserne sammenlignede vi genomet af A. mellifera og A. cerana for at identificere genomisk synteny (Yderligere fil 1: Figur S1). Resultaterne afslørede flere stilladser af A. cerana og kromosom 3 af A. mellifera, der viste synteniske relationer uden omlægning i stor skala. Desuden fandt vi, at det mitokondrielle genom fra A. mellifera (NCBI GQ162109, ) og en contig fra A. cerana havde stor sekvenslighed på ~99 % (Yderligere fil 1: Figur S2). Denne contig, der dækker hele A. ceranas mitokondrielle genom, er på 15 915 bp og omfatter 13 protein-kodende gener (Additional file 1: Figur S3). Alle sekvensoplysninger blev indsendt i NCBI .

Guanin plus cytosin (GC) content

The A. cerana-samlingen indeholder 30 % GC (tabel 3), hvilket svarer til det gennemsnitlige GC-indhold i A. mellifera (33 %). Desuden har seks myrearter (Linepithema humile, Camponotus floridanus, Pogonomyrmex barbatus, Solenopsis invicta, Atta cephalotes og Acromyrmex echinatior) et lignende GC-indhold på mellem 33% og 38% . Derimod har Drosophila melanogaster (42 %), Nasonia vitripennis (42 %) og Harpegnathos saltator (45 %) et højere GC-indhold sammenlignet med A. cerana. Ifølge sammenlignende undersøgelser af to myrearter, C. floridanus og H. saltator, kan organismer med mere komplekse sociale træk have AT-forspændte genomer .

Relativ AT-forspænding korrelerer med DNA-methylering, da DNA-methyltransferaser (Dmnts) næsten udelukkende er målrettet mod cytosinrester efterfulgt af guaniner i 5′ til 3′-orienteringen (CpG-dinukleotider). Methylcytosin har tendens til at mutere til thymin (T), og den gradvise ophobning af mutationer, der omdanner CpG-dinukleotider til TpG-dinukleotider, fører således til AT-rige genomer . Navnlig har normaliserede CpG observerede/forventede (CpG o/e) værdier et negativt forhold til niveauet af DNA-methylering . DNA-methylering er en af de vigtigste dele af den epigenetiske regulering og spiller en funktionel rolle i reguleringen af genekspressionen hos hvirveldyr og insekter . I modsætning til hvirveldyrgenomer, som er tømt for CpG-dinukleotider, har de fleste hymenopteriske insekter, herunder A. cerana (1,61), A. mellifera (1,65), C. floridanus (1,58), H. saltator (1,49) og N. vitripennis (1,35), høje niveauer af CpG o/e i deres genomer . En anden spændende opdagelse er, at den normaliserede CpG o/e-værdi i proteinkodende sekvenser hos A. cerana viste en bimodal fordeling, svarende til A. mellifera (figur 1, Additional file 1: Figur S4) og ærtebladlusen Acyrthosiphon pisum. Det er interessant, at to forskellige klasser af gener er dokumenteret til at udføre forskellige funktioner, hvor lav-CpG-gener hovedsageligt er involveret i husholdningsfunktioner, mens høj-CpG-gener er involveret i udvikling. Vi fandt faktisk, at de gener, der er repræsenteret i lav-CpG-klasser, er kategoriseret med metaboliske processer og transkriptionel og translationel regulering. I modsætning hertil repræsenterede gener med høj-CpG-gener GO-kategorier, der er specifikke for biologiske funktioner.

Det genom af A. cerana, A. mellifera og A. pisum koder for fuldstændige komplementer af DNA-methyleringsproteiner (Dmnts) , men ifølge en nyere opdagelse besidder flere insekter et fuldstændigt sæt Dnmts uden noget slående udtyndingsmønster af kodende exoner . Således er dette genomiske træk måske ikke artsspecifikt, men mekanismerne for epigenetisk regulering kan være bevaret i begge honningbiarter.

