Uncovering the novel characteristics of Asian honey bee, Apis cerana, by whole genome sequencing

Genomic features of A. cerana

Sequencing and assembly

We voerden whole genome sequencing van de Aziatische honingbij uit met zeven darren afkomstig uit één kolonie. Omdat de honingbij een haplodiploïd paringssysteem heeft, zijn de mannetjes (drones) haploïd en de vrouwtjes (werksters en koninginnen) diploïd. Om mogelijke besmetting door vreemde genomen zoals bacteriën en virussen tot een minimum te beperken, hebben we het middendarmweefsel van de afzonderlijke darrenbijen vóór de sequentiebepaling verwijderd. Genomische sequentiebibliotheken werden geconstrueerd met een combinatie van korte lezingen (500 bp) en twee langere insertbibliotheken (3 en 10 Kb), met behulp van Illumina-sequencingtechnologie (152-voudige dekking) (tabel 2). De assemblage bestond uit 2.430 scaffolds met een totale lengte van 228 Mb, die 96% van de geschatte genoomgrootte (238 Mb) bestreken. Algemene informatie over de genoomassemblage wordt gegeven in tabel 3. De N50 steiger grootte was 1.421 kb (tabel 3), veel langer dan de N50 steiger grootte gevonden in de oorspronkelijke en onlangs verbeterde assemblages van A. mellifera (359 kb en 997 kb, Amel_4.0 en Amel_4.5, respectievelijk; Additional file 1: tabel S1) . Om de nauwkeurigheid van de scaffolds te beoordelen, vergeleken we het genoom van A. mellifera en A. cerana om genomische syntenie te identificeren (Extra bestand 1: Figuur S1). Resultaten onthulden verschillende scaffolds van A. cerana en chromosoom 3 van A. mellifera die syntenische relaties met geen grootschalige herschikking toonden. Bovendien vonden we dat het mitochondriale genoom van A. mellifera (NCBI GQ162109, ) en een contig van A. cerana hoge sequentie gelijkenis, ~ 99% (Additional file 1: figuur S2) had. Deze contig, die de gehele A. cerana mitochondriale genoom, is 15.915 bp en omvat 13 eiwit-coderende genen (Additional file 1: figuur S3). Alle sequentie-informatie werd ingediend in het NCBI .

Guanine plus cytosine (GC) inhoud

De A. cerana bevat 30% GC (tabel 3), vergelijkbaar met het gemiddelde GC-gehalte van A. mellifera (33%). Bovendien hebben zes mierensoorten (Linepithema humile, Camponotus floridanus, Pogonomyrmex barbatus, Solenopsis invicta, Atta cephalotes, en Acromyrmex echinatior) vergelijkbare GC-gehalten variërend van 33% tot 38% . Daarentegen hebben Drosophila melanogaster (42%), Nasonia vitripennis (42%), en Harpegnathos saltator (45%) hogere GC-gehalten in vergelijking met A. cerana. Volgens vergelijkende studies van twee mierensoorten, C. floridanus en H. saltator, kunnen organismen met complexere sociale eigenschappen AT-biased genomen hebben.

