Aufdeckung neuer Merkmale der Asiatischen Honigbiene, Apis cerana, durch Ganzgenomsequenzierung

Genomische Merkmale von A. cerana

Sequenzierung und Assemblierung

Wir haben die Ganzgenomsequenzierung der Asiatischen Honigbiene mit sieben Drohnen aus einem einzigen Volk durchgeführt. Da die Honigbiene ein haplodiploides Paarungssystem hat, sind die Männchen (Drohnen) haploid und die Weibchen (Arbeiterinnen und Königinnen) diploid. Um eine mögliche Verunreinigung durch fremde Genome wie Bakterien und Viren zu minimieren, haben wir vor der Sequenzierung das mittlere Darmgewebe der einzelnen Drohnenbienen entfernt. Genomische Sequenzbibliotheken wurden mit einer Kombination aus kurzen Reads (500 bp) und zwei längeren Insert-Bibliotheken (3 und 10 Kb) unter Verwendung der Illumina-Sequenziertechnologie (152-fache Abdeckung) erstellt (Tabelle 2). Der Aufbau bestand aus 2 430 Gerüsten mit einer Gesamtlänge von 228 MB, die 96 % der geschätzten Genomgröße (238 MB) abdeckten. Allgemeine Informationen über die Genomassemblierung sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die N50-Gerüstgröße betrug 1.421 kb (Tabelle 3) und war damit wesentlich größer als die N50-Gerüstgröße, die in den ursprünglichen und kürzlich verbesserten Zusammenstellungen von A. mellifera gefunden wurde (359 kb und 997 kb, Amel_4.0 bzw. Amel_4.5; Zusatzdatei 1: Tabelle S1). Um die Genauigkeit der Gerüste zu bewerten, verglichen wir das Genom von A. mellifera und A. cerana, um genomische Syntenie zu identifizieren (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1). Die Ergebnisse zeigten, dass mehrere Gerüste von A. cerana und Chromosom 3 von A. mellifera syntenische Beziehungen aufweisen, ohne dass es zu großflächigen Umlagerungen kommt. Darüber hinaus stellten wir fest, dass das mitochondriale Genom von A. mellifera (NCBI GQ162109) und ein Contig von A. cerana eine hohe Sequenzähnlichkeit (~99 %) aufweisen (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S2). Dieser Contig, der das gesamte mitochondriale Genom von A. cerana umfasst, hat eine Länge von 15.915 bp und enthält 13 proteinkodierende Gene (Additional file 1: Abbildung S3). Alle Sequenzinformationen wurden beim NCBI eingereicht.

Guanin- und Cytosin-Gehalt (GC)

Die A. cerana-Assembly enthält 30 % GC (Tabelle 3), ähnlich dem mittleren GC-Gehalt von A. mellifera (33 %). Darüber hinaus haben sechs Ameisenarten (Linepithema humile, Camponotus floridanus, Pogonomyrmex barbatus, Solenopsis invicta, Atta cephalotes und Acromyrmex echinatior) ähnliche GC-Gehalte zwischen 33 % und 38 %. Dagegen haben Drosophila melanogaster (42 %), Nasonia vitripennis (42 %) und Harpegnathos saltator (45 %) einen höheren GC-Gehalt als A. cerana. Vergleichende Studien an zwei Ameisenarten, C. floridanus und H. saltator, haben ergeben, dass Organismen mit komplexeren sozialen Merkmalen möglicherweise AT-beeinflusste Genome haben.

