Scoprendo le nuove caratteristiche dell’ape da miele asiatica, Apis cerana, attraverso il sequenziamento del genoma intero

Caratteristiche genomiche di A. cerana

Sequencing e assemblaggio

Abbiamo eseguito il sequenziamento del genoma intero dell’ape da miele asiatica utilizzando sette fuchi derivati da una singola colonia. Poiché l’ape da miele ha un sistema di accoppiamento aplodiploide, i maschi (droni) sono aploidi e le femmine (operaie e regine) sono diploidi. Per minimizzare la possibile contaminazione da genomi estranei come batteri e virus, abbiamo eliminato i tessuti dell’intestino medio dalle singole api drone prima del sequenziamento. Le librerie di sequenza genomica sono state costruite con una combinazione di letture brevi (500 bp) e due librerie di inserti più lunghi (3 e 10 Kb), utilizzando la tecnologia di sequenziamento Illumina (copertura 152 volte) (Tabella 2). L’assemblaggio consisteva di 2.430 scaffold con una lunghezza totale di 228 Mb, che copriva il 96% delle dimensioni stimate del genoma (238 Mb). Le informazioni generali sull’assemblaggio del genoma sono presentate nella tabella 3. La dimensione dello scaffold N50 era di 1.421 kb (Tabella 3), molto più lunga della dimensione dello scaffold N50 trovata negli assembly iniziale e recentemente migliorato di A. mellifera (359 kb e 997 kb, Amel_4.0 e Amel_4.5, rispettivamente; file aggiuntivo 1: Tabella S1). Per valutare la precisione degli scaffold, abbiamo confrontato il genoma di A. mellifera e A. cerana per identificare la sintonia genomica (file aggiuntivo 1: Figura S1). I risultati hanno rivelato diversi scaffold di A. cerana e il cromosoma 3 di A. mellifera che hanno mostrato relazioni sinteniche senza riarrangiamenti su larga scala. Inoltre, abbiamo trovato che il genoma mitocondriale di A. mellifera (NCBI GQ162109, ) e un contig di A. cerana avevano un’elevata somiglianza di sequenza, ~99% (file aggiuntivo 1: Figura S2). Questo contig, che copre l’intero genoma mitocondriale di A. cerana, è di 15.915 bp e comprende 13 geni codificanti le proteine (file aggiuntivo 1: Figura S3). Tutte le informazioni sulla sequenza sono state inviate all’NCBI.

Contenuto di guanina più citosina (GC)

L’A. cerana contiene il 30% di GC (Tabella 3), simile al contenuto medio di GC di A. mellifera (33%). Inoltre, sei specie di formiche (Linepithema humile, Camponotus floridanus, Pogonomyrmex barbatus, Solenopsis invicta, Atta cephalotes, e Acromyrmex echinatior) hanno contenuti GC simili che vanno dal 33% al 38% . Al contrario, Drosophila melanogaster (42%), Nasonia vitripennis (42%), e Harpegnathos saltator (45%) hanno contenuti di GC più alti rispetto ad A. cerana. Secondo studi comparativi di due specie di formiche, C. floridanus e H. saltator, gli organismi con tratti sociali più complessi possono avere genomi AT-biased.

Il bias AT relativo è correlato alla metilazione del DNA, poiché le metiltransferasi del DNA (Dmnts) sono quasi interamente mirate ai residui di citosina seguiti da guanine nell’orientamento 5′-3′ (dinucleotidi CpG). La metilcitosina tende a mutare in timina (T), quindi l’accumulo graduale di mutazioni che convertono i dinucleotidi CpG in dinucleotidi TpG portano a genomi ricchi di AT. In particolare, i valori normalizzati CpG osservati/attesi (CpG o/e) hanno una relazione negativa con i livelli di metilazione del DNA. La metilazione del DNA è una delle parti principali della regolazione epigenetica e ha ruoli funzionali nella regolazione dell’espressione genica nei vertebrati e negli insetti. In contrasto con i genomi dei vertebrati, che sono impoveriti di dinucleotidi CpG, la maggior parte degli insetti imenotteri, tra cui A. cerana (1,61), A. mellifera (1,65), C. floridanus (1,58), H. saltator (1,49), e N. vitripennis (1,35), mostrano alti livelli di CpG o/e nei loro genomi. Un’altra scoperta intrigante è che il valore normalizzato di CpG o/e all’interno delle sequenze codificanti delle proteine di A. cerana ha mostrato una distribuzione bimodale, simile a A. mellifera (Figura 1, Additional file 1: Figura S4) e l’afide pisello Acyrthosiphon pisum. È interessante notare che due classi distinte di geni sono documentati per svolgere funzioni diverse, che basso-CpG geni sono principalmente coinvolti nella funzione housekeeping e alto-CpG geni sono coinvolti nello sviluppo. Infatti, abbiamo trovato che i geni che sono rappresentati basso-CpG classi sono classificati con processo metabolico, e la regolazione trascrizionale e traslazionale. Al contrario, i geni high-CpG rappresentavano le categorie GO specifiche delle funzioni biologiche.