Repetitive elementer

A. cerana-samlingen omfattede 6,48% (14,79 Mb) repetitive elementer, bestående af 3,58% (8,16 Mb) simple gentagelser og 1,95% (4,44 Mb) interspersed gentagelser (Additional file 1: Table S2). Der blev fundet 75 A. cerana-specifikke gentagelseselementer ved hjælp af programmet RepeatModeler (version 1.0.7), der finder gentagelseselementer de novo. Da A. cerana-genomsamlingen indeholdt 9,79 % N’er, antog vi, at gentagne sekvenser i den nuværende samling kan være undervurderet. I sammenligning med A. mellifera var kun lange terminale gentagelseselementer overrepræsenteret i A. cerana, som tegnede sig for 0,1 % (218 kb) af genomet sammenlignet med 0,02 % (49,6 kb) i A. mellifera. Derimod blev der ikke påvist lange interspredte elementer og korte interspredte elementer i genomet hos A. cerana. Begge blev fundet i A. mellifera-genomet med en hyppighed på henholdsvis 0,04 % (83,1 kb) og 0,03 % (70 kb). DNA-transposoner udgør 0,11 % (247 kb) af A. cerana-genomet og 0,57 % (1,34 Mb) af A. mellifera-genomet. Mariner-transposable elementer, der først blev opdaget i frugtfluen, er blevet fundet på tværs af honningbiernes arter . Genomet hos den vestlige honningbi, A. mellifera, indeholdt flere kopier af mariner-transposoner, fra AmMar1 til AmMar6. I modsætning hertil indeholdt A. cerana-genomet ortologer af AmMar1 og AmMar3-6, men AmMar2-ortolog blev ikke fundet. Dette er i overensstemmelse med spekulationen om, at AmMar1 og AmMar2 blev overført til A. mellifera-genomet for relativt nylig .

Og selv om genombredde gentagelsesanalyser skal undersøges yderligere, viste resultaterne af denne undersøgelse en slående reduktion af transposable elementer (TE’er) og retrotransposoner i A. cerana-genomet sammenlignet med A. mellifera. Manglen på TE’er er et af de vigtigste træk ved honningbiens genom sammenlignet med andre sekventerede Hymenoptera . Noget tyder på, at hygiejne og hygiejnisk adfærd hos eusociale organismer reducerer indsættelsen af TE’er fra fremmede genomer . Imidlertid er både sociale og ikke-sociale hymenopteriske insekters genomer, herunder syv myrer og parasitoiden Nasonia, blevet sekventeret, og de omfatter betydeligt forskellige mængder af repetitive elementer, der udgør 11 % til 28 % af genomerne . Derfor er hygiejnisk adfærd ikke den eneste faktor, der påvirker ophobningen af repetitive elementer i genomer.

Analyse af A. ceranagensættet

På grund af begrænsede data om udtrykte sekvensmærker (EST’er) og komplementære DNA’er (cDNA’er), der er tilgængelige for A. cerana, etablerede vi en genannotations-pipeline ved hjælp af multiple evidensdata (Tabel 4). Først genererede vi 213,327 transskriptioner, der dækker 515,809,639 bp ved hjælp af en de novo samling fra 68 Gb af A. cerana RNA-seq-reads fra A. cerana. For det andet blev RNA-seq-data justeret til scaffold-sekvenser, hvilket resulterede i 31.027 genmodeller, der repræsenterede 96.495.948 bp. For det tredje udførte vi en beregningsbaseret genprædiktion baseret på oplysninger om scaffold-sekvenser, hvilket genererede 24 579 gener, der dækkede 18 397 306 bp. Vi anvendte også A. mellifera-gensekvenser indsamlet fra National Center for Biotechnology Information Reference Sequence Database (NCBI RefSeq, ) som en model til at opnå homologibaseret genannotation. Efterfølgende fusionerede vi alle forudsagte genmodeller ved hjælp af MAKER-programmet for at generere et sæt primære gener. Alle gener blev søgt med den ikke-redundante NCBI-database ved hjælp af BLASTX. Endelig kontrollerede vi manuelt for manglende gener, delvise gener eller adskilte gener. Kemoreceptorgener, herunder gustatoriske receptorer (Grs), odorantreceptorer (Ors) og ionotrope receptorer (Irs), blev undersøgt mere omhyggeligt ved hjælp af analyser af funktionelle sekvensdomæner. Endelig blev 10 651 gener annoteret som det officielle gensæt (OGS) for A. cerana, OGS version 1.0 (tabel 4), hvoraf ca. 84 % af generne blev annoteret med NCBI non-redundant database og 70 % blev annoteret i Uniprot-databasen . Samlet set var det samlede antal gener i A. cerana OGS v1.0 sammenligneligt med antallet af gener i A. mellifera OGS v1.0 (10 157 gener). Antallet er dog mindre end den aktuelle udgave af A. mellifera-genomet, OGS v3.2 (15 314 gener; tabel 5) .