Die relative AT-Beeinflussung korreliert mit der DNA-Methylierung, da DNA-Methyltransferasen (Dmnts) fast ausschließlich auf Cytosinreste abzielen, gefolgt von Guaninen in der 5′- bis 3′-Ausrichtung (CpG-Dinukleotide). Methylcytosin neigt dazu, zu Thymin (T) zu mutieren, so dass die graduelle Anhäufung von Mutationen, die CpG-Dinukleotide in TpG-Dinukleotide umwandeln, zu AT-reichen Genomen führt. Insbesondere stehen die normalisierten beobachteten/erwarteten CpG-Werte (CpG o/e) in einem negativen Verhältnis zum Grad der DNA-Methylierung. Die DNA-Methylierung ist einer der Hauptbestandteile der epigenetischen Regulierung und spielt eine funktionelle Rolle bei der Regulierung der Genexpression in Wirbeltieren und Insekten. Im Gegensatz zu den Genomen von Wirbeltieren, die arm an CpG-Dinukleotiden sind, weisen die meisten Hautflügler-Insekten, darunter A. cerana (1,61), A. mellifera (1,65), C. floridanus (1,58), H. saltator (1,49) und N. vitripennis (1,35), einen hohen Anteil an CpG o/e in ihren Genomen auf. Eine weitere interessante Entdeckung ist, dass der normalisierte CpG o/e-Wert in den proteinkodierenden Sequenzen von A. cerana eine bimodale Verteilung aufweist, ähnlich wie bei A. mellifera (Abbildung 1, Additional file 1: Abbildung S4) und der Erbsenblattlaus Acyrthosiphon pisum. Interessanterweise sind zwei verschiedene Klassen von Genen dokumentiert, die unterschiedliche Funktionen ausüben, wobei Gene mit niedrigem CpG-Gehalt vor allem für den Haushalt zuständig sind, während Gene mit hohem CpG-Gehalt an der Entwicklung beteiligt sind. In der Tat fanden wir heraus, dass Gene, die Low-CpG-Klassen vertreten sind, mit metabolischen Prozessen und Transkriptions- und Translationsregulation kategorisiert werden. Im Gegensatz dazu repräsentierten Gene mit hohem CpG-Gehalt GO-Kategorien, die für biologische Funktionen spezifisch sind.

Das Genom von A. cerana, A. mellifera und A. pisum kodieren vollständige Komplemente von DNA-Methylierungsproteinen (Dmnts), aber nach einer kürzlich gemachten Entdeckung besitzen mehrere Insekten einen vollständigen Satz von Dnmts ohne auffälliges Deletionsmuster kodierender Exons. Somit ist dieses genomische Merkmal möglicherweise nicht artspezifisch, aber die Mechanismen der epigenetischen Regulierung könnten in beiden Honigbienenarten konserviert sein.

Repetitive Elemente

Die A. cerana-Anordnung umfasste 6,48 % (14,79 Mb) repetitive Elemente, bestehend aus 3,58 % (8,16 Mb) einfachen Wiederholungen und 1,95 % (4,44 Mb) durchsetzten Wiederholungen (Zusatzdatei 1: Tabelle S2). Fünfundsiebzig A. cerana-spezifische Repeat-Elemente wurden mit dem De-novo-Wiederholungsfindungsprogramm RepeatModeler (Version 1.0.7) gefunden. Da die A. cerana-Genomassemblierung 9,79 % N’s enthielt, gingen wir davon aus, dass die repetitiven Sequenzen in der aktuellen Assemblierung möglicherweise unterschätzt werden. Im Vergleich zu A. mellifera waren bei A. cerana nur lange terminale Repeat-Elemente überrepräsentiert, die 0,1 % (218 kb) des Genoms ausmachten, verglichen mit 0,02 % (49,6 kb) bei A. mellifera. Im Gegensatz dazu wurden lange durchsetzte Elemente und kurze durchsetzte Elemente im Genom von A. cerana nicht nachgewiesen. Beide wurden im Genom von A. mellifera mit einer Häufigkeit von 0,04 % (83,1 kb) bzw. 0,03 % (70 kb) gefunden. DNA-Transposons machen 0,11 % (247 kb) des Genoms von A. cerana und 0,57 % (1,34 Mb) des Genoms von A. mellifera aus. Die erstmals bei der Fruchtfliege entdeckten transponierbaren Mariner-Elemente wurden bei allen Honigbienenarten gefunden. Das Genom der westlichen Honigbiene, A. mellifera, enthielt mehrere Kopien von Mariner-Transposons, von AmMar1 bis AmMar6. Im Gegensatz dazu enthielt das Genom von A. cerana Orthologe von AmMar1 und AmMar3-6, aber das Ortholog von AmMar2 wurde nicht gefunden. Dies stimmt mit der Vermutung überein, dass AmMar1 und AmMar2 erst vor relativ kurzer Zeit in das Genom von A. mellifera übertragen wurden.

