Honigbienen können altruistisches Verhalten von ihren Müttern erben

Echter Altruismus ist bei Tieren ein seltenes Verhalten, aber eine neue Studie von Forschern der Penn State University hat herausgefunden, dass Honigbienen dieses Merkmal aufweisen. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass ein evolutionärer Kampf der Genetik den Elternteil bestimmen kann, von dem sie sie erben.

Für die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Molekulare Ökologie, untersuchten die Forscher die Genetik hinter dem „Gefolge“-Verhalten bei Arbeitshonigbienen, die immer weiblich sind. Nachdem die Arbeitsbienen dem Pheromon der Bienenkönigin ausgesetzt wurden, deaktivieren sie ihre eigenen Eierstöcke, helfen bei der Verbreitung des Pheromons an die anderen Arbeitsbienen und kümmern sich um die Königin und die von ihr produzierten Eier.

Dieses Verhalten gilt als altruistisch, da es letztlich der Fähigkeit der Königin zugute kommt, Nachkommen zu zeugen, während die Arbeitsbiene unfruchtbar bleibt. Bei Honigbienen ist die Königin normalerweise die Mutter aller – oder fast aller – Bienen im Bienenstock.

Die Forscher fanden heraus, dass die Gene, die Arbeitsbienen für dieses Pheromon empfänglicher machen – und daher eher das Gefolgeverhalten zeigen – entweder von der Mutter- oder der Vaterbiene weitergegeben werden können. Allerdings führen die Gene nur dann zu altruistischem Verhalten, wenn sie von der Mutter weitergegeben werden.

Sean Bresnahan, korrespondierender Autor, Doktorand im Intercollege Graduate Degree Program in Molecular, Cellular, and Integrative Biosciences und Graduate Research Fellow der National Science Foundation, sagte, dass die Ergebnisse nicht nur Einblicke in das Bienenverhalten geben, sondern auch zeigen, welche Eltern a Biene erbt bestimmte Gene von kann die Expression dieser Gene beeinflussen, was bei Insekten bekanntermaßen schwierig zu untersuchen ist.

„Menschen denken oft, dass unterschiedliche Phänotypen das Ergebnis von Unterschieden in den Gensequenzen oder der Umwelt sind“, sagte er. „Diese Studie zeigt jedoch, dass es sich nicht nur um Unterschiede im Gen selbst handelt, sondern auch darum, von welchem ​​Elternteil das Gen geerbt wird. Es liegt in der Natur des Insekts, das das Gen von seiner Mutter erhält, unabhängig von der Gensequenz, dass es möglicherweise weitergeht.“ sich anders zu verhalten als die Kopie des Gens vom Vater.“

Christina Grozinger, Co-Autorin und Publius-Vergilius-Maro-Professorin für Entomologie an der Penn State, sagte, die Studie unterstütze auch die Verwandtschaftstheorie des intragenomischen Konflikts – eine Theorie, die darauf hindeutet, dass die Gene von Müttern und Vätern darüber im Konflikt stehen, welche Verhaltensweisen unterstützt werden sollen und welche nicht Unterstützung.

Sie sagte, dass frühere Arbeiten zwar gezeigt hätten, dass Gene von Männchen egoistisches Verhalten bei Säugetieren, Pflanzen und Honigbienen unterstützen können, die aktuelle Studie jedoch die erste sei, die zeige, dass Gene von Weibchen altruistisches Verhalten an ihre Nachkommen weitergeben können.

„Honigbienen sind eine der wenigen Tierarten, die altruistisches Verhalten zeigen, bei dem einige Individuen ihre eigene Fortpflanzung aufgeben, um anderen zu helfen“, sagte Grozinger. „Diese Studie enthüllt eine sehr subtile und unerwartete Form der genetischen Kontrolle dieser Verhaltensweisen. Mit unserem System sehen wir, dass Gene der Mutter – der Königin – altruistisches Verhalten bei ihren Nachkommen unterstützen, was dazu führt, dass mehr Kopien ihrer Gene in den Nachkommen entstehen.“ Anstatt ihre eigenen Eier zu produzieren, unterstützen die Arbeitsbienen die Fortpflanzung der Königin. Dies ergänzt unsere früheren Studien, die gezeigt haben, dass die Gene der Väter egoistisches Verhalten bei Arbeitsbienen unterstützen, bei dem die Bienen aufhören, ihrer Königinmutter zu helfen, und sich auf sie konzentrieren eigene Reproduktion.“

Die Königin paart sich mit mehreren Männchen, sodass Arbeiterbienen dieselbe Mutter, aber unterschiedliche Väter haben. Breshnahan erklärte, dass dies bedeutet, dass sie mehr Gene ihrer Mutter miteinander teilen.

„Aus diesem Grund sagt die Verwandtschaftstheorie des intragenomischen Konflikts voraus, dass von der Mutter geerbte Gene altruistisches Verhalten bei Honigbienen unterstützen“, sagte Breshnahan. „Eine Arbeitsbiene profitiert mehr davon, wenn sie hilft, als dass sie mit ihrer Mutter und ihren Schwestern konkurriert – die mehr Kopien der Gene der Arbeiterin in sich tragen, als sie allein jemals reproduzieren könnte. Im Gegensatz dazu ist dies bei Arten, bei denen sich das Weibchen nur einmal paart, stattdessen der Fall.“ die Gene des Vaters, von denen vorhergesagt wird, dass sie altruistisches Verhalten unterstützen.“

Für die Studie kreuzten die Forscher sechs verschiedene Abstammungslinien von Honigbienen – was laut Bresnahan bei Säugetieren oder Pflanzen relativ einfach, bei Insekten jedoch viel schwieriger zu bewerkstelligen ist. Er sagte, die Studie wäre ohne das Fachwissen der Co-Autorin Juliana Rangel von der Texas A&M University und Kate Anton, die zusammen mit Robyn Underwood das Programm „Bildung über Produktion und Befruchtung von (Honigbienen) Queens“ leitet, nicht möglich gewesen bei Penn State Extension.

Nachdem die Bienenpopulationen gekreuzt waren und die Nachkommen alt genug waren, beurteilten die Forscher die Reaktion der Arbeitsbienen auf das Pheromon, das das Gefolge-Verhalten auslöst, und ob die Bienen als Reaktion auf das Pheromon ihre Eierstöcke deaktivierten.

„Schließlich verwendeten wir RNA-Sequenzierung, um die genomweite Genexpression bei den Arbeitern zu untersuchen, aber was noch wichtiger ist, wir sequenzierten auch die Genome der Eltern dieser Kreuzungen“, sagte Bresnahan. „So könnten wir personalisierte Genome für die Eltern entwickeln und dann die Genexpression der Arbeiter auf jeden Elternteil zurückführen und herausfinden, von welchem ​​Elternteil die Kopie dieses Gens exprimiert wird.“

Um zu versuchen, diesen Konflikt innerhalb des Genoms zu visualisieren, nutzten sie laut Bresnahan verschiedene Techniken, darunter maschinelles Lernen, um Genregulationsnetzwerke oder Gruppen von Genen zu untersuchen, die durch ähnliche Transkriptionsfaktoren reguliert werden, um ähnliche Expressionsmuster zu erzeugen. Die Forscher untersuchten die Beziehungen zwischen Genen und Transkriptionsfaktoren – den Proteinen, die Gene ein- oder ausschalten können –, die in der Kopie der Mutter und denen, die in der Kopie des Vaters exprimiert wurden, exprimiert wurden, um herauszufinden, wo man versuchen könnte, den Auswirkungen des anderen entgegenzuwirken.

Letztendlich konnten sie Genregulationsnetzwerke mit intragenomischen Konflikten identifizieