Características genómicas de A. cerana
Sequenciação e montagem
Realizámos a sequência genómica completa da abelha melífera asiática usando sete zângãos derivados de uma única colónia. Como a abelha melífera tem um sistema de acasalamento haplodiplóide, os machos (zângãos) são haplóides e as fêmeas (operárias e rainhas) são diplóides. Para minimizar a possível contaminação por genomas estranhos, como bactérias e vírus, eliminamos os tecidos do meio do intestino das abelhas zangões individuais antes da sequenciação. As bibliotecas de sequência genómica foram construídas com uma combinação de leituras curtas (500 bp) e duas bibliotecas de inserção mais longas (3 e 10 Kb), utilizando a tecnologia de sequenciação Illumina (cobertura 152 vezes) (Tabela 2). A montagem consistiu de 2.430 andaimes com um comprimento total de 228 Mb, que cobriram 96% do tamanho estimado do genoma (238 Mb) . Informações gerais sobre a montagem do genoma são apresentadas na Tabela 3. O tamanho do andaime N50 era de 1.421 kb (Tabela 3), muito maior do que o tamanho do andaime N50 encontrado nas montagens iniciais e recentemente melhoradas de A. mellifera (359 kb e 997 kb, Amel_4.0 e Amel_4.5, respectivamente; arquivo adicional 1: Tabela S1) . Para avaliar a precisão dos andaimes, nós comparamos o genoma de A. mellifera e A. cerana para identificar a síntese genômica (Arquivo adicional 1: Figura S1). Os resultados revelaram vários andaimes de A. cerana e do cromossoma 3 de A. mellifera que mostraram relações sintéticas sem rearranjo em larga escala. Além disso, descobrimos que o genoma mitocondrial de A. mellifera (NCBI GQ162109, ) e um contigente de A. cerana tinha alta semelhança de seqüência, ~99% (Arquivo adicional 1: Figura S2). Este contigente, abrangendo todo o genoma A. cerana mitocondrial, é 15.915 bp e inclui 13 genes codificadores de proteínas (Ficheiro adicional 1: Figura S3). Todas as informações da seqüência foram submetidas no NCBI .
Guanina mais conteúdo de citosina (GC)
O A. cerana assembly contém 30% de GC (Tabela 3), semelhante ao conteúdo médio de GC de A. mellifera (33%). Além disso, seis espécies de formiga (Linepithema humile, Camponotus floridanus, Pogonomyrmex barbatus, Solenopsis invicta, Atta cephalotes e Acromyrmex echinatior) possuem teores de GC semelhantes, variando de 33% a 38% . Em contraste, Drosophila melanogaster (42%), Nasonia vitripennis (42%) e Harpegnathos saltator (45%) têm teores de GC mais elevados em comparação com A. cerana. Segundo estudos comparativos de duas espécies de formigas, C. floridanus e H. saltator, organismos com traços sociais mais complexos podem ter genomas AT-biased .
Relative AT bias correlative com a metilação do DNA, uma vez que as metiltransferases de DNA (Dmnts) são quase inteiramente direcionadas a resíduos de citosina seguidos por guaninas na orientação 5′ a 3′ (CpG dinucleotides). A metilcitosina tende a sofrer uma mutação para a timina (T), pelo que a acumulação gradacional de mutação que converte os dinucleótidos CpG em dinucleótidos TpG leva a genomas ricos em AT. Em particular, os valores normalizados de CpG observados/esperados (CpG o/e) têm uma relação negativa com os níveis de metilação do ADN . A metilação do ADN é uma das partes principais da regulação epigenética e tem papéis funcionais na regulação da expressão genética em vertebrados e insectos . Em contraste com os genomas dos vertebrados, que estão esgotados de dinucleotídeos CpG , a maioria dos insetos himenópteros, incluindo A. cerana (1,61), A. mellifera (1,65), C. floridanus (1,58), H. saltator (1,49) e N. vitripennis (1,35), exibem altos níveis de CpG o/e em seus genomas . Outra descoberta intrigante é que o valor normalizado de CpG o/e dentro das seqüências de codificação de proteínas de A. cerana mostrou distribuição bimodal, similar a A. mellifera (Figura 1, arquivo adicional 1: Figura S4) e o pulgão de ervilha Acyrthosiphon pisum. Curiosamente, duas classes distintas de genes estão documentadas para desempenhar diferentes funções, as quais os genes de CpG baixo estão principalmente envolvidos na função doméstica e os genes de CpG alto estão envolvidos no desenvolvimento. De fato, descobrimos que genes que são representados por classes de baixo-CpG são categorizados com processo metabólico, e regulação transcripcional e translacional. Em contraste, genes com alto-CpG representaram categorias GO específicas para funções biológicas.