Obwohl genomweite Wiederholungsanalysen noch weiter untersucht werden müssen, zeigten die Ergebnisse dieser Studie eine auffällige Verringerung von transposablen Elementen (TEs) und Retrotransposons im Genom von A. cerana im Vergleich zu A. mellifera. Das Fehlen von TEs ist eines der Hauptmerkmale des Honigbienengenoms im Vergleich zu anderen sequenzierten Hymenopteren. Einiges deutet darauf hin, dass Pflege- und Hygieneverhalten bei eusozialen Organismen die Einschleusung von TEs aus fremden Genomen reduziert. Allerdings sind sowohl soziale als auch nicht-soziale Hymenopteren-Insektengenome, darunter sieben Ameisen und der Parasitoid Nasonia, sequenziert worden, und sie enthalten signifikant unterschiedliche Mengen an repetitiven Elementen, die 11 % bis 28 % der Genome ausmachen. Daher ist das Hygieneverhalten nicht der einzige Faktor, der die Anhäufung repetitiver Elemente in Genomen beeinflusst.

Analyse des A. ceranagenen Satzes

Da für A. cerana nur begrenzte Daten zu exprimierten Sequenzmarkern (ESTs) und komplementären DNAs (cDNAs) zur Verfügung stehen, haben wir eine Genannotationspipeline unter Verwendung von Daten mit mehreren Nachweisen erstellt (Tabelle 4). Zunächst generierten wir 213.327 Transkripte, die 515.809.639 bp abdecken, mit Hilfe einer de-novo-Assemblierung aus 68 Gb von A. cerana RNA-seq-Reads. Zweitens wurden die RNA-seq-Daten an Gerüstsequenzen ausgerichtet, was zu 31.027 Genmodellen mit 96.495.948 bp führte. Drittens führten wir eine computergestützte Genvorhersage auf der Grundlage der Gerüstsequenzinformationen durch, die 24.579 Gene mit 18.397.306 bp ergab. Wir verwendeten auch Gensequenzen von A. mellifera aus der Referenzsequenzdatenbank des National Center for Biotechnology Information (NCBI RefSeq) als Modell, um eine homologiebasierte Genannotation zu erhalten. Anschließend fügten wir alle vorhergesagten Genmodelle mit dem MAKER-Programm zusammen, um einen primären Gensatz zu erstellen. Alle Gene wurden mit Hilfe von BLASTX in der nicht redundanten NCBI-Datenbank abgefragt. Schließlich überprüften wir manuell auf fehlende Gene, Teilgene oder abgetrennte Gene. Chemorezeptorgene, einschließlich Geschmacksrezeptoren (Grs), Geruchsrezeptoren (Ors) und ionotrope Rezeptoren (Irs), wurden mit Hilfe von Analysen der funktionellen Sequenzdomänen genauer untersucht. Schließlich wurden 10 651 Gene als offizieller Gensatz (OGS) von A. cerana, OGS Version 1.0, annotiert (Tabelle 4), von denen etwa 84 % der Gene in der nicht redundanten NCBI-Datenbank und 70 % in der Uniprot-Datenbank annotiert wurden. Insgesamt war die Gesamtzahl der Gene in der A. cerana OGS v1.0 vergleichbar mit der Anzahl der Gene in der A. mellifera OGS v1.0 (10.157 Gene). Die Anzahl ist jedoch geringer als die der aktuellen Version des A. mellifera-Genoms, OGS v3.2 (15.314 Gene; Tabelle 5).

Wir klassifizierten die Gene nach ihrer Funktion, indem wir die Datenbanken der Gene Ontology (GO) und der Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) benutzten; 6.338 Gene (60 %) hatten mehr als einen GO-Begriff und 1.696 Enzyme wurden in 125 Pfade eingeteilt (Additional files 2 und 3). Hier wurden mehrere interessante molekulare Pfade aufgedeckt, die honigbienenspezifische molekulare Mechanismen darstellen könnten. So könnten beispielsweise die Fettsäurebiosynthese, der Glutathion-Stoffwechsel und die Cytochrom-P450-Wege an der Erkennung von Nestgenossen und der Entgiftung von Pestiziden beteiligt sein (Zusatzdatei 1: Abbildung S5). Die Oberfläche der Honigbiene besteht aus Fettsäuren und Kohlenwasserstoffen, die die Identität widerspiegeln, und die Wächterbienen erkennen diese Verbindungen, um die Mitglieder der Kolonie von Eindringlingen zu unterscheiden. KEGG-Analysen ergaben, dass A. cerana und A. mellifera gemeinsame Klassen von Enzymen besitzen, die an der Fettsäurebiosynthese beteiligt sind, und dass A. cerana im Vergleich zu Fliege und Mücke weniger, aber ähnlich viele Entgiftungsenzyme besitzt wie A. mellifera. Der Beitrag von Pestiziden zu den weltweiten Kolonieverlusten von A. mellifera ist nach wie vor umstritten, aber Daten deuten darauf hin, dass A. mellifera ungewöhnlich empfindlich auf verschiedene Insektizide reagiert. Interessanterweise sind die Kolonien von A. cerana nicht in ähnlichem Ausmaß zusammengebrochen wie die von A. mellifera, aber dies könnte durch andere Unterschiede erklärt werden, die die Exposition gegenüber Pestiziden verringern, wie z. B. häufiges Fluchtverhalten, kleine Nestarchitektur und Futtersuche in hoch gelegenen Regionen.