Vi klassificerede gener efter funktion ved hjælp af gene ontology (GO) og Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) databaserne ; 6 338 gener (60 %) havde mere end én GO-betegnelse, og 1 696 enzymer blev kategoriseret i 125 veje (Yderligere filer 2 og 3). Her blev der afsløret flere interessante molekylære veje, som kunne repræsentere honningbi-specifikke molekylære mekanismer. F.eks. kan fedtsyrebiosyntese, glutathionmetabolisme og cytokrom P450-veje være involveret i genkendelse af bofæller og afgiftning af pesticider (Yderligere fil 1: Figur S5) . Honningbiens overflade er sammensat af fedtsyrer og kulbrinter, som afspejler identitet, og vagtbier genkender disse forbindelser for at skelne kolonimedlemmer fra ubudne gæster . KEGG-analyser afslørede, at klasser af enzymer involveret i fedtsyrebiosyntese deles mellem A. cerana og A. mellifera, og A. cerana har færre afgiftende enzymer sammenlignet med flue og myg, men et lignende antal som A. mellifera. Pesticiders bidrag til det globale tab af kolonier af A. mellifera er stadig et kontroversielt spørgsmål, men data tyder på, at A. mellifera er usædvanlig følsom over for forskellige insekticider . Interessant nok har kolonier af A. cerana ikke udvist samme omfang af sammenbrud som A. mellifera, men dette kan forklares ved andre forskelle, der kan reducere eksponeringen for pesticider, såsom hyppig flugtadfærd, lille redearkitektur og fouragering i højtliggende områder .

Gener, der er unikke for A. mellifera. ceranaog ortologer til honningbien

For at undersøge, om ikke-ortologe gener er forbundet med træk ved A. ceranas biologi, sammenlignede vi tre hymenopteriske insekter, Apis mellifera (social), Apis cerana (social), Nasonia vitripennis (ikke-social), og et dipterisk insekt, Drosophila melanogaster (ikke-social) ved ortologibaseret clustering. Blandt 2 182 unikke gener i A. cerana (figur 2) var de fleste af de signifikant berigede GO-termer involveret i neuromuskulært knudepunkt, neuromuskulær proces, regulering af muskelorganets udvikling, muskelcelledifferentiering og muskelvævets udvikling (p < 0,05, Additional file 4). A. cerana har en højere vingeslagfrekvens (306 slag/s) sammenlignet med A. mellifera (235 slag/s) og hurtige, ustyrlige og uforudsigelige flyvemønstre, hvorfor nogle af de berigede proteiner, der er involveret i muskelbevægelse, kan være årsag til A. cerana-specifikke flyvemønstre . Der bør udføres fremtidige undersøgelser for at dissekere dette forhold.

Notabelt blev neurale signalrelaterede GO-termer, herunder neurongenkendelse, signalreceptoraktivitet, transmembranreceptorsignalvej, ionotropisk glutamatreceptorsignalvej og aktiv transmembrantransporteraktivitet, som er tæt forbundet med kemosensorisk modtagelse og kemisk signalering, også beriget (p < 0.05) i A. cerana’s unikke gen-sæt (Additional file 4). Gener, der er involveret i kemisk signalering, har udviklet sig hurtigt, især i eusocialorganismer . Neurale signaleringsprocesser spiller en vigtig rolle i formidlingen af social kommunikation i honningbi-samfundet. A. cerana udviser en række adfærd på gruppeniveau, der adskiller sig fra A. mellifera, herunder en unik forsvarsadfærd mod hvepse. A. cerana-vagtbier hæver deres bagkrop og ryster eller flagrer, idet de producerer alarmerende feromoner, når hvepse nærmer sig bistadet . Yderligere forskning er nødvendig for at afgøre, om molekylære reguleringsmekanismer, der findes unikt i A. cerana, kan være ansvarlige for denne unikke sociale forsvarsadfærd.

Da A. mellifera og A. cerana for nylig er divergeret, antog vi, at der ville være proteinortologer, der er bevaret i begge honningbiarter, som forklarer fælles honningbi-egenskaber. Der blev identificeret i alt 1 061 A. cerana-proteiner med ortologer i A. mellifera, men ingen andre ikke-sociale arter. Disse ortologer blev kategoriseret med GO-termerne “sensorisk opfattelse af lugt” (p < 1,75E-04) og “sensorisk opfattelse af kemisk stimulus” (p < 7,55E-04), som er afgørende egenskaber for social kommunikation og fysisk interaktion . Desuden GO-term “carbohydrate transporter activity” (p < 1.87E-02), som beskriver cuticular hydrocarbon detection , og “regulation of short-term neuronal synaptic plasticity” (p < 2.21E-02) og “transmembrane signalering receptor activity” (p < 3.04E-02), som er involveret i neuronal signalering under social interaktion, var også beriget i ortologer, der deles af de to honningbiarter (Yderligere fil 1: Tabel S3).

Chemoreceptor-genfamilie

Chemoreceptorer spiller vigtige roller i kommunikation og social adfærd, til dels ved at formidle detektion af kemiske signaler fra redekammerater . Hovedgrupper af kemoreceptorgener omfatter gustatoriske receptorer (Grs), lugtreceptorer (Ors) og ionotropiske receptorer (Irs) . Hos sociale insekter, som f.eks. myrer og honningbier, er kemisk kommunikation afgørende for koloniens vedligeholdelse og samarbejde . Her har vi karakteriseret 10 nye Grs, 119 nye Ors og 10 nye Irs i A. cerana-genomet. Genekspressionsmønstre, der blev undersøgt ved hjælp af RNA-seq-data, viste, at annoterede kemoreceptorgener var velorganiserede og sammenlignelige med dem fra A. mellifera og N. vitripennis, selv om de var lidt underrepræsenteret i forhold til A. mellifera-genomet .

Den gustatoriske receptorfamilie

Den gustatoriske receptorfamilie spiller en vigtig rolle i smag og bruges til at indsamle nektar og pollen til energi og yngelpleje . I honningbi-samfundet har koloniens medlemmer arbejdsdeling og udfører forskellige opgaver. Ammebier tager sig af ynglen og dronningen, og de gør rent inde i boet. Fouragerbier indsamler mad eller harpiks udefra og bringer det ind i bistadet . Perifer og intern regulering af Gr genekspression er involveret i denne adfærdsovergang .