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Análise da seqüência proteica deA. melliferaandA. cerana. Distribuições de CpG o/e normalizado do conteúdo de (A)A. cerana e (B)A. mellifera. As distribuições bimodais das sequências de codificação proteica das abelhas indicam que o genoma das abelhas melíferas codificou duas classes distintas de genes que são alvo da metilação do DNA.
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O genoma de A. cerana, A. mellifera e A. pisum codificam complementos completos de proteínas de metilação de DNA (Dmnts) , mas, de acordo com uma descoberta recente, vários insetos possuem um conjunto completo de Dnmts sem qualquer padrão de codificação de exons de depleção marcante. Assim, esta característica genómica pode não ser específica da espécie, mas mecanismos de regulação epigenética podem ser conservados em ambas as espécies de abelhas.
Elementos repetitivos
O conjunto de A. cerana compreende 6,48% (14,79 Mb) elementos repetitivos, consistindo de 3,58% (8,16 Mb) repetições simples e 1,95% (4,44 Mb) repetições intercaladas (Ficheiro adicional 1: Tabela S2). Setenta e cinco elementos de repetição específicos de A. cerana foram encontrados usando o programa de novo repeat find, RepeatModeler (versão 1.0.7). Como a montagem do genoma A. cerana contém 9,79% N’s, nós assumimos que seqüências repetitivas na montagem atual podem ser subestimadas. Em comparação com A. mellifera, apenas elementos de repetição terminal longa foram sobre-representados em A. cerana, que representou 0,1% (218 kb) do genoma, comparado a 0,02% (49,6 kb) em A. mellifera. Em contraste, elementos longos intercalados e elementos curtos intercalados não foram detectados no genoma de A. cerana. Ambos foram encontrados no genoma de A. mellifera em frequências de 0,04% (83,1 kb) e 0,03% (70 kb), respectivamente. Os transpositores de DNA constituem 0,11% (247 kb) do genoma A. cerana e 0,57% (1,34 Mb) do genoma A. mellifera. Elementos transponíveis pela primeira vez descobertos na mosca-das-frutas, foram encontrados através das espécies de abelhas melíferas. O genoma da abelha-melífera ocidental, A. mellifera, continha múltiplas cópias de transpositores mariner, variando de AmMar1 a AmMar6. Em contraste, o genoma A. cerana continha ortologs de AmMar1 e AmMar3-6, mas o ortolog AmMar2 não foi encontrado. Isto é consistente com a especulação de que AmMar1 e AmMar2 foram transferidos para o genoma A. mellifera relativamente recentemente .
Embora análises repetidas em todo o genoma precisem ser investigadas mais a fundo, os resultados deste estudo mostraram uma redução marcante de elementos transponíveis (TEs) e retrotransposões no genoma A. cerana em comparação com A. mellifera. A falta de ET é uma das principais características do genoma das abelhas, em comparação com outros Hymenoptera sequenciados. Algumas evidências sugerem que o aliciamento e comportamentos higiênicos em organismos eusociais reduziram a inserção de ETs de genomas estrangeiros . No entanto, tanto os genomas sociais como não sociais dos hímenópteros, incluindo sete formigas e o parasitoide Nasonia, foram sequenciados, e incluem quantidades significativamente diferentes de elementos repetitivos, compreendendo 11% a 28% dos genomas. Portanto, o comportamento higiênico não é o único fator influenciando a acumulação de elementos repetitivos nos genomas.