Gene, die nur bei A. ceranaund ortholog zur Honigbiene

Um zu untersuchen, ob nicht-orthologe Gene mit Merkmalen der Biologie von A. cerana in Verbindung stehen, verglichen wir drei Hautflügler-Insekten, Apis mellifera (sozial), Apis cerana (sozial), Nasonia vitripennis (nicht-sozial), und ein Dipteren-Insekt, Drosophila melanogaster (nicht-sozial), durch orthologiebasiertes Clustering. Von den 2.182 einzigartigen Genen in A. cerana (Abbildung 2) waren die meisten der signifikant angereicherten GO-Begriffe an neuromuskulären Verbindungen, neuromuskulären Prozessen, der Regulierung der Entwicklung von Muskelorganen, der Differenzierung von Muskelzellen und der Entwicklung von Muskelgewebe beteiligt (p < 0,05, Additional file 4). A. cerana hat eine höhere Flügelschlagfrequenz (306 Schläge/s) im Vergleich zu A. mellifera (235 Schläge/s) und schnelle, ungestüme und unvorhersehbare Flugmuster, daher könnten einige der angereicherten Proteine, die an der Muskelbewegung beteiligt sind, für A. cerana-spezifische Flugmuster verantwortlich sein. Zukünftige Studien sollten durchgeführt werden, um diese Beziehung zu untersuchen.

Insbesondere waren auch mit neuronalen Signalen zusammenhängende GO-Begriffe, einschließlich Neuronenerkennung, Signalrezeptoraktivität, Transmembranrezeptor-Signalweg, ionotroper Glutamatrezeptor-Signalweg und aktive Transmembrantransporteraktivität, die eng mit chemosensorischer Rezeption und chemischer Signalgebung zusammenhängen, angereichert (p < 0.05) in dem einzigartigen Gensatz von A. cerana angereichert (Additional file 4). Gene, die an der chemischen Signalübertragung beteiligt sind, haben sich schnell entwickelt, insbesondere bei eusozialen Organismen. Neuronale Signalprozesse spielen eine wichtige Rolle bei der Vermittlung sozialer Kommunikation in der Honigbienengesellschaft. A. cerana zeigt eine Reihe von Verhaltensweisen auf Gruppenebene, die sich von denen von A. mellifera unterscheiden, einschließlich eines einzigartigen Verteidigungsverhaltens gegen Hornissen. Die Wächterbienen von A. cerana heben ihren Hinterleib und schütteln oder flattern, wobei sie Alarmpheromone produzieren, wenn sich Hornissen dem Bienenstock nähern. Weitere Forschungen sind erforderlich, um festzustellen, ob molekulare Regulierungsmechanismen, die nur bei A. cerana zu finden sind, für dieses einzigartige soziale Verteidigungsverhalten verantwortlich sein könnten.

Da sich A. mellifera und A. cerana vor kurzem auseinanderentwickelt haben, gingen wir davon aus, dass es in beiden Honigbienenarten konservierte Proteinorthologe gibt, die gemeinsame Honigbienenmerkmale erklären. Insgesamt wurden 1.061 A. cerana-Proteine identifiziert, die Orthologe in A. mellifera, aber in keiner anderen nicht-sozialen Art aufweisen. Diese Orthologe wurden den GO-Terms „Geruchssinn“ (p < 1,75E-04) und „Wahrnehmung chemischer Reize“ (p < 7,55E-04) zugeordnet, die für die soziale Kommunikation und körperliche Interaktion entscheidend sind. Darüber hinaus sind die GO-Terme „Kohlenhydrat-Transporter-Aktivität“ (p < 1.87E-02), die die kutikuläre Kohlenwasserstoffdetektion beschreibt, sowie „Regulation der kurzfristigen neuronalen synaptischen Plastizität“ (p < 2.21E-02) und „Transmembran-Signalrezeptor-Aktivität“ (p < 3.04E-02), die an der neuronalen Signalübertragung während der sozialen Interaktion beteiligt sind, waren ebenfalls in Orthologen angereichert, die von den beiden Honigbienenarten geteilt werden (Additional file 1: Table S3).