Relatieve AT bias correleert met DNA methylering, aangezien DNA methyltransferases (Dmnts) bijna volledig gericht zijn op cytosineresiduen gevolgd door guanines in de 5′ tot 3′ oriëntatie (CpG dinucleotiden). Methylcytosine heeft de neiging te muteren in thymine (T), zodat de gradationele accumulatie van mutaties die CpG-dinucleotiden omzetten in TpG-dinucleotiden tot AT-rijke genomen leidt. In het bijzonder hebben genormaliseerde CpG waargenomen/verwachte (CpG o/e) waarden een negatieve relatie met niveaus van DNA-methylering . DNA methylering is een van de belangrijkste onderdelen van epigenetische regulering en heeft een functionele rol in genexpressie regulering in gewervelde dieren en insecten . In tegenstelling tot de genomen van gewervelde dieren, die arm zijn aan CpG dinucleotiden, vertonen de meeste vliesvleugeligen, waaronder A. cerana (1.61), A. mellifera (1.65), C. floridanus (1.58), H. saltator (1.49), en N. vitripennis (1.35), hoge niveaus van CpG o/e in hun genomen. Een andere intrigerende ontdekking is dat de genormaliseerde CpG o/e waarde binnen eiwitcoderende sequenties van A. cerana een bimodale verdeling vertoonde, vergelijkbaar met A. mellifera (figuur 1, Additional file 1: figuur S4) en de erwtenbladluis Acyrthosiphon pisum. Interessant is dat twee verschillende klassen van genen zijn gedocumenteerd om verschillende functies uit te voeren, waarbij lage-CpG genen voornamelijk betrokken zijn bij huishoudelijke functies en hoge-CpG genen betrokken zijn bij ontwikkeling. Inderdaad, we vonden dat genen die vertegenwoordigd zijn in de lage-CpG klassen gecategoriseerd worden met metabolische processen en transcriptionele en translationele regulatie. Daarentegen vertegenwoordigden hoog-CpG genen GO categorieën die specifiek zijn voor biologische functies.

Het genoom van A. cerana, A. mellifera en A. pisum coderen voor een volledige reeks DNA-methyleringseiwitten (Dmnts), maar volgens een recente ontdekking bezitten verschillende insecten een volledige reeks Dnmts zonder opvallend depletiepatroon van coderende exonen. Dus, dit genomische kenmerk is misschien niet soortspecifiek, maar mechanismen van epigenetische regulering kunnen worden geconserveerd in beide honingbijensoorten.

Repetitieve elementen

De A. cerana assemblage bestond uit 6,48% (14,79 Mb) repetitieve elementen, bestaande uit 3,58% (8,16 Mb) eenvoudige herhalingen en 1,95% (4,44 Mb) afgewisselde herhalingen (Additional file 1: tabel S2). Vijfenzeventig A. cerana-specifieke herhalingselementen werden gevonden met behulp van het de novo programma voor het vinden van herhalingen, RepeatModeler (versie 1.0.7). Aangezien de A. cerana genoom assemblage 9.79% N’s bevatte, veronderstelden we dat repetitieve sequenties in de huidige assemblage onderschat kunnen zijn. In vergelijking met A. mellifera waren alleen lange terminale repetitieve elementen oververtegenwoordigd in A. cerana, die 0,1% (218 kb) van het genoom uitmaakten, vergeleken met 0,02% (49,6 kb) in A. mellifera. Daarentegen werden in het genoom van A. cerana geen lange, afgewisselde elementen en korte afgewisselde elementen aangetroffen. Beide werden in het genoom van A. mellifera aangetroffen met een frequentie van respectievelijk 0,04% (83,1 kb) en 0,03% (70 kb). DNA-transposons maken 0,11% (247 kb) van het A. cerana-genoom en 0,57% (1,34 Mb) van het A. mellifera-genoom uit. Mariner transposable elementen, voor het eerst ontdekt bij de fruitvlieg, zijn bij alle honingbijensoorten aangetroffen. Het genoom van de westelijke honingbij, A. mellifera, bevat meerdere kopieën van mariner transposons, variërend van AmMar1 tot AmMar6. Daarentegen bevatte het genoom van A. cerana orthologs van AmMar1 en AmMar3-6, maar een AmMar2 ortholog werd niet gevonden. Dit is consistent met de speculatie dat AmMar1 en AmMar2 relatief recent aan het A. mellifera genoom werden overgedragen.

Hoewel genoom-brede herhaalanalyses verder onderzocht moeten worden, toonden de resultaten van deze studie een opvallende vermindering van transposable elementen (TEs) en retrotransposons in het A. cerana genoom in vergelijking met A. mellifera. Het ontbreken van TE’s is een van de belangrijkste kenmerken van het genoom van de honingbij, vergeleken met dat van andere Hymenoptera. Er zijn aanwijzingen dat verzorging en hygiënisch gedrag bij eusociale organismen de insertie van TE’s uit vreemde genomen verminderen. Echter, zowel sociale als niet-sociale hymenoptera insect genomen, waaronder zeven mieren en de parasitoïde Nasonia, zijn gesequenced, en ze bevatten significant verschillende hoeveelheden repetitieve elementen die 11% tot 28% van de genomen omvatten. Daarom is hygiënisch gedrag niet de enige factor die de accumulatie van repetitieve elementen in genomen beïnvloedt.

Analyse van de A. ceranagenenverzameling

Gevolge beperkte gegevens over uitgedrukte sequentietags (EST’s) en complementaire DNA’s (cDNA’s) beschikbaar voor A. cerana, stelden we een genannotatiepijplijn op met behulp van meervoudige bewijsgegevens (tabel 4). Eerst genereerden we 213.327 transcripten met een dekking van 515.809.639 bp met behulp van een de novo montage van 68 Gb van A. cerana RNA-seq leest. Ten tweede, RNA-seq gegevens werden uitgelijnd met scaffold sequenties, wat resulteerde in 31.027 gen modellen die 96.495.948 bp. Ten derde, voerden we computationele genvoorspelling uit op basis van de scaffold sequentie informatie, wat 24.579 genen opleverde die 18.397.306 bp besloegen. We gebruikten ook A. mellifera gensequenties verzameld uit de National Center for Biotechnology Information Reference Sequence Database (NCBI RefSeq, ) als model om op homologie gebaseerde genannotatie te verkrijgen. Vervolgens hebben we alle voorspelde genmodellen samengevoegd met behulp van het MAKER-programma om een primaire genenset te genereren. Alle genen werden vergeleken met de NCBI niet-redundante database met behulp van BLASTX. Tenslotte controleerden we handmatig op ontbrekende genen, gedeeltelijke genen, of gescheiden genen. Chemoreceptor genen, waaronder gustatory receptoren (Grs), odorant receptoren (Ors), en ionotrope receptoren (Irs), werden meer zorgvuldig onderzocht met behulp van analyses van functionele sequentie domeinen. Ten slotte werden 10.651 genen geannoteerd als de officiële genen set (OGS) van A. cerana, OGS versie 1.0 (tabel 4), waarvan ongeveer 84% van de genen werden geannoteerd met NCBI niet-redundante database en 70% werden geannoteerd in de Uniprot database . In het algemeen was het totale aantal genen in de A. cerana OGS v1.0 vergelijkbaar met het aantal in de A. mellifera OGS v1.0 (10.157 genen). Het aantal is echter minder dan de huidige release van het A. mellifera genoom, OGS v3.2 (15.314 genen; Tabel 5) .

We classificeerden genen naar functie met behulp van de genontologie (GO) en de Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) databases ; 6.338 genen (60%) hadden meer dan één GO term en 1.696 enzymen werden gecategoriseerd in 125 pathways (Additional files 2 en 3). Hier werden verschillende interessante moleculaire paden onthuld die honingbij-specifieke moleculaire mechanismen zouden kunnen vertegenwoordigen. Bijvoorbeeld, de vetzuur biosynthese, glutathion metabolisme, en cytochroom P450 routes kunnen betrokken zijn bij nest-mate herkenning en ontgifting van pesticiden (Additional file 1: figuur S5) . Het oppervlak van de honingbij is samengesteld uit vetzuren en koolwaterstoffen, die identiteit weerspiegelen, en waakbijen herkennen deze verbindingen om kolonie leden van indringers te discrimineren. KEGG-analyses toonden aan dat klassen van enzymen betrokken bij de vetzuurbiosynthese gedeeld worden door A. cerana en A. mellifera, en dat A. cerana minder ontgiftingsenzymen heeft dan de vlieg en de mug, maar een vergelijkbaar aantal als A. mellifera. De bijdrage van pesticiden aan het wereldwijde verlies van kolonies van A. mellifera is nog steeds een controversiële kwestie, maar uit gegevens blijkt dat A. mellifera ongewoon gevoelig is voor diverse insecticiden. Interessant is dat kolonies van A. cerana geen vergelijkbare niveaus van instorting vertonen als A. mellifera, maar dit zou verklaard kunnen worden door andere verschillen die de blootstelling aan pesticiden kunnen verminderen, zoals frequent onderduikgedrag, kleine nestarchitectuur, en foerageren in hooggelegen gebieden .

Genen die uniek zijn voor A. ceranaand ortholoog voor honingbij

Om te onderzoeken of niet-orthologe genen geassocieerd zijn met kenmerken van A. cerana biologie, vergeleken we drie hymenoptera insecten, Apis mellifera (sociaal), Apis cerana (sociaal), Nasonia vitripennis (niet-sociaal), en een diptera insect, Drosophila melanogaster (niet-sociaal) door orthologie gebaseerde clustering. Onder de 2.182 unieke genen in A. cerana (figuur 2), waren de meeste significant verrijkte GO-termen betrokken bij neuromusculaire junctie, neuromusculair proces, regulatie van spierorgaan ontwikkeling, spierceldifferentiatie, en spierweefsel ontwikkeling (p < 0,05, Additional file 4). A. cerana heeft een hogere vleugelslagfrequentie (306 slagen/s) in vergelijking met A. mellifera (235 slagen/s) en snelle, onstuimige en onvoorspelbare vliegpatronen, daarom zouden sommige van de verrijkte eiwitten die betrokken zijn bij spierbeweging een verklaring kunnen zijn voor A. cerana-specifieke vliegpatronen. Toekomstige studies moeten worden uitgevoerd om deze relatie te ontleden.

Notably, neural signaling-related GO-terms, including neuron recognition, signaling receptor activity, transmembrane receptor signaling pathway, ionotropic glutamate receptor signaling pathway, and active transmembrane transporter activity, which are closely related with chemosensory reception and chemical signaling, were also enriched (p < 0.05) in de unieke genenset van A. cerana (Additional file 4). Genen betrokken bij chemische signalering zijn snel geëvolueerd, vooral in eusociale organismen. Neurale signaleringsprocessen spelen een belangrijke rol bij de bemiddeling van sociale communicatie in de honingbijensamenleving. A. cerana vertoont een aantal gedragingen op groepsniveau die verschillen van A. mellifera, waaronder een uniek verdedigingsgedrag tegen horzels. A. cerana bewakingsbijen heffen hun buik op en schudden of fladderen, waarbij ze alarmferomonen produceren, wanneer horzels de korf naderen. Aanvullend onderzoek is nodig om te bepalen of moleculaire reguleringsmechanismen die uniek zijn bij A. cerana verantwoordelijk kunnen zijn voor deze unieke sociale verdedigingsgedragingen.

Aangezien A. mellifera en A. cerana onlangs divergeerden, veronderstelden we dat er eiwitorthologs geconserveerd zouden zijn in beide honingbijensoorten die gedeelde honingbijkenmerken verklaren. In totaal werden 1.061 A. cerana eiwitten geïdentificeerd met orthologs in A. mellifera, maar geen in andere niet-sociale soorten. Deze orthologs werden gecategoriseerd met GO-terms “sensorische perceptie van geur” (p < 1.75E-04) en “sensorische perceptie van chemische stimulus” (p < 7.55E-04), die cruciale kenmerken zijn voor sociale communicatie en fysieke interactie . Bovendien, de GO-term “koolhydraat transporter activiteit” (p < 1,87E-02), die cuticulaire koolwaterstof detectie beschrijft , en “regulering van de korte termijn neuronale synaptische plasticiteit” (p < 2,21E-02) en “transmembraan signalering receptor activiteit” (p < 3.04E-02), die betrokken zijn bij neuronale signalering tijdens sociale interactie, waren ook verrijkt in orthologs gedeeld door de twee honingbij soorten (Additional file 1: Table S3).