Il genoma di A. cerana, A. mellifera, e A. pisum codificano complementi completi di proteine di metilazione del DNA (Dmnts), ma, secondo una recente scoperta, diversi insetti possiedono un set completo di Dnmts senza alcun modello di deplezione impressionante di esoni codificanti. Quindi, questa caratteristica genomica potrebbe non essere specifica della specie, ma i meccanismi di regolazione epigenetica potrebbero essere conservati in entrambe le specie di api.

Elementi ripetitivi

L’insieme A. cerana comprendeva 6,48% (14,79 Mb) elementi ripetitivi, costituiti da 3,58% (8,16 Mb) ripetizioni semplici e 1,95% (4,44 Mb) ripetizioni intersperse (Additional file 1: Tabella S2). Settantacinque elementi di ripetizione specifici di A. cerana sono stati trovati utilizzando il programma di ricerca di ripetizioni de novo, RepeatModeler (versione 1.0.7). Dal momento che l’assemblaggio del genoma di A. cerana conteneva il 9,79% di N, abbiamo ipotizzato che le sequenze ripetitive nell’assemblaggio corrente possano essere sottostimate. Rispetto all’A. mellifera, solo gli elementi ripetitivi terminali lunghi erano sovrarappresentati in A. cerana, che rappresentavano lo 0,1% (218 kb) del genoma, rispetto allo 0,02% (49,6 kb) in A. mellifera. Al contrario, gli elementi lunghi interspersi e gli elementi brevi interspersi non sono stati rilevati nel genoma di A. cerana. Entrambi sono stati trovati nel genoma di A. mellifera a frequenze dello 0,04% (83,1 kb) e 0,03% (70 kb), rispettivamente. I trasposoni del DNA costituiscono lo 0,11% (247 kb) del genoma di A. cerana e lo 0,57% (1,34 Mb) del genoma di A. mellifera. Gli elementi trasponibili Mariner, scoperti per la prima volta nel moscerino della frutta, sono stati trovati in tutte le specie di api da miele. Il genoma dell’ape da miele occidentale, A. mellifera, conteneva copie multiple di trasposoni mariner, che vanno da AmMar1 a AmMar6. Al contrario, il genoma di A. cerana conteneva ortologhi di AmMar1 e AmMar3-6, ma l’ortologo AmMar2 non è stato trovato. Questo è coerente con la speculazione che AmMar1 e AmMar2 sono stati trasferiti al genoma dell’A. mellifera in tempi relativamente recenti.

Anche se le analisi di ripetizione su tutto il genoma devono essere ulteriormente studiate, i risultati di questo studio hanno mostrato una riduzione impressionante di elementi trasponibili (TE) e retrotrasposoni nel genoma dell’A. cerana rispetto all’A. mellifera. La mancanza di TEs è una delle caratteristiche principali del genoma delle api mellifere, rispetto ad altri imenotteri sequenziati. Alcune prove suggeriscono che la toelettatura e comportamenti igienici in organismi eusociali ridotto inserimento di TEs da genomi stranieri. Tuttavia, entrambi i genomi di insetti imenotteri sociali e non sociali, tra cui sette formiche e il parassitoide Nasonia, sono stati sequenziati, e includono quantità significativamente diverse di elementi ripetitivi che comprendono dall’11% al 28% dei genomi. Pertanto, il comportamento igienico non è l’unico fattore che influenza l’accumulo di elementi ripetitivi nei genomi.

Analisi del set di A. ceranagene

A causa dei dati limitati sui tag di sequenza espressi (EST) e DNA complementari (cDNA) disponibili per A. cerana, abbiamo stabilito una pipeline di annotazione genica utilizzando dati di prove multiple (Tabella 4). In primo luogo, abbiamo generato 213.327 trascrizioni che coprono 515.809.639 bp utilizzando un assemblaggio de novo da 68 Gb di A. cerana RNA-seq legge. In secondo luogo, i dati RNA-seq sono stati allineati alle sequenze di scaffold, che hanno portato a 31.027 modelli genici che rappresentano 96.495.948 bp. In terzo luogo, abbiamo eseguito la predizione computazionale del gene basata sulle informazioni della sequenza di scaffold, che ha generato 24.579 geni che coprono 18.397.306 bp. Abbiamo anche impiegato le sequenze dei geni di A. mellifera raccolte dal National Center for Biotechnology Information Reference Sequence Database (NCBI RefSeq, ) come modello per ottenere l’annotazione dei geni basata sull’omologia. Successivamente, abbiamo unito tutti i modelli di geni predetti utilizzando il programma MAKER per generare un set di geni primario. Tutti i geni sono stati interrogati con il database NCBI non ridondante usando BLASTX. Infine, abbiamo controllato manualmente i geni mancanti, i geni parziali o i geni separati. I geni dei chemorecettori, compresi i recettori gustativi (Grs), i recettori odoranti (Ors) e i recettori ionotropi (Irs), sono stati studiati più attentamente utilizzando analisi dei domini di sequenza funzionali. Infine, 10.651 geni sono stati annotati come il set ufficiale di geni (OGS) di A. cerana, OGS versione 1.0 (Tabella 4), di cui circa l’84% dei geni sono stati annotati con NCBI database non ridondante e il 70% sono stati annotati nel database Uniprot . Nel complesso, il numero totale di geni nell’A. cerana OGS v1.0 era paragonabile al numero nell’A. mellifera OGS v1.0 (10.157 geni). Tuttavia, il numero è inferiore all’attuale versione del genoma di A. mellifera, OGS v3.2 (15.314 geni; Tabella 5).

Abbiamo classificato i geni per funzione usando l’ontologia genica (GO) e i database della Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG); 6.338 geni (60%) avevano più di un termine GO e 1.696 enzimi sono stati classificati in 125 percorsi (file aggiuntivi 2 e 3). Qui, sono stati rivelati diversi percorsi molecolari interessanti che potrebbero rappresentare meccanismi molecolari specifici delle api. Per esempio, la biosintesi degli acidi grassi, il metabolismo del glutatione e le vie del citocromo P450 possono essere coinvolte nel riconoscimento del nido e nella disintossicazione dai pesticidi (Additional file 1: Figura S5). La superficie dell’ape del miele è composta da acidi grassi e idrocarburi, che riflettono l’identità, e le api di guardia riconoscono questi composti per discriminare i membri della colonia da intrusi. Le analisi KEGG hanno rivelato che le classi di enzimi coinvolti nella biosintesi degli acidi grassi sono condivise tra A. cerana e A. mellifera, e A. cerana ha meno enzimi di disintossicazione rispetto alla mosca e alla zanzara ma un numero simile a A. mellifera. Il contributo dei pesticidi alle perdite globali di colonie di A. mellifera è ancora una questione controversa, ma i dati indicano che A. mellifera è insolitamente sensibile a vari insetticidi. È interessante notare che le colonie di A. cerana non hanno mostrato livelli di collasso simili a quelli di A. mellifera, ma questo potrebbe essere spiegato da altre differenze che possono ridurre l’esposizione ai pesticidi, come il frequente comportamento di fuga, la piccola architettura del nido, e il foraggiamento in regioni di alta quota .

Geni unici per A. ceranae ortologhi all’ape mellifera

Per indagare se i geni non omologhi sono associati alle caratteristiche della biologia di A. cerana, abbiamo confrontato tre insetti imenotteri, Apis mellifera (sociale), Apis cerana (sociale), Nasonia vitripennis (non sociale), e un insetto dittero, Drosophila melanogaster (non sociale) mediante clustering basato sull’ortologia. Tra i 2.182 geni unici in A. cerana (Figura 2), la maggior parte dei GO-terms significativamente arricchiti erano coinvolti nella giunzione neuromuscolare, processo neuromuscolare, regolazione dello sviluppo dell’organo muscolare, differenziazione delle cellule muscolari, e lo sviluppo del tessuto muscolare (p < 0,05, file aggiuntivo 4). A. cerana ha una maggiore frequenza di battito d’ali (306 battiti / s) rispetto a A. mellifera (235 battiti / s) e veloce, impetuoso, e modelli di volo imprevedibile, quindi alcune delle proteine arricchiti coinvolti nel movimento muscolare potrebbe spiegare A. cerana-specifici modelli di volo. Studi futuri dovrebbero essere eseguiti per sviscerare questa relazione.