Chemorezeptor-Genfamilie

Chemorezeptoren spielen eine wichtige Rolle in der Kommunikation und im Sozialverhalten, zum Teil durch die Vermittlung der Erkennung chemischer Signale von Nestgenossen. Zu den Hauptgruppen der Chemorezeptorgene gehören Geschmacksrezeptoren (Grs), Geruchsrezeptoren (Ors) und ionotrope Rezeptoren (Irs). Bei sozialen Insekten wie Ameisen und Honigbienen ist die chemische Kommunikation entscheidend für die Aufrechterhaltung der Kolonie und die Zusammenarbeit. Hier haben wir 10 neue Grs, 119 neue Ors und 10 neue Irs im Genom von A. cerana charakterisiert. Die anhand von RNA-seq-Daten untersuchten Genexpressionsmuster zeigten, dass die annotierten Chemorezeptorgene gut organisiert und mit denen von A. mellifera und N. vitripennis vergleichbar waren, obwohl sie im Vergleich zum A. mellifera-Genom leicht unterrepräsentiert waren.

Die Geschmacksrezeptorfamilie

Die Geschmacksrezeptorfamilie spielt eine wichtige Rolle beim Geschmack und wird zum Sammeln von Nektar und Pollen zur Energiegewinnung und Brutpflege eingesetzt. In der Honigbienengesellschaft sind die Mitglieder des Bienenvolkes arbeitsteilig und übernehmen unterschiedliche Aufgaben. Ammenbienen kümmern sich um die Brut und die Königin und reinigen das Innere des Nestes. Sammelbienen sammeln Nahrung oder Harz von draußen und bringen es in den Bienenstock. Die periphere und interne Regulierung der Gr-Genexpression ist an diesem Verhaltensübergang beteiligt.

Nach Robertson und Wanner hat die westliche Honigbiene, A. mellifera, 13 Grs (H. M. Robertson, persönliche Mitteilung), eine geringe Zahl im Vergleich zur Fruchtfliege D. melanogaster (68 Grs, ), der Stechmücke Aedes aegypti (79 Grs, ), der parasitären Wespe N. vitripennis (58 Grs, ) und der Ameise Linepithema humile (116 Grs, ). Ähnlich wie bei A. mellifera wurden auch im Genom von A. cerana 10 Gr-Gene identifiziert. Sie wurden auf der Grundlage ihrer Orthologie zu den Grs von A. mellifera (AmGrs) benannt. Alle identifizierten Grs in A. cerana zeigten einfache orthologe Beziehungen zu Grs in A. mellifera, und AcGr1, 2, 3, 6, 7, 9 und 10 hatten auch Orthologe in N. vitripennis (Zusatzdatei 1: Abbildung S6). Diese Daten deuten darauf hin, dass die Gr-Gene unter den Hymenopterenarten hoch konserviert sind. Ähnlich wie das Gr-Repertoire von A. mellifera wurden AcGr1 und AcGr2 in erweiterten Linien zu den Zuckerrezeptoren von D. melanogaster positioniert, einschließlich DmGr5a, DmGr61a und DmGr64a/f (Abbildung 3A). Darüber hinaus teilte AcGr3 eine Klade mit DmGr43a, der als Fruktoserezeptor in der Peripherie und als Nährstoffsensor im Gehirn von Drosophila fungiert (Abbildung 3A) . Die AcGr6-, 7-, 9-, 10- und X-Linien hingegen zeigten keine offensichtliche Verwandtschaft mit DmGrs, was darauf schließen lässt, dass sie möglicherweise nur bei der Honigbiene vorkommen. Bittergeschmacksrezeptoren scheinen im Genom von A. cerana ebenfalls verloren gegangen zu sein, was mit der Evolution der Blütenpräferenz bei der Honigbiene im Vergleich zu anderen sozialen Insekten wie der Ameise, bei der Bitterrezeptoren erhalten sind, zusammenhängen könnte. Darüber hinaus waren im Genom von A. cerana, ähnlich wie bei A. mellifera, keine Orthologe der Kohlendioxidrezeptoren (CO2) von Drosophila, Gr21a und Gr63a, vorhanden. Es ist jedoch bekannt, dass Honigbienen CO2 nachweisen können, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise neue molekulare Mechanismen entwickelt haben, die dem bei Drosophila gefundenen Mechanismus zur Erkennung hoher CO2-Konzentrationen ähneln. Teilsequenzen der Gr4- und Gr5-Orthologe von A. cerana wurden mit Hilfe von TBLASTN-Suchen gefunden. Ein Gr8-Ortholog konnte im Genom von A. cerana nicht gefunden werden.

Die Expressionsmuster der Gr-Orthologe in A. cerana und A. mellifera wurden durch relative Genexpressionsanalysen bestimmt (Abbildung 3B). Überraschenderweise waren die Expressionsmuster der Gr-Orthologe bei den beiden Honigbienenarten unterschiedlich. Die Kandidaten für Zuckerrezeptoren, Gr1 und Gr2, wurden in A. cerana stärker exprimiert als in A. mellifera (Abbildung 3B), was darauf hindeutet, dass A. cerana möglicherweise eine größere Fähigkeit zur Zuckererkennung besitzt. In ähnlicher Weise wurden Gr5 und Gr7 in A. cerana im Vergleich zu A. mellifera stark exprimiert. Im Gegensatz dazu waren Gr3, 6, 9 und 10 bei A. mellifera stärker ausgeprägt als bei A. cerana. Gr4 und GrX wurden im Transkriptom der Antenne von A. cerana nicht nachgewiesen (Daten nicht gezeigt), was bedeutet, dass Gr4 und GrX möglicherweise in nicht nachweisbaren Mengen oder in anderen Geweben wie der Zunge oder den Beinen exprimiert werden. Zukünftige funktionelle Studien über Grs könnten Unterschiede zwischen den Arten in der Geschmackserkennung und der internen Regulierung aufdecken.

Die Geruchsrezeptorfamilie

Insektengeruchsrezeptoren spielen eine wichtige Rolle bei der Erkennung von Umweltsignalen und der Kommunikation zwischen und innerhalb der Arten. Honigbienen nutzen Geruchsrezeptoren unter anderem zur Erkennung von Verwandten, zur Nahrungssuche und zum Aufspüren von Pheromonen. Trotz der Bedeutung von Geruchsrezeptoren fehlt jedoch die funktionelle Identifizierung von Ors bei Honigbienen im Vergleich zu anderen Modellinsekten, einschließlich Fliegen- und Moskitoarten.

Im Genom von A. cerana wurden 119 AcOrs identifiziert, darunter einige 5′- oder 3′-Teilsequenzen, die die Geruchsrezeptordomäne enthalten. Wir benannten A. cerana Ors nach Sequenzpositionen in Gerüsten. Die meisten AcOrs waren nicht gleichmäßig über die Gerüste verteilt, sondern waren an einigen wenigen Stellen im Genom geclustert. Zum Beispiel waren Cluster von 37 Ors, 15 Ors und 17 Ors auf Gerüst 3, 103 bzw. 139 angeordnet (Additional file 1: Abbildung S7). Bei A. mellifera wurde das größte Tandem-Array mit 60 Ors auf Chromosom 2 gefunden. Diese Ausdehnung der Ors deutet darauf hin, dass ein ungleiches Crossing-over durch benachbarte Gene stattgefunden hat. Die große Anzahl von Or-Paralogen deutet auf verschiedene Rollen bei der Erkennung von Duftstoffen in der Honigbienengesellschaft hin, wie z. B. Pheromonmischungen, kutikuläre Kohlenwasserstoffe und Blumenduftcocktails. Da sich A. mellifera und A. cerana vor kurzem auseinanderentwickelt haben, wurde angenommen, dass zwischen den Or-Clustern eine Syntenie bestehen könnte. Durch den Vergleich der Anordnung der Or-Gene im Genom von A. cerana mit dem Genom von A. mellifera wurden Bereiche des Chromosoms 2 von A. mellifera identifiziert, in denen Mikrosyntenie erhalten ist. In Übereinstimmung mit der Hypothese wurden eine konservierte Mikrosyntenie und eindeutige Orthologe von A. cerana Ors zu A. mellifera Ors gefunden (Abbildung 4C, Zusatzdatei 5), was darauf hindeutet, dass die Or-Paraloge der Honigbiene in konservierten genomischen Regionen geclustert sind.

Insekten verfügen über eine Reihe variabler Ors, die in vivo ein Chaperon mit dem Geruchsrezeptor-Co-Rezeptor (Orco) bilden. In der vorliegenden Studie teilte A. cerana Or5 die Orthologie mit Insekten-Orcos wie D. melanogaster Or83b, N. vitripennis Or1 und A. mellifera Or2 (Abbildung 4A). Insgesamt zeigten die identifizierten AcOrs einfache orthologe Beziehungen zu AmOrs, wie z. B. 1:1, 1:2 und 1:3 (AcOrs : AmOrs).

Unter den 177 A. mellifera Ors wurde AmOr11 funktionell als Königinnen-Pheromonrezeptor charakterisiert, der auf 9-Oxo-2-decensäure (9-ODA) reagiert. In unserer Studie zeigte AcOr30 eine 1:1-Orthologie zu AmOr11 mit 98,7 % Identität (Additional file 1: Abbildung S7), was bedeutet, dass Komponenten des Königinnenpheromons zwischen A. mellifera und A. cerana konserviert sein könnten.

Transkriptomdaten zeigten, dass Or-Homologe zwischen A. cerana und A. mellifera unterschiedlich exprimiert werden (Abbildung 4B). Vierundvierzig Or-Homologe wurden in A. mellifera stärker exprimiert, und 56 Or-Homologe wurden in A. cerana stärker exprimiert. Die unterschiedlichen Expressionsmuster unterstützen die Idee, dass die kodierenden Sequenzen unter den Or-Homologen gut konserviert sind, ihre Promotorsequenzen jedoch unterschiedliche regulatorische Motive aufweisen. Diese Daten deuten darauf hin, dass die beiden Honigbienenarten unterschiedliche Geruchsspektren ausdrücken. Insbesondere sieben AcOr (AcOr21, 38, 40, 45, 56, 58 und 116) wurden nur in A. cerana exprimiert, was auf spezifische Funktionen für A. cerana hinweist. Funktionelle Studien unter Verwendung heterologer Expressionssysteme sind erforderlich, um die verschiedenen Funktionen der Ors in Honigbienen besser zu verstehen.

Die ionotrope Rezeptorfamilie

Kürzlich wurde eine neue Familie chemosensorischer Rezeptoren, die ionotrope Rezeptorfamilie (Ir), in D. melanogaster identifiziert. Die Ir-Rezeptoren in D. melanogaster bilden unterschiedliche und voneinander abweichende Unterfamilien der ionotropen Glutamatrezeptoren (iGluRs). In D. melanogaster wurden sechsundsechzig Ir-Homologe identifiziert, von denen 16 spezifisch in den Antennen exprimiert wurden. Dies deutet darauf hin, dass die Irs zu zwei Untergruppen gehören: konservierte antennale Irs und artspezifisch divergente Irs. Diese Untergruppen stellen Klassen von Ors bzw. Grs dar. Im Gegensatz zu den Ors, die allgemein auf Alkohole, Ketone und Ester reagieren, reagieren die Irs in erster Linie auf Säuren, Amine und Kohlendioxid, die bei vielen Insektenarten physiologisch wichtig sein können. Obwohl die Funktionen dieser Rezeptoren noch nicht bekannt sind, haben Irs möglicherweise eine allgemeinere Funktion bei der Erkennung von Umweltchemikalien, einschließlich Geruchs- und Geschmacksstoffen.

Die Zahl der identifizierten Irs in Insekten nimmt zu, und in den vollständigen Genomen von vier Hymenopterenarten wurde eine große Anzahl von Irs beschrieben: A. mellifera (10 Irs), N. vitripennis (10 Irs), L. humile (32 Irs) und P. barbatus (24 Irs) . In dieser Studie wurden 10 Ir-Homologe im Genom von A. cerana gefunden (Abbildung 5A). Sequenzvergleiche und phylogenetische Analysen von Irs mit D. melanogaster und A. mellifera ergaben mutmaßliche Orthologe von konservierten Irs im A. cerana-Genom: Ir8a, Ir25a, Ir68a, Ir75a, Ir76a und Ir93a. Wie erwartet, wurden im Genom von A. cerana hoch konservierte Orthologe der antennalen Irs identifiziert. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass die antennale Expression von Ir-Orthologen seit über 350 mya konserviert ist, seit sich Dipteren und Hymenopteren auseinanderentwickelt haben. Andere Irs in A. cerana mit geringer Ähnlichkeit zu Orthologen anderer Insektenrezeptoren scheinen honigbienenspezifisch zu sein. Diese Irs können für die artspezifische Erkennung verwendet werden, einschließlich Kandidaten für kutikuläre Kohlenwasserstoffrezeptoren und Brutpheromonrezeptoren. Die Expressionsmuster der meisten Irs sind jedoch unbekannt, und es wurden noch keine Liganden für Honigbienen-Irs identifiziert. In dieser Studie waren die AcIr-Expressionsprofile bei A. mellifera und A. cerana unterschiedlich (Abbildung 5B). Ihre Funktionen und die evolutionäre Grundlage für die Vielfalt müssen noch untersucht werden.