Análise do conjunto A. ceranagene
Devido a dados limitados sobre os tags de seqüência expressa (ESTs) e DNAs complementares (cDNAs) disponíveis para A. cerana, nós estabelecemos um pipeline de anotação gênica usando dados de múltiplas evidências (Tabela 4). Primeiro, geramos 213.327 transcrições cobrindo 515.809.639 bp usando um conjunto de novo de 68 Gb de leitura RNA-seq de A. cerana. Segundo, os dados do RNA-seq foram alinhados com seqüências de andaimes, o que resultou em 31.027 modelos de genes representando 96.495.948 bp. Terceiro, realizamos a previsão computacional dos genes com base nas informações da seqüência do andaime, que gerou 24.579 genes cobrindo 18.397.306 bp. Também empregamos sequências de genes A. mellifera coletadas do National Center for Biotechnology Information Reference Sequence Database (NCBI RefSeq, ) como modelo para obter a anotação de genes baseada em homologia. Posteriormente, fundimos todos os modelos de genes previstos usando o programa MAKER para gerar um conjunto de genes primários. Todos os genes foram consultados com a base de dados NCBI não redundante utilizando o BLASTX. Finalmente, verificamos manualmente a ausência de genes, genes parciais, ou genes separados. Os genes quimiorreceptores, incluindo receptores gustativos (Grs), receptores odoríferos (Ors) e receptores ionotrópicos (Irs), foram investigados mais cuidadosamente usando análises de domínios de sequências funcionais. Finalmente, 10.651 genes foram anotados como o conjunto de genes oficial (OGS) de A. cerana, OGS versão 1.0 (Tabela 4), dos quais aproximadamente 84% dos genes foram anotados com a base de dados NCBI não redundante e 70% foram anotados na base de dados Uniprot . No total, o número total de genes no OGS A. cerana v1.0 foi comparável ao número no OGS A. mellifera v1.0 (10.157 genes). Entretanto, o número é menor que a atual liberação do genoma A. mellifera, OGS v3.2 (15.314 genes; Tabela 5) .
Classificamos genes por função usando a ontologia gênica (GO) e a Enciclopédia de Genes e Genomas de Kyoto (KEGG); 6.338 genes (60%) tinham mais de um termo GO e 1.696 enzimas foram categorizadas em 125 vias (Arquivos adicionais 2 e 3). Aqui foram reveladas várias vias moleculares interessantes que poderiam representar mecanismos moleculares específicos das abelhas. Por exemplo, a biossíntese do ácido graxo, o metabolismo do glutatião e as vias do citocromo P450 podem estar envolvidos no reconhecimento e desintoxicação de pesticidas (arquivo adicional 1: Figura S5) . A superfície da abelha é composta por ácidos gordos e hidrocarbonetos, que reflectem a identidade, e as abelhas de guarda reconhecem estes compostos para discriminar os membros da colónia dos intrusos . As análises do KEGG revelaram que classes de enzimas envolvidas na biossíntese de ácidos graxos são partilhadas entre A. cerana e A. mellifera, e A. cerana tem menos enzimas de desintoxicação em comparação com a mosca e o mosquito, mas números semelhantes a A. mellifera. A contribuição de pesticidas para as perdas globais de colônia de A. mellifera ainda é uma questão controversa, mas os dados indicam que A. mellifera é invulgarmente sensível a vários inseticidas . Curiosamente, as colônias de A. cerana não mostraram níveis semelhantes de colapso a A. mellifera, mas isto poderia ser explicado por outras diferenças que podem reduzir a exposição a pesticidas, tais como comportamento de fuga frequente, arquitetura de ninhos pequenos, e forrageamento em regiões de alta altitude .