Chemoreceptor gen familie

Chemoreceptoren spelen een belangrijke rol in communicatie en sociaal gedrag, deels door het bemiddelen van detectie van chemische signalen van nestgenoten . Belangrijke groepen chemoreceptorgenen omvatten smaakreceptoren (Grs), geurreceptoren (Ors), en ionotrope receptoren (Irs) . Bij sociale insecten, zoals mieren en honingbijen, is chemische communicatie cruciaal voor koloniebehoud en samenwerking. Hier hebben we 10 nieuwe Grs, 119 nieuwe Ors, en 10 nieuwe Irs in het A. cerana genoom gekarakteriseerd. Genexpressie patronen, onderzocht met behulp van RNA-seq gegevens, bleek dat geannoteerde chemoreceptor genen goed georganiseerd waren en vergelijkbaar met die van A. mellifera en N. vitripennis, hoewel ze iets ondervertegenwoordigd waren in vergelijking met het A. mellifera genoom .

De gustatory receptor familie

De gustatory receptor familie speelt een belangrijke rol in smaak en wordt gebruikt om nectar en stuifmeel te verzamelen voor energie en broedzorg . In de honingbijenmaatschappij hebben de leden van de kolonie een taakverdeling en voeren verschillende taken uit. Verpleegbijen zorgen voor het broed en de koningin, en ze maken het nest schoon. De foeragerende bijen verzamelen voedsel of hars van buitenaf en brengen dat naar de bijenkorf. Perifere en interne regulatie van Gr genexpressie is betrokken bij deze gedragsovergang .

Volgens Robertson en Wanner , de westelijke honingbij, A. mellifera heeft 13 Grs (H. M. Robertson, persoonlijke mededeling), een klein aantal vergeleken met de fruitvlieg D. melanogaster (68 Grs, ), de mug Aedes aegypti (79 Grs, ), de parasitoïde wesp N. vitripennis (58 Grs, ), en de mier Linepithema humile (116 Grs, ). Net als bij A. mellifera werden in het genoom van A. cerana 10 Gr-genen geïdentificeerd. Ze werden genoemd op basis van hun orthologie met A. mellifera Grs (AmGrs). Alle geïdentificeerde Grs in A. cerana vertoonden eenvoudige orthologe verwantschappen met Grs in A. mellifera, en AcGr1, 2, 3, 6, 7, 9, en 10 hadden ook orthologs in N. vitripennis (Additional file 1: figuur S6). Deze gegevens wijzen erop dat Gr-genen sterk geconserveerd zijn tussen vliesvleugeligen. Vergelijkbaar met het Gr-repertoire van A. mellifera, werden AcGr1 en AcGr2 gepositioneerd in uitgebreide lijnen naar suikerreceptoren van D. melanogaster, waaronder DmGr5a, DmGr61a en DmGr64a/f (Figuur 3A) . Bovendien deelde AcGr3 een clade met DmGr43a, die functioneert als een fructose receptor in de periferie en een voedingsstofsensor in de hersenen van Drosophila (figuur 3A) . In tegenstelling, AcGr6, 7, 9, 10, en X lineages toonden geen duidelijke relaties met DmGrs, wat impliceert dat ze uniek zijn voor de honingbij. Bittere smaakreceptoren lijken ook verloren te zijn gegaan in het genoom van A. cerana, wat verband kan houden met de evolutie van bloemvoorkeur in de honingbij in vergelijking met andere sociale insecten zoals de mier, waar bittere receptoren bewaard zijn gebleven. Bovendien waren orthologs van Drosophila kooldioxide (CO2) receptoren, Gr21a en Gr63a, niet aanwezig in het A. cerana genoom, vergelijkbaar met dat van A. mellifera. Van honingbijen is echter bekend dat zij CO2 detecteren, wat erop wijst dat zij wellicht nieuwe moleculaire mechanismen hebben ontwikkeld die vergelijkbaar zijn met het zure-detectiemechanisme dat bij Drosophila is gevonden voor het detecteren van hoge CO2-concentraties. Gedeeltelijke sequenties van A. cerana Gr4 en Gr5 orthologs werden gevonden met behulp van TBLASTN zoekopdrachten. Een Gr8-ortholoog kon niet worden gevonden in het genoom van A. cerana.