In particolare, i GO-terms relativi alla segnalazione neurale, tra cui il riconoscimento dei neuroni, l’attività del recettore di segnalazione, la via di segnalazione del recettore transmembrana, la via di segnalazione del recettore del glutammato ionotropo, e l’attività del trasportatore transmembrana attivo, che sono strettamente correlati con la ricezione chemosensoriale e la segnalazione chimica, erano anche arricchiti (p < 0.05) nel set di geni unici di A. cerana (file aggiuntivo 4). I geni coinvolti nella segnalazione chimica si sono evoluti rapidamente, soprattutto negli organismi eusociali. Processi di segnalazione neurale svolgono ruoli importanti che mediano la comunicazione sociale nella società ape miele. A. cerana mostra una serie di comportamenti a livello di gruppo distinti da A. mellifera, tra cui un unico comportamenti di difesa contro un calabroni. Le api di guardia di A. cerana sollevano i loro addomi e si agitano o svolazzano, producendo feromoni di allarme, quando i calabroni si avvicinano all’alveare. Ulteriori ricerche sono necessarie per determinare se i meccanismi di regolazione molecolare trovati unicamente in A. cerana possono essere responsabili di questi comportamenti unici di difesa sociale.

Siccome A. mellifera e A. cerana si sono differenziati recentemente, abbiamo ipotizzato che ci sarebbero ortologhi proteici conservati in entrambe le specie di api da miele che spiegano le caratteristiche condivise delle api da miele. Un totale di 1.061 proteine di A. cerana sono state identificate con ortologhi in A. mellifera ma non in altre specie non sociali. Questi ortologhi sono stati classificati con i GO-terms “percezione sensoriale dell’odore” (p < 1.75E-04) e “percezione sensoriale dello stimolo chimico” (p < 7.55E-04), che sono caratteristiche cruciali per la comunicazione sociale e l’interazione fisica. Inoltre, il GO-term “attività di trasportatore di carboidrati” (p < 1.87E-02), che descrive il rilevamento di idrocarburi cuticolari, e “regolazione della plasticità sinaptica neuronale a breve termine” (p < 2.21E-02) e “attività del recettore di segnalazione transmembrana” (p < 3.04E-02), che sono coinvolti nella segnalazione neuronale durante l’interazione sociale, sono stati anche arricchiti in ortologhi condivisi dalle due specie di api mellifere (Additional file 1: Table S3).

Famiglia di geni Chemoreceptor

Chemoreceptors svolgono ruoli importanti nella comunicazione e comportamenti sociali, in parte mediando il rilevamento di segnali chimici da nido-mates. I principali gruppi di geni chemorecettori includono recettori gustativi (Grs), recettori odoranti (Ors) e recettori ionotropi (Irs). Negli insetti sociali, come le formiche e le api del miele, la comunicazione chimica è fondamentale per il mantenimento della colonia e la cooperazione. Qui, abbiamo caratterizzato 10 nuovi Grs, 119 nuovi Ors, e 10 nuovi Irs nel genoma di A. cerana. I modelli di espressione genica, esaminati utilizzando i dati RNA-seq, hanno rivelato che i geni chemorecettori annotati erano ben organizzati e paragonabili a quelli di A. mellifera e N. vitripennis, anche se erano leggermente sottorappresentati rispetto al genoma di A. mellifera .

La famiglia dei recettori gustativi

La famiglia dei recettori gustativi svolge un ruolo importante nel gusto ed è utilizzata per raccogliere nettare e polline per l’energia e la cura della covata. Nella società delle api da miele, i membri della colonia hanno divisione del lavoro e svolgono compiti diversi. Le api nutrici si prendono cura della covata e della regina, e puliscono all’interno del nido. Le api bottinatrici raccolgono cibo o resina dall’esterno e lo portano all’alveare. La regolazione periferica e interna dell’espressione genica Gr è coinvolta in questa transizione comportamentale.