Genes exclusivos de A. mellifera. ceranaand orthologous to honey bee
Para investigar se os genes não ortogonais estão associados a características da biologia de A. cerana, comparamos três insetos himenópteros, Apis mellifera (social), Apis cerana (social), Nasonia vitripennis (não social) e um inseto dipterano, Drosophila melanogaster (não social) por agrupamento baseado em ortologia. Entre 2.182 genes únicos em A. cerana (Figura 2), a maioria dos GO-terms significativamente enriquecidos estavam envolvidos na junção neuromuscular, processo neuromuscular, regulação do desenvolvimento dos órgãos musculares, diferenciação das células musculares e desenvolvimento do tecido muscular (p < 0,05, arquivo adicional 4). A. cerana tem uma freqüência maior de batimentos das asas (306 batimentos/s) comparado com A. mellifera (235 batimentos/s) e padrões de vôo rápidos, impetuosos e imprevisíveis, portanto algumas das proteínas enriquecidas envolvidas no movimento muscular podem ser responsáveis por padrões de vôo específicos de A. cerana. Estudos futuros devem ser realizados para dissecar esta relação.
>Análise comparativa dos grupos de proteínas ortológicas entre os quatro genomas dos insetos. Análise ortográfica das proteínas de A. cerana (oval laranja) com três modelos de insectos bem conhecidos, D. melanogaster (oval azul), N. vitripennis (oval roxo) e A. mellifera (oval vermelho). Ambos D. melanogaster e N. vitripennis são espécies não sociais e A. mellifera e A. cerana são espécies de insetos sociais. * indica proteínas específicas de A. cerana.
Notavelmente, GO-terms relacionados à sinalização neural, incluindo reconhecimento de neurônio, atividade do receptor de sinalização, via de sinalização do receptor transmembrana, via de sinalização do receptor de glutamato ionotrópico e atividade ativa do transportador transmembrana, que estão intimamente relacionados com a recepção quimiosensorial e sinalização química, também foram enriquecidos (p < 0.05) no conjunto genético único de A. cerana (arquivo adicional 4). Os genes envolvidos na sinalização química evoluíram rapidamente, especialmente em organismos eusociais . Os processos de sinalização neural desempenham papéis importantes como mediadores da comunicação social na sociedade das abelhas melíferas. A. cerana mostra uma série de comportamentos a nível de grupo distintos de A. mellifera, incluindo um comportamento de defesa único contra uma vespa. A. as abelhas de guarda do cerana levantam os abdómens e agitam ou agitam, produzindo feromonas de alarme, quando os vespões se aproximam da colmeia. É necessária uma pesquisa adicional para determinar se os mecanismos de regulação molecular encontrados exclusivamente em A. cerana podem ser responsáveis por estes comportamentos únicos de defesa social.
Desde que A. mellifera e A. cerana divergiram recentemente, nós colocamos a hipótese de que haveria ortologs proteicos conservados em ambas as espécies de abelhas melíferas que explicam as características comuns das abelhas melíferas. Um total de 1.061 proteínas de A. cerana foram identificadas com ortologs em A. mellifera, mas nenhuma outra espécie não social. Estes ortologs foram categorizados com GO-terms “percepção sensorial do olfato” (p < 1,75E-04) e “percepção sensorial do estímulo químico” (p < 7,55E-04), que são características cruciais para a comunicação social e interação física . Além disso, o termo GO “atividade transportadora de carboidratos” (p < 1.87E-02), que descreve a detecção de hidrocarbonetos cuticulares, e “regulação da plasticidade sináptica neuronal de curto prazo” (p < 2.21E-02) e “atividade receptora de sinalização transmembrana” (p < 3.04E-02), que estão envolvidos na sinalização neuronal durante a interação social, também foram enriquecidos em ortologs compartilhados pelas duas espécies de abelhas (arquivo adicional 1: Tabela S3).
Família genética quimiorreceptora
Os quimiorreceptores desempenham papéis importantes na comunicação e nos comportamentos sociais, em parte por mediarem a detecção de sinais químicos dos ninhos. Os principais grupos de genes quimiorreceptores incluem receptores gustativos (Grs), receptores odoríferos (Ors) e receptores ionotrópicos (Irs) . Em insetos sociais, como formigas e abelhas, a comunicação química é crucial para a manutenção e cooperação das colônias. Aqui, temos caracterizado 10 novos Grs, 119 novos Ors e 10 novos Irs no genoma A. cerana. Os padrões de expressão gênica, examinados usando dados do RNA-seq, revelaram que os genes quimiorreceptores anotados estavam bem organizados e comparáveis aos de A. mellifera e N. vitripennis, embora estivessem ligeiramente sub-representados em comparação com o genoma A. mellifera .
A família de receptores gustativos
A família de receptores gustativos tem um papel importante no sabor e é usada para coletar néctar e pólen para energia e cuidados de criação . Na sociedade das abelhas, os membros da colónia têm trabalho de divisão e realizam diferentes tarefas. As abelhas enfermeiras cuidam da criação e da rainha, e limpam dentro do ninho. As abelhas forrageiras recolhem os alimentos ou resina do exterior e trazem-nos para a colmeia. A regulação periférica e interna da expressão do gene Gr está envolvida nesta transição comportamental .
De acordo com Robertson e Wanner , a abelha-melífera ocidental, A. mellifera tem 13 Grs (H. M. Robertson, comunicação pessoal), um pequeno número comparado com a mosca da fruta D. melanogaster (68 Grs, ), o mosquito Aedes aegypti (79 Grs, ), a vespa parasitoide N. vitripennis (58 Grs, ), e a formiga Linepithema humilde (116 Grs, ). Semelhante ao A. mellifera, foram identificados 10 genes Gr no genoma A. cerana. Eles foram nomeados com base em sua ortologia para A. mellifera Grs (AmGrs). Todos os Grs identificados em A. cerana mostraram relações ortológicas simples com Grs em A. mellifera, e AcGr1, 2, 3, 6, 7, 9, e 10 também tinham ortologs em N. vitripennis (arquivo adicional 1: Figura S6). Estes dados indicaram que os genes Gr são altamente conservados entre as espécies de himenópteros. Similar ao repertório A. mellifera Gr, AcGr1 e AcGr2 foram posicionados em linhagens expandidas para receptores de açúcar de D. melanogaster, incluindo DmGr5a, DmGr61a e DmGr64a/f (Figura 3A) . Além disso, AcGr3 compartilhou um clade com DmGr43a, que funciona como um receptor de frutose na periferia e um sensor de nutrientes no cérebro de Drosophila (Figura 3A) . Em contraste, AcGr6, 7, 9, 10 e X linhagens não mostraram relações aparentes com DmGrs, implicando que elas podem ser únicas para a abelha melífera. Os receptores de sabor amargo também parecem estar perdidos no genoma A. cerana, o que pode estar relacionado com a evolução da preferência floral da abelha melífera em comparação com outros insetos sociais, como a formiga, na qual os receptores amargos são preservados. Além disso, ortologs para receptores de dióxido de carbono (CO2) de Drosophila, Gr21a e Gr63a, não estavam presentes no genoma A. cerana, semelhante ao A. mellifera. No entanto, sabe-se que as abelhas são capazes de detectar CO2, indicando que podem ter desenvolvido novos mecanismos moleculares semelhantes ao mecanismo de detecção de ácidos encontrado em Drosophila para detectar altas concentrações de CO2 . Seqüências parciais de ortologs A. cerana Gr4 e Gr5 foram localizadas usando pesquisas com TBLASTN. Um ortograma Gr8 não pôde ser encontrado no genoma A. cerana.
Árvore filogenética da família dos receptores gustativos (Gr). (A) Árvore filogenética construída usando A. cerana (vermelho), A. mellifera (azul), e D. melanogaster proteínas do receptor gustativo (B) Perfil de expressão relativa do gene Gr usando valores RPKM em A. cerana (esquerda) e A. mellfera (direita). A cor vermelha indica expressão alta comparada com azul.
Padrões de expressão dos ortologs de Gr em A. cerana e A. mellifera foram determinados por análises de expressão gênica relativa (Figura 3B). Surpreendentemente, os padrões de expressão dos ortologs Gr entre as duas espécies de abelhas melíferas foram distintos. Os receptores de açúcar candidatos, Gr1 e Gr2, foram expressos mais alto em A. cerana em comparação com A. mellifera (Figura 3B), sugerindo que A. cerana pode ter uma maior capacidade de sentir açúcares. Da mesma forma, Gr5 e Gr7 foram altamente expressos em A. cerana comparado com A. mellifera. Em contraste, Gr3, 6, 9, e 10 foram mais altamente expressos em A. mellifera comparado com A. cerana. Gr4 e GrX não foram detectados na transcrição antennal de A. cerana (dados não mostrados), implicando que Gr4 e GrX poderiam ser expressos em níveis indetectáveis ou em outros tecidos, como a língua ou pernas. Futuros estudos funcionais sobre Grs podem revelar diferenças de sensibilidade gustativa e regulação interna entre as espécies.
A família de receptores odoríferos
Os receptores odoríferos dos insetos desempenham papéis importantes no reconhecimento do sinal ambiental e na comunicação entre e intra-espécies. As abelhas melíferas utilizam os receptores odoríferos em contextos, incluindo o reconhecimento de parentes, navegação por alimentos e detecção de feromonas . No entanto, apesar da importância dos receptores odoríferos, a identificação funcional de Ors nas abelhas melíferas é inexistente em comparação com outros modelos de insetos, incluindo espécies de moscas e mosquitos .
No genoma A. cerana, 119 AcOrs, incluindo algumas 5′- ou 3′- seqüências parciais contendo o domínio dos receptores odoríferos, foram identificadas. Nomeámos A. cerana Ors por posições de sequência em andaimes. A maioria dos AcOrs não estavam espalhados uniformemente pelos andaimes, mas estavam agrupados em alguns locais do genoma. Por exemplo, clusters de 37 Ors, 15 Ors, e 17 Ors foram agrupados nos andaimes 3, 103, e 139, respectivamente (arquivo adicional 1: Figura S7). Em A. mellifera, a maior matriz tandem de 60 Ors foi encontrada no cromossomo 2 . Esta expansão de Ors implica um cruzamento desigual por genes vizinhos. O grande número de Parálogos Or indicam diversos papéis para o reconhecimento do odor na sociedade das abelhas, tais como misturas de feromonas, hidrocarbonetos cuticulares e coquetéis de odor floral . Uma vez que A. mellifera e A. cerana divergiram recentemente, foi levantada a hipótese de que pode haver sintonia entre Or clusters. Regiões do cromossomo A. mellifera 2 com conservação do microssinteto foram identificadas através da comparação do arranjo do gene Or no genoma A. cerana com o genoma A. mellifera. Consistente com a hipótese, foram encontrados microsynteny conservados e ortologs claros de A. cerana Ors para A. mellifera Ors (Figura 4C, Arquivo adicional 5), sugerindo que abelha de mel ou parálogos estão agrupados em regiões genômicas conservadas.
Árvore filogenética da família do receptor odorífero (ou). (A) Árvore filogenética construída usando A. cerana (vermelho), A. mellifera (azul), e D. melanogaster, proteínas do receptor odorífero. (B) Perfil relativo ou de expressão gênica usando valores de RPKM em A. cerana (esquerda) e A. mellfera (direita). A cor vermelha indica expressão elevada em comparação com o azul. (C) Microsynteny entre A. cerana e A. mellfera Ou genes. Orthologous e paralogous de A. cerana (vermelho) e de A. mellifera (azul) Ors foram analisados com BLASTZ. A. cerana scaffold number e A. mellifera chromosome number estão do lado esquerdo e direito, respectivamente.