I henhold til Robertson og Wanner , har den vestlige honningbi, A. mellifera, 13 Grs (H. M. Robertson, personlig kommunikation), et lille antal sammenlignet med frugtfluen D. melanogaster (68 Grs, ), myggen Aedes aegypti (79 Grs, ), den parasitoid hveps N. vitripennis (58 Grs, ) og myren Linepithema humile (116 Grs, ). I lighed med A. mellifera blev der identificeret 10 Gr-gener i A. cerana-genomet. De blev navngivet på grundlag af deres ortologi til A. mellifera Grs (AmGrs). Alle identificerede Grs i A. cerana udviste enkle ortologe relationer med Grs i A. mellifera, og AcGr1, 2, 3, 6, 7, 9 og 10 havde også ortologer i N. vitripennis (Additional file 1: Figur S6). Disse data indikerede, at Gr-gener er meget bevarede blandt hymenoptera-arter. I lighed med A. mellifera Gr-repertoiret blev AcGr1 og AcGr2 placeret i udvidede slægtslinjer til sukkerreceptorer af D. melanogaster, herunder DmGr5a, DmGr61a og DmGr64a/f (Figur 3A) . Desuden delte AcGr3 en klade med DmGr43a, som fungerer som en fruktosereceptor i periferien og en næringsstofsensor i hjernen hos Drosophila (Figur 3A) . I modsætning hertil viste AcGr6, 7, 9, 9, 10 og X-linjerne ingen tydelige relationer med DmGrs, hvilket indebærer, at de kan være unikke for honningbien. Bittere smagsreceptorer synes også at være tabt i A. cerana-genomet, hvilket kan være relateret til evolutionen af blomsterpræference hos honningbien sammenlignet med andre sociale insekter som f.eks. myren, hvor bitre receptorer er bevaret . Desuden var der ikke ortologer til Drosophila kuldioxid (CO2)-receptorer, Gr21a og Gr63a, til stede i A. cerana-genomet, hvilket svarer til A. mellifera. Honningbier er imidlertid kendt for at detektere CO2, hvilket indikerer, at de kan have udviklet nye molekylære mekanismer, der ligner den syreaftastningsmekanisme, der findes i Drosophila, til at detektere høje CO2-koncentrationer . Delvise sekvenser af A. cerana Gr4- og Gr5-ortologer blev lokaliseret ved hjælp af TBLASTN-søgninger. En Gr8-ortolog kunne ikke findes i A. cerana-genomet.

Ekspressionsmønstre for Gr-ortologer i A. cerana og A. mellifera blev bestemt ved hjælp af relative genekspressionsanalyser (Figur 3B). Overraskende nok var ekspressionsmønstrene for Gr-ortologer mellem de to honningbiarter forskellige. Kandidat sukkerreceptorer, Gr1 og Gr2, blev udtrykt i højere grad i A. cerana sammenlignet med A. mellifera (Figur 3B), hvilket tyder på, at A. cerana måske har en større evne til at opfatte sukkerstoffer. På samme måde blev Gr5 og Gr7 udtrykt i høj grad i A. cerana sammenlignet med A. mellifera. Derimod blev Gr3, 6, 9 og 10 i højere grad udtrykt hos A. mellifera end hos A. cerana. Gr4 og GrX blev ikke påvist i antennens transkriptom hos A. cerana (data ikke vist), hvilket antyder, at Gr4 og GrX måske udtrykkes på et ikke påviseligt niveau eller i andre væv, såsom tunge eller ben. Fremtidige funktionelle undersøgelser af Grs kan afsløre smagssansning og interne reguleringsforskelle mellem arterne.

Lugtstofreceptorfamilien

Insekters lugtstofreceptorer spiller vigtige roller i miljøsignalgenkendelse og kommunikation mellem og inden for arterne . Honningbier bruger lugtreceptorer i sammenhænge, herunder slægtsgenkendelse, fødevarenavigation og feromondetektion . På trods af lugtreceptorernes betydning mangler der imidlertid funktionel identifikation af Ors i honningbier sammenlignet med andre modelinsekter, herunder flue- og myggearter .

I A. cerana-genomet blev der identificeret 119 AcOrs, herunder et par 5′- eller 3′-delvise sekvenser, der indeholder lugtreceptordomænet. Vi navngav A. cerana Ors efter sekvenspositioner i scaffolds. De fleste AcOrs var ikke jævnt fordelt på tværs af scaffolds, men var grupperet på nogle få steder i genomet. For eksempel var klynger af 37 Ors, 15 Ors og 17 Ors anbragt på henholdsvis scaffold 3, 103 og 139 (Additional file 1: Figur S7). I A. mellifera blev det største tandemarray på 60 Ors fundet på kromosom 2 . Denne ekspansion af Ors antyder, at der er sket ulige crossing-over af nabogener. Det store antal Or paraloger indikerer forskellige roller for lugtgenkendelse i honningbi-samfundet, såsom feromonblandinger, cuticulære kulbrinter og blomsterlugtcocktails . Da A. mellifera og A. cerana for nylig er divergeret , blev det antaget, at der kan være synteny mellem Or-klynger. Regioner af A. mellifera kromosom 2 med mikrosyntetisk bevarelse blev identificeret ved at sammenligne Or-genarrangementet i A. cerana-genomet med A. mellifera-genomet. I overensstemmelse med hypotesen blev der fundet bevaret mikrosynteni og klare ortologer af A. cerana Ors til A. mellifera Ors (Figur 4C, Additional file 5), hvilket tyder på, at honningbiens Or-paraloger er grupperet i bevarede genomiske regioner .

Insekter har en række variable Ors, som danner en chaperon med olfaktorisk receptor co-receptor (Orco) in vivo. I den foreliggende undersøgelse delte A. cerana Or5 ortologi med insekt Orcos, herunder D. melanogaster Or83b, N. vitripennis Or1 og A. mellifera Or2 (Figur 4A). Samlet set viste identificerede AcOrs enkle ortologiske relationer med AmOrs, såsom 1:1, 1:2 og 1:3 (AcOrs : AmOrs).

Blandt 177 A. mellifera Ors blev AmOr11 funktionelt karakteriseret som en dronningferomonreceptor, der reagerer på 9-oxo-2-decenoinsyre (9-ODA) . I vores undersøgelse viste AcOr30 1:1 ortologi til AmOr11 med 98,7% identitet (Yderligere fil 1: Figur S7), hvilket indebærer, at dronningferomonkomponenter kan være bevaret mellem A. mellifera og A. cerana.

Transkriptomdata viste, at Or-homologer er differentielt udtrykt mellem A. cerana og A. mellifera (Figur 4B). Fireogfyrre Or-homologer blev udtrykt i højere grad hos A. mellifera, og 56 Or-homologer blev udtrykt i højere grad hos A. cerana. Forskellige ekspressionsmønstre understøtter ideen om, at kodningssekvenser er velkonserverede blandt Or-homologer, men at deres promotorsekvenser har forskellige reguleringsmotiver. Disse data antyder, at de to honningbiarter udtrykker forskellige duftspektrer. Specifikt blev syv AcOr’er (AcOr21, 38, 40, 45, 56, 58 og 116) kun udtrykt i A. cerana, hvilket indikerer funktioner, der er specifikke for A. cerana. Funktionelle undersøgelser ved hjælp af heterologe ekspressionssystemer er nødvendige for bedre at forstå de forskellige funktioner af Ors i honningbier.

Den ionotrope receptorfamilie

For nylig blev en ny familie af kemosensoriske receptorer, den ionotrope receptorfamilie (Ir), identificeret i D. melanogaster. Irs i D. melanogaster udgør forskellige og divergerende underfamilier af ionotrope glutamatreceptorer (iGluRs) . Der er blevet identificeret seksogtres Ir-homologer i D. melanogaster, og 16 blev udtrykt specifikt i antenner . Dette tydede på, at Irs tilhører to undergrupper: konserverede antennel Irs og artsspecifikke divergerende Irs. Disse undergrupper repræsenterer henholdsvis klasser af Ors og Grs . I modsætning til Ors, som reagerer bredt på alkoholer, ketoner og estere, reagerer Irs primært på syrer, aminer og kuldioxid, som kan være fysiologisk vigtige i mange insektarter . Selv om funktionerne af disse receptorer endnu ikke er kendt, kan Irs have en mere generel funktion i forbindelse med detektion af miljøkemikalier, herunder lugtstoffer og smagsstoffer .