Immunbezogene Gene

Honigbienen sind unschätzbare Modelle für die Untersuchung der sozialen Verteidigungsdynamik und der individuellen molekularen und verhaltensbezogenen Verteidigungsmechanismen. Im Gegensatz zu A. mellifera ist A. cerana nicht empfänglich für die ektoparasitische Milbe Varroa destructor, einen der wichtigsten Überträger von Bienenpathogenen. Im Gegensatz dazu hat A. cerana in den letzten Jahren stark unter viralen und bakteriellen Krankheiten gelitten. Einem kürzlich erschienenen Bericht zufolge sind mehr als 90 % der asiatischen Honigbienenvölker aufgrund einer Infektion mit dem Sacbrood-Virus (SBV) in Korea zusammengebrochen. Auch in vielen anderen asiatischen Ländern ist die Zahl der A. cerana-Bienenvölker aus verschiedenen Gründen zurückgegangen. Die molekularen Abwehrmechanismen von A. cerana sind jedoch noch unbekannt. Daher untersuchten wir die im Genom von A. cerana vorhandenen Immungene, indem wir die genomischen Informationen mit denen anderer sequenzierter Insektengenome verglichen.

Mit Hilfe mehrerer TBLASTN-Suchen wurden 160 Orthologe von Immungenen in A. cerana identifiziert, und 11 zusätzliche Gene wurden durch manuelle Annotation entdeckt. Alle wichtigen Signalwege wurden in A. cerana identifiziert, einschließlich der Komponenten der Toll-, Imd-, Jak/Stat- und JNK-Signalwege. Bemerkenswert ist, dass FADD, Dredd und Kenny, Komponenten des Imd-Signalwegs, und Pelle des Toll-Signalwegs im Genom von A. cerana nicht nachgewiesen wurden (Abbildung 6). Die Gesamtzahl der Gene für das angeborene Immunsystem in A. cerana ist mit der anderer sozialer Hymenopteren vergleichbar (Additional file 1: Table S4), und die meisten Immungene in A. cerana weisen im Vergleich zu anderen sequenzierten Insektenarten eine höhere Sequenzähnlichkeit mit A. mellifera auf. Dies könnte durch die Erhaltung des angeborenen Immunsystems zwischen A. cerana und A. mellifera erklärt werden. Eusoziale Insekten verfügen über zusätzliche soziale Immunsysteme, wie z. B. Reinigungsverhalten (Hygieneverhalten, Putzen und Unternehmungen), thermische Abwehrkräfte (A. mellifera fehlt dieses Verhalten) und antibiotische Nestarchitektur (Harzsammlung), die dazu beitragen können, die Exposition gegenüber Krankheitserregern zu verringern.

Vorangegangene Studien deuten darauf hin, dass im Genom von A. cerana mehr antimikrobielle Proteine kodiert werden als bei A. mellifera. In der Tat werden Abwehrpeptide, einschließlich giftiger Peptide, in A. cerana stärker exprimiert als in A. mellifera. Darüber hinaus zeigen einige Berichte die Einzigartigkeit der starken Verhaltensabwehr von A. cerana, wie z. B. das Hygiene- und Pflegeverhalten. Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass A. cerana durch eine Kombination von ausgeklügelten molekularen und verhaltensbezogenen Mechanismen über ein effektiveres soziales Abwehrsystem verfügt als A. mellifera. Funktionelle Studien von Immungenen werden das Wissen über A. cerana-spezifische Krankheitsbekämpfungsmethoden erweitern und ein wertvolles Modell für vergleichende Studien sozialer Insektenimmunsysteme liefern.