Expressiepatronen van Gr orthologs in A. cerana en A. mellifera werden bepaald door relatieve genexpressie analyses (figuur 3B). Verrassend genoeg waren de expressiepatronen van Gr-orthologs tussen de twee honingbijensoorten verschillend. Kandidaat suiker receptoren, Gr1 en Gr2, werden hoger uitgedrukt in A. cerana in vergelijking met A. mellifera (figuur 3B), wat suggereert dat A. cerana een groter vermogen om suikers te voelen kan hebben. Evenzo kwamen Gr5 en Gr7 in A. cerana hoger tot expressie dan bij A. mellifera. Daarentegen kwamen Gr3, 6, 9 en 10 meer tot expressie bij A. mellifera in vergelijking met A. cerana. Gr4 en GrX werden niet gedetecteerd in het antennatranscriptoom van A. cerana (gegevens niet aangetoond), wat impliceert dat Gr4 en GrX misschien tot expressie komen op niet-detecteerbare niveaus of in andere weefsels, zoals de tong of de poten. Toekomstige functionele studies op Grs kan onthullen smaak sensing en interne regulatie verschillen tussen de species.

The geurstof receptor familie

Insect geurstof receptoren spelen een belangrijke rol in de erkenning van omgevingssignalen en inter-en intra-soorten communicatie. Honingbijen gebruiken geurstof receptoren in contexten, met inbegrip van kin erkenning, voedsel navigatie, en feromoon detectie . Echter, ondanks het belang van geurstof receptoren, de functionele identificatie van Ors in honingbijen ontbreekt in vergelijking met andere model insecten, waaronder vliegen en muggensoorten.

In het A. cerana genoom, 119 AcOrs, waaronder een paar 5′- of 3′- partiële sequenties die de geurstof receptor domein, werden geïdentificeerd. We noemden A. cerana Ors naar sequentieposities in scaffolds. De meeste AcOrs waren niet gelijkmatig verspreid over scaffolds, maar werden geclusterd op een paar locaties in het genoom. Bijvoorbeeld, clusters van 37 Ors, 15 Ors, en 17 Ors waren arrayed op scaffold 3, 103, en 139, respectievelijk (Additional file 1: figuur S7). In A. mellifera, de grootste tandem array van 60 Ors werd gevonden op chromosoom 2 . Deze uitbreiding van Ors impliceert ongelijke crossing-over door naburige genen opgetreden. Het grote aantal Or paralogs wijzen op diverse rollen voor geurstof herkenning in honingbij samenleving, zoals feromoon mengsels, cuticulaire koolwaterstoffen, en bloemen geur cocktails . Aangezien A. mellifera en A. cerana onlangs divergeerden, werd verondersteld dat er syntenie tussen Or clusters kan zijn. Regio’s van A. mellifera chromosoom 2 met behoud van microsyntenie werden geïdentificeerd door vergelijking van de Or-gen rangschikking in het A. cerana genoom met het A. mellifera genoom. In overeenstemming met de hypothese, werden geconserveerde microsyntenie en duidelijke orthologs van A. cerana Ors naar A. mellifera Ors gevonden (figuur 4C, Additional file 5), wat suggereert dat honingbij Or paralogs zijn geclusterd in geconserveerde genomische regio’s .