Insectos têm um número de Ors variáveis, que formam um chaperone com co-receptor olfactivo (Orco) in vivo. No presente estudo, A. cerana Or5 compartilhou ortologia com Orcos de insetos incluindo D. melanogaster Or83b, N. vitripennis Or1, e A. mellifera Or2 (Figura 4A). Em geral, o AcOrs identificado mostrou relações ortológicas simples com AmOrs, tais como 1:1, 1:2, e 1:3 (AcOrs : AmOrs).
Among 177 A. mellifera Ors, AmOr11 foi funcionalmente caracterizado como um receptor de feromona rainha respondendo ao ácido 9-oxo-2-decenóico (9-ODA) . Em nosso estudo, AcOr30 mostrou uma ortologia 1:1 para AmOr11 com 98,7% de identidade (arquivo adicional 1: Figura S7), implicando que os componentes da feromona rainha podem ser conservados entre A. mellifera e A. cerana.
Dados transcritores revelaram que Ou os homólogos são expressos diferentemente entre A. cerana e A. mellifera (Figura 4B). Quarenta e quatro ou homólogos foram mais altamente expressos em A. mellifera, e 56 ou homólogos foram mais altamente expressos em A. cerana. Diferentes padrões de expressão suportam a ideia de que as sequências de codificação estão bem conservadas entre os homólogos, mas as suas sequências promotoras têm diversos motivos regulatórios. Estes dados implicam que as duas espécies de abelhas expressam diferentes espectros odoríferos. Especificamente, sete AcOrs (AcOr21, 38, 40, 45, 56, 58, e 116) foram expressos apenas em A. cerana, indicando funções específicas de A. cerana. Estudos funcionais usando sistemas de expressão heterólogos são necessários para melhor compreender as várias funções de Ors em abelhas.
A família de receptores ionotrópicos
Recentemente, uma nova família de receptores quimiossensoriais, a família de receptores ionotrópicos (Ir), foi identificada em D. melanogaster. Irs em D. melanogaster constituem subfamílias distintas e divergentes de receptores de glutamato ionotrópicos (iGluRs) . Sessenta e seis homólogos de Ir foram identificados em D. melanogaster, e 16 foram expressos especificamente em antenas . Isto sugeriu que os Irs pertencem a dois subgrupos: Irs de antenas conservadas e Irs divergentes de espécies específicas. Estes subgrupos representam classes de Ors e Grs, respectivamente . Em contraste com Ors, que respondem amplamente a álcoois, cetonas e ésteres, Irs respondem principalmente a ácidos, aminas e dióxido de carbono, que podem ser fisiologicamente importantes em muitas espécies de insetos . Embora as funções destes receptores ainda não sejam conhecidas, os Irs podem ter uma função mais geral na detecção de produtos químicos ambientais, incluindo odores e sabores .
O número de Irs identificados nos insetos está aumentando , e um grande complemento de Irs tem sido descrito nos genomas completos de quatro espécies de himenópteros: A. mellifera (10 Irs), N. vitripennis (10 Irs), L. humile (32 Irs), e P. barbatus (24 Irs) . Neste estudo, 10 homólogos de Ir foram encontrados no genoma A. cerana (Figura 5A). Comparação de sequências e análises filogenéticas de Irs com D. melanogaster e A. mellifera identificaram ortologues putativos de Irs conservados no genoma A. cerana: Ir8a, Ir25a, Ir68a, Ir75a, Ir76a, e Ir93a. Como esperado, ortologs altamente conservados de Irs antenais foram identificados no genoma A. cerana. Estes resultados suportam a hipótese de que a expressão antennal dos ortologs de Ir foi conservada por mais de 350 mya desde que os insetos dipteran e hymenopteran divergiram. Outros Irs em A. cerana com baixa similaridade com ortologs de outros receptores de insetos parecem ser específicos das abelhas melíferas. Estes Irs podem ser utilizados para o reconhecimento específico da espécie, incluindo candidatos a receptores de hidrocarbonetos cuticulares e receptores de feromonas de criação. No entanto, os padrões de expressão da grande maioria das Irs são desconhecidos e não foram identificados ligandos para as Irs das abelhas melíferas. Neste estudo, os perfis de expressão de AcIr foram diferentes em A. mellifera e A. cerana (Figura 5B). Suas funções e base evolutiva para a diversidade permanecem por investigar.