Antallet af identificerede Irs hos insekter er stigende , og et stort komplement af Irs er blevet beskrevet i de komplette genomer af fire hymenoptera-arter: A. mellifera (10 Irs), N. vitripennis (10 Irs), L. humile (32 Irs) og P. barbatus (24 Irs) . I denne undersøgelse blev der fundet 10 Ir-homologer i A. cerana-genomet (figur 5A). Ved sekvenssammenligning og fylogenetiske analyser af Irs med D. melanogaster og A. mellifera blev der identificeret formodede ortologer af bevarede Irs i A. cerana-genomet: Ir8a, Ir25a, Ir68a, Ir75a, Ir76a og Ir93a. Som forventet blev der identificeret stærkt bevarede ortologer af antennale Irs i A. cerana-genomet. Disse resultater understøtter hypotesen om, at antennel ekspression af Ir-ortologer har været bevaret i over 350 mya, siden dipteriske og hymenopteriske insekter divergerede . Andre Irs i A. cerana med lav lighed med ortologer af andre insektreceptorer synes at være specifikke for honningbier. Disse Irs kan anvendes til artsspecifik genkendelse, herunder kandidater til cuticulære kulbrinte-receptorer og feromonreceptorer for yngel. Ekspressionsmønstre for langt de fleste Irs er imidlertid ukendte, og der er ikke blevet identificeret nogen ligander for honningbi-Irs. I denne undersøgelse var AcIr-ekspressionsprofilerne forskellige hos A. mellifera og A. cerana (figur 5B). Deres funktioner og det evolutionære grundlag for diversiteten skal stadig undersøges.

Immunrelaterede gener

Honningbier er uvurderlige modeller til undersøgelse af social forsvarsdynamik og individuelle molekylære og adfærdsmæssige forsvarsmekanismer . I modsætning til A. mellifera er A. cerana ikke modtagelig for den ektoparasitiske mide, Varroa destructor, en af de vigtigste vektorer af bi-patogener. Til gengæld har A. cerana i de seneste år lidt meget under virale og bakterielle sygdomme . En nylig rapport viste, at mere end 90 % af de asiatiske honningbiekolonier kollapsede på grund af infektion med sacbroodvirus (SBV) i Korea . Mange asiatiske lande har også oplevet en nedgang i antallet af A. cerana-kolonier af flere årsager. De molekylære forsvarsmekanismer hos A. cerana er imidlertid stadig ukendte. Derfor undersøgte vi immungener, der er til stede i A. cerana-genomet ved at sammenligne genomoplysninger med andre sekventerede insektgenomer .

Ved hjælp af flere TBLASTN-søgninger blev 160 immungen-ortologer identificeret i A. cerana, og yderligere 11 gener blev opdaget ved manuel annotation. Alle større veje blev identificeret i A. cerana, herunder komponenter af Toll-, Imd-, Jak/Stat- og JNK-vejene . Især FADD, Dredd og Kenny, komponenterne i Imd-systemet og Pelle i Toll-systemet blev ikke fundet i A. cerana-genomet (figur 6). Det samlede antal medfødte immungener i A. cerana svarer til andre sociale Hymenoptera (Additional file 1: Table S4), og de fleste immungener i A. cerana havde større sekvenslighed med A. mellifera sammenlignet med andre sekventerede insektarter. Dette kan forklares med bevarelse af det medfødte immunsystem mellem A. cerana og A. mellifera. Eusociale insekter har yderligere sociale immunsystemer som f.eks. rengøringsadfærd (hygiejnisk adfærd, grooming og virksomhed), termisk forsvar (A. mellifera mangler denne adfærd) og antibiotisk redearkitektur (harpiksopsamling), som kan bidrage til at reducere eksponeringen for patogener .

Fremtidige undersøgelser tyder på, at der er kodet for flere antimikrobielle proteiner i A. cerana-genomet sammenlignet med A. mellifera. Faktisk udtrykkes forsvarspeptider, herunder giftpeptider, i A. cerana i højere grad end i A. mellifera. Desuden viser nogle rapporter, at A. cerana har enestående stærke adfærdsmæssige forsvarsmekanismer som f.eks. hygiejne- og pudseadfærd . Tilsammen tyder disse data på, at A. cerana gennem en kombination af udførlige molekylære og adfærdsmæssige mekanismer kan have et mere effektivt socialt forsvarssystem end A. mellifera. Funktionelle undersøgelser af immungener vil bidrage til viden om A. cerana-specifikke sygdomsbekæmpelsesmetoder og udgøre en værdifuld model for sammenlignende undersøgelser af sociale insekters immunsystemer.