Insecten hebben een aantal variabele Ors, die in vivo een chaperon vormen met de olfactorische receptor co-receptor (Orco). In de huidige studie, A. cerana Or5 gedeelde orthologie met insect Orcos waaronder D. melanogaster Or83b, N. vitripennis Or1, en A. mellifera Or2 (figuur 4A). Over het algemeen vertoonden geïdentificeerde AcOrs eenvoudige orthologe relaties met AmOrs, zoals 1:1, 1:2, en 1:3 (AcOrs : AmOrs).

Onder 177 A. mellifera Ors, werd AmOr11 functioneel gekarakteriseerd als een koninginneferomoonreceptor die reageert op 9-oxo-2-decendoic acid (9-ODA) . In onze studie, AcOr30 toonde 1:1 orthologie naar AmOr11 met 98,7% identiteit (Additional file 1: figuur S7), wat impliceert dat koningin feromoon componenten kunnen worden geconserveerd tussen A. mellifera en A. cerana.

Transcriptoom gegevens bleek dat Or homologs differentieel tot expressie komen tussen A. cerana en A. mellifera (figuur 4B). Vierenveertig Or homologs werden meer tot expressie gebracht in A. mellifera, en 56 Or homologs werden meer tot expressie gebracht in A. cerana. De verschillende expressiepatronen ondersteunen het idee dat de coderende sequenties goed geconserveerd zijn onder de Or homologs, maar dat hun promotor sequenties verschillende regulerende motieven hebben. Deze gegevens impliceren dat de twee honingbij soorten verschillende geur spectra uit te drukken. Specifiek, zeven AcOrs (AcOr21, 38, 40, 45, 56, 58, en 116) kwamen alleen tot expressie in A. cerana, wat wijst op functies specifiek voor A. cerana. Functionele studies met behulp van heterologe expressiesystemen zijn nodig om de verschillende functies van Ors in honingbijen beter te begrijpen.

De ionotrope receptorfamilie

Onlangs werd een nieuwe familie chemosensorische receptoren, de ionotrope receptorfamilie (Ir), geïdentificeerd in D. melanogaster. Irs in D. melanogaster vormen verschillende en divergente subfamilies van ionotrope glutamaatreceptoren (iGluRs) . Zesenzestig Ir homologs werden geïdentificeerd in D. melanogaster, en 16 kwamen specifiek tot expressie in antennes . Dit suggereerde dat Irs tot twee subgroepen behoren: geconserveerde antennale Irs en soortspecifieke divergente Irs. Deze subgroepen vertegenwoordigen klassen van respectievelijk Ors en Grs. In tegenstelling tot Ors, die in het algemeen reageren op alcoholen, ketonen en esters, reageren Irs voornamelijk op zuren, amines en koolstofdioxide, die fysiologisch belangrijk kunnen zijn in vele insectensoorten. Hoewel de functies van deze receptoren nog niet bekend zijn, kunnen Irs een meer algemene functie hebben bij de detectie van omgevingschemicaliën, waaronder geur- en smaakstoffen.

Het aantal geïdentificeerde Irs bij insecten neemt toe, en een groot aantal Irs is beschreven in de volledige genomen van vier vliesvleugeligen (hymenoptera): A. mellifera (10 Irs), N. vitripennis (10 Irs), L. humile (32 Irs), en P. barbatus (24 Irs) . In deze studie werden 10 Ir homologs gevonden in het A. cerana genoom (Figuur 5A). Sequentievergelijking en fylogenetische analyses van Irs met D. melanogaster en A. mellifera identificeerden putatieve orthologs van geconserveerde Irs in het A. cerana genoom: Ir8a, Ir25a, Ir68a, Ir75a, Ir76a, en Ir93a. Zoals verwacht werden in het A. cerana genoom sterk geconserveerde orthologs van antennale Irs geïdentificeerd. Deze resultaten ondersteunen de hypothese dat de antennale expressie van Ir orthologs is geconserveerd gedurende meer dan 350 mya sinds diptera en hymenoptera insecten divergeerden. Andere Irs in A. cerana die weinig gelijkenis vertonen met orthologs van andere insectenreceptoren blijken specifiek te zijn voor honingbijen. Deze Irs kunnen worden gebruikt voor soortspecifieke herkenning, waaronder kandidaten voor cuticulaire koolwaterstofreceptoren en broedferomoonreceptoren. De expressiepatronen van de meeste Irs zijn echter onbekend en er zijn geen liganden voor Irs van honingbijen geïdentificeerd. In deze studie waren de AcIr expressieprofielen verschillend in A. mellifera en A. cerana (Figuur 5B). Hun functies en evolutionaire basis voor diversiteit moeten nog worden onderzocht.