Árvore filogenética da família dos receptores ionotrópicos (Ir). (A) Árvore filogenética construída usando A. cerana (vermelho), A. mellifera (azul), e D. melanogaster ionotropic receptor proteins. (B) Perfil de expressão relativa do gene Ir usando valores RPKM em A. cerana (esquerda) e A. mellfera (direita). A cor vermelha indica expressão elevada em comparação com o azul.
Gens relacionados com o imuno
As abelhas honestas são modelos inestimáveis para o estudo da dinâmica de defesa social e dos mecanismos de defesa molecular e comportamental individuais . Em contraste com A. mellifera, A. cerana não é susceptível ao ácaro ectoparasitário, Varroa destructor, um dos principais vectores de patogénios das abelhas. Em contraste, A. cerana tem sofrido muito com doenças virais e bacterianas nos últimos anos . Um relatório recente indicou que mais de 90% das colónias de abelhas asiáticas entraram em colapso devido à infecção pelo vírus da sacarose (SBV) na Coreia. Muitos países asiáticos também sofreram quedas nas colônias de A. cerana por várias razões. No entanto, os mecanismos de defesa molecular da A. cerana ainda são desconhecidos. Portanto, nós investigamos genes imunes presentes no genoma A. cerana comparando informações genômicas com outros genomas sequenciados de insetos .
Usando múltiplas buscas de TBLASTN, 160 ortologs de genes imunes foram identificados em A. cerana e 11 genes adicionais foram detectados por anotação manual. Todas as principais vias foram identificadas em A. cerana, incluindo componentes das vias Toll, Imd, Jak/Stat, e JNK . Notavelmente, o FADD, Dredd, e Kenny, componentes do caminho do Imd e Pelle do caminho do Toll não foram detectados no genoma A. cerana (Figura 6). O número total de genes imunes inatos em A. cerana é similar a outros Hymenoptera sociais (arquivo adicional 1: Tabela S4), e a maioria dos genes imunes em A. cerana compartilhou maior similaridade de sequência com A. mellifera comparado a outras espécies de insetos sequenciados. Isto pode ser explicado pela conservação do sistema imunológico inato entre A. cerana e A. mellifera. Os insectos eusociais têm sistemas imunitários sociais adicionais, tais como comportamentos de limpeza (comportamento higiénico, aliciamento, e empreendimento), defesas térmicas (A. mellifera carece deste comportamento), e arquitetura de ninho antibiótico (coleta de resina), o que pode contribuir para reduzir a exposição a patógenos .
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Gens candidatos de vias imunológicas em A. cerana. As caixas coloridas indicam contrapartidas de componentes de vias imunológicas no genoma A. cerana. Desenho esquemático adaptado das vias imunológicas em A. mellifera.
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Estudos anteriores indicam que mais proteínas antimicrobianas são codificadas no genoma A. cerana em comparação com A. mellifera. De fato, peptídeos defensivos, incluindo peptídeos venenosos, em A. cerana são mais fortemente expressos do que aqueles em A. mellifera. Além disso, alguns relatórios mostram a singularidade das fortes defesas comportamentais do A. cerana, tais como comportamentos higiênicos e de higiene. Juntos, estes dados indicam que o A. cerana, através de uma combinação de mecanismos moleculares e comportamentais elaborados, pode ter um sistema de defesa social mais eficaz em comparação com o A. mellifera. Estudos funcionais de genes imunológicos informarão o conhecimento de métodos de controle de doenças específicas de A. cerana e fornecerão um modelo valioso para estudos comparativos de sistemas imunológicos sociais de insetos.