Secondo Robertson e Wanner, l’ape da miele occidentale, A. mellifera ha 13 Grs (H. M. Robertson, comunicazione personale), un piccolo numero rispetto al moscerino della frutta D. melanogaster (68 Grs, ), la zanzara Aedes aegypti (79 Grs, ), la vespa parassitoide N. vitripennis (58 Grs, ), e la formica Linepithema humile (116 Grs, ). Simile a A. mellifera, 10 geni Gr sono stati identificati nel genoma di A. cerana. Sono stati nominati in base alla loro ortologia a A. mellifera Grs (AmGrs). Tutti i Grs identificati in A. cerana hanno mostrato semplici relazioni ortologhe con Grs in A. mellifera, e AcGr1, 2, 3, 6, 7, 9, e 10 aveva anche ortologhi in N. vitripennis (Additional file 1: Figura S6). Questi dati indicano che i geni Gr sono altamente conservati tra le specie di imenotteri. Simile al repertorio A. mellifera Gr, AcGr1 e AcGr2 sono stati posizionati in lignaggi espansi ai recettori dello zucchero di D. melanogaster, tra cui DmGr5a, DmGr61a e DmGr64a/f (Figura 3A) . Inoltre, AcGr3 condiviso un clade con DmGr43a, che funziona come un recettore di fruttosio in periferia e un sensore di nutrienti nel cervello di Drosophila (Figura 3A) . Al contrario, i lignaggi AcGr6, 7, 9, 10 e X non hanno mostrato relazioni apparenti con DmGrs, implicando che possono essere unici per l’ape. I recettori del gusto amaro sembrano anche essere persi nel genoma di A. cerana, che può essere legato all’evoluzione della preferenza dei fiori nell’ape da miele rispetto ad altri insetti sociali come la formica in cui i recettori amari sono conservati. Inoltre, gli ortologhi dei recettori di anidride carbonica (CO2) di Drosophila, Gr21a e Gr63a, non erano presenti nel genoma di A. cerana, simile a A. mellifera. Tuttavia, le api del miele sono note per rilevare la CO2, indicando che possono aver evoluto nuovi meccanismi molecolari simili al meccanismo di rilevamento acido trovato in Drosophila per rilevare alte concentrazioni di CO2. Sequenze parziali di A. cerana Gr4 e Gr5 ortologhi sono stati individuati utilizzando ricerche TBLASTN. Un ortologo Gr8 non è stato trovato nel genoma di A. cerana.

I modelli di espressione di Gr ortologhi in A. cerana e A. mellifera sono stati determinati da analisi di espressione genica relativa (Figura 3B). Sorprendentemente, i modelli di espressione degli ortologhi Gr tra le due specie di api mellifere erano distinti. Candidato recettori dello zucchero, Gr1 e Gr2, sono stati espressi più alto in A. cerana rispetto a A. mellifera (Figura 3B), suggerendo che A. cerana può avere una maggiore capacità di zuccheri senso. Allo stesso modo, Gr5 e Gr7 erano altamente espressi in A. cerana rispetto a A. mellifera. Al contrario, Gr3, 6, 9 e 10 erano più altamente espressi in A. mellifera rispetto ad A. cerana. Gr4 e GrX non sono stati rilevati nel trascrittoma antennale di A. cerana (dati non mostrati), il che implica che Gr4 e GrX potrebbe essere espresso a livelli non rilevabili o in altri tessuti, come la lingua o le gambe. Futuri studi funzionali su Grs potrebbero rivelare differenze di rilevamento del gusto e di regolazione interna tra le specie.

La famiglia dei recettori odoranti

I recettori odoranti degli insetti svolgono ruoli importanti nel riconoscimento dei segnali ambientali e nella comunicazione tra e all’interno delle specie. Le api del miele utilizzano i recettori odoranti in contesti, tra cui il riconoscimento dei parenti, la navigazione alimentare e il rilevamento dei feromoni. Tuttavia, nonostante l’importanza dei recettori odoranti, l’identificazione funzionale di Ors nelle api mellifere è carente rispetto ad altri insetti modello, comprese le specie di mosca e zanzara.