Immunogerelateerde genen

Honingbijen zijn modellen van onschatbare waarde voor het bestuderen van sociale verdedigingsdynamiek en individuele moleculaire en gedragsmatige verdedigingsmechanismen . In tegenstelling tot A. mellifera is A. cerana niet vatbaar voor de ectoparasitaire mijt, Varroa destructor, een van de belangrijkste vectoren van bijenpathogenen. Daarentegen heeft A. cerana de laatste jaren veel te lijden gehad van virale en bacteriële ziekten. Uit een recent rapport blijkt dat in Korea meer dan 90% van de Aziatische honingbijenvolken is ingestort als gevolg van een infectie met het sacbroodvirus (SBV). Ook in veel Aziatische landen daalde het aantal A. cerana kolonies om verschillende redenen. De moleculaire verdedigingsmechanismen van A. cerana zijn echter nog onbekend. Daarom onderzochten we de immuungenen aanwezig in het genoom van A. cerana door genomische informatie te vergelijken met andere gesequenteerde insectgenomen.

Met behulp van meervoudige TBLASTN-zoekopdrachten werden 160 immuungenorthologs geïdentificeerd in A. cerana en 11 extra genen werden gedetecteerd door handmatige annotatie. Alle belangrijke pathways werden geïdentificeerd in A. cerana, inclusief componenten van de Toll, Imd, Jak/Stat, en JNK pathways. Met name de FADD, Dredd, en Kenny, componenten van de Imd pathway en Pelle van de Toll pathway werden niet gedetecteerd in het A. cerana genoom (figuur 6). Het totale aantal aangeboren immuungenen in A. cerana is vergelijkbaar met andere sociale Hymenoptera (Additional file 1: Tabel S4), en de meeste immuungenen in A. cerana deelden een hogere sequentie gelijkenis met A. mellifera in vergelijking met andere gesequenteerde insectensoorten. Dit kan verklaard worden door het behoud van het aangeboren immuunsysteem tussen A. cerana en A. mellifera. Eusociale insecten hebben aanvullende sociale immuunsystemen, zoals schoonmaakgedrag (hygiënisch gedrag, verzorging, en ondernemen), thermische afweer (A. mellifera mist dit gedrag), en antibiotica nest architectuur (hars collectie), die kunnen bijdragen tot vermindering van de blootstelling aan ziekteverwekkers .

Vorige studies wijzen erop dat het genoom van A. cerana meer antimicrobiële proteïnen codeert dan dat van A. mellifera. Verdedigingspeptiden, waaronder giftige peptiden, komen bij A. cerana sterker tot expressie dan bij A. mellifera. Bovendien blijkt uit sommige rapporten dat A. cerana over unieke sterke gedragsmatige verdedigingsmechanismen beschikt, zoals hygiënisch en verzorgingsgedrag. Samen wijzen deze gegevens erop dat A. cerana, door een combinatie van uitgebreide moleculaire en gedragsmechanismen, een doeltreffender sociaal afweersysteem zou kunnen hebben dan A. mellifera. Functionele studies van immuungenen zullen de kennis van A. cerana-specifieke ziektebestrijdingsmethoden informeren en een waardevol model bieden voor vergelijkende studies van sociale insecten immuunsystemen.