Nel genoma di A. cerana, 119 AcOrs, tra cui alcune sequenze 5′- o 3′- parziale contenente il dominio recettore odorante, sono stati identificati. Abbiamo chiamato A. cerana Ors da posizioni di sequenza in scaffold. La maggior parte degli AcOrs non erano distribuiti uniformemente attraverso gli scaffold, ma erano raggruppati in alcune posizioni nel genoma. Per esempio, i cluster di 37 Ors, 15 Ors, e 17 Ors erano allineati su scaffold 3, 103, e 139, rispettivamente (Additional file 1: Figura S7). In A. mellifera, la più grande matrice tandem di 60 Ors è stata trovata sul cromosoma 2. Questa espansione di Ors implica un crossing-over ineguale da parte dei geni vicini si è verificato. Il gran numero di paraloghi Or indica diversi ruoli per il riconoscimento degli odori nella società delle api mellifere, come miscele di feromoni, idrocarburi cuticolari e cocktail di odori floreali. Dal momento che A. mellifera e A. cerana divergono recentemente, è stato ipotizzato che ci possa essere sintonia tra i cluster Or. Le regioni del cromosoma 2 di A. mellifera con conservazione della microsintonia sono state identificate confrontando la disposizione del gene Or nel genoma di A. cerana con il genoma di A. mellifera. Coerentemente con l’ipotesi, conservato microsintenia e chiaro ortologhi di A. cerana Ors a A. mellifera Ors sono stati trovati (Figura 4C, file aggiuntivo 5), suggerendo che ape miele paralogs Or sono raggruppati in regioni conservate genomica.

Gli insetti hanno una serie di Ors variabile, che formano un chaperon con recettore olfattivo co-recettore (Orco) in vivo. Nel presente studio, A. cerana Or5 condiviso ortologia con Orco insetti tra cui D. melanogaster Or83b, N. vitripennis Or1, e A. mellifera Or2 (Figura 4A). Nel complesso, AcOrs identificati hanno mostrato semplici relazioni ortologhe con AmOrs, come 1:1, 1:2, e 1:3 (AcOrs : AmOrs).

Tra 177 A. mellifera Ors, AmOr11 è stato funzionalmente caratterizzato come un recettore feromone regina che risponde a 9-oxo-2-decenoic acido (9-ODA) . Nel nostro studio, AcOr30 ha mostrato 1:1 ortologia a AmOr11 con 98,7% di identità (Additional file 1: Figura S7), implicando che i componenti feromone regina possono essere conservati tra A. mellifera e A. cerana.

I dati trascrittori hanno rivelato che gli omologhi Or sono differenzialmente espressi tra A. cerana e A. mellifera (Figura 4B). Quarantaquattro omologhi Or erano più altamente espressi in A. mellifera, e 56 omologhi Or erano più altamente espressi in A. cerana. I diversi modelli di espressione supportano l’idea che le sequenze codificanti sono ben conservate tra gli omologhi di Or, ma le loro sequenze promotrici hanno diversi motivi di regolazione. Questi dati implicano che le due specie di api da miele esprimono diversi spettri odorosi. In particolare, sette AcOrs (AcOr21, 38, 40, 45, 56, 58, e 116) sono stati espressi solo in A. cerana, indicando funzioni specifiche per A. cerana. Studi funzionali che utilizzano sistemi di espressione eterologa sono necessari per comprendere meglio le varie funzioni degli Ors nelle api mellifere.

La famiglia dei recettori ionotropi

Di recente, una nuova famiglia di recettori chemosensoriali, la famiglia dei recettori ionotropi (Ir), è stata identificata in D. melanogaster. Gli Irs in D. melanogaster costituiscono sottofamiglie distinte e divergenti dei recettori ionotropi del glutammato (iGluRs). Sessantasei omologhi Ir sono stati identificati in D. melanogaster, e 16 sono stati espressi specificamente nelle antenne. Questo ha suggerito che Irs appartengono a due sottogruppi: conservato Irs antenne e specie-specifici Irs divergenti. Questi sottogruppi rappresentano classi di Ors e Grs, rispettivamente. In contrasto con Ors, che rispondono ampiamente ad alcoli, chetoni ed esteri, Irs rispondere principalmente agli acidi, ammine e anidride carbonica, che può essere fisiologicamente importante in molte specie di insetti. Anche se le funzioni di questi recettori non sono ancora note, Irs può avere una funzione più generale nel rilevamento di sostanze chimiche ambientali tra cui odori e sapori.

Il numero di Irs identificati negli insetti è in aumento, e un grande complemento di Irs è stato descritto nei genomi completi di quattro specie di imenotteri: A. mellifera (10 Irs), N. vitripennis (10 Irs), L. humile (32 Irs), e P. barbatus (24 Irs) . In questo studio, 10 omologhi Ir sono stati trovati nel genoma di A. cerana (Figura 5A). Il confronto delle sequenze e le analisi filogenetiche di Irs con D. melanogaster e A. mellifera hanno identificato ortologhi putativi di Irs conservati nel genoma di A. cerana: Ir8a, Ir25a, Ir68a, Ir75a, Ir76a, e Ir93a. Come previsto, nel genoma di A. cerana sono stati identificati ortologhi altamente conservati di Irs antennale. Questi risultati supportano l’ipotesi che l’espressione antennale degli ortologhi Ir sia stata conservata per oltre 350 mya da quando gli insetti ditteri e imenotteri si sono differenziati. Altri Irs in A. cerana con bassa somiglianza agli ortologhi di altri recettori di insetti sembrano essere ape-specifici. Questi Irs possono essere utilizzati per il riconoscimento specie-specifico, compresi i candidati per i recettori degli idrocarburi cuticolari e i recettori dei feromoni della covata. Tuttavia, i modelli di espressione per la maggior parte degli Irs sono sconosciuti e non sono stati identificati ligandi per gli Irs delle api. In questo studio, i profili di espressione AcIr erano diversi in A. mellifera e A. cerana (Figura 5B). Le loro funzioni e le basi evolutive della diversità rimangono da indagare.

Geni correlati all’immunità

Le api mellifere sono modelli inestimabili per studiare le dinamiche di difesa sociale e i meccanismi di difesa molecolari e comportamentali individuali. A differenza di A. mellifera, A. cerana non è suscettibile all’acaro ectoparassita Varroa destructor, uno dei principali vettori di agenti patogeni delle api. Al contrario, A. cerana ha sofferto molto di malattie virali e batteriche negli ultimi anni. Un recente rapporto ha indicato che più del 90% delle colonie di api da miele asiatiche è crollato a causa dell’infezione da virus sacbrood (SBV) in Corea. Molti paesi asiatici hanno anche subito cali nelle colonie di A. cerana per diversi motivi. Tuttavia, i meccanismi di difesa molecolare di A. cerana sono ancora sconosciuti. Pertanto, abbiamo studiato i geni immunitari presenti nel genoma di A. cerana confrontando le informazioni genomiche con altri genomi di insetti sequenziati.

Usando più ricerche TBLASTN, 160 ortologhi di geni immunitari sono stati identificati in A. cerana e 11 geni aggiuntivi sono stati individuati tramite annotazione manuale. Tutti i principali percorsi sono stati identificati in A. cerana, compresi i componenti dei percorsi Toll, Imd, Jak/Stat e JNK. In particolare, il FADD, Dredd, e Kenny, componenti del percorso Imd e Pelle del percorso Toll non sono stati rilevati nel genoma A. cerana (Figura 6). Il numero totale di geni immunitari innati in A. cerana è simile ad altri imenotteri sociali (Additional file 1: Tabella S4), e la maggior parte dei geni immunitari in A. cerana condiviso una maggiore somiglianza di sequenza con A. mellifera rispetto ad altre specie di insetti sequenziati. Questo può essere spiegato dalla conservazione del sistema immunitario innato tra A. cerana e A. mellifera. Gli insetti eusociali hanno ulteriori sistemi immunitari sociali, come i comportamenti di pulizia (comportamento igienico, grooming, e impresa), difese termiche (A. mellifera manca questo comportamento), e l’architettura nido antibiotico (raccolta di resina), che possono contribuire a ridurre l’esposizione agli agenti patogeni.

Studi precedenti indicano che più proteine antimicrobiche sono codificate nel genoma di A. cerana rispetto a A. mellifera. Infatti, i peptidi difensivi, compresi quelli velenosi, in A. cerana sono più fortemente espressi di quelli in A. mellifera. Inoltre, alcuni rapporti mostrano l’unicità di forti difese comportamentali di A. cerana, come i comportamenti igienici e grooming. Insieme, questi dati indicano che A. cerana, attraverso una combinazione di elaborati meccanismi molecolari e comportamentali, può avere un sistema di difesa sociale più efficace rispetto a A. mellifera. Gli studi funzionali dei geni immunitari informeranno la conoscenza dei metodi di controllo delle malattie specifiche di A. cerana e forniranno un modello prezioso per gli studi comparativi dei sistemi immunitari degli insetti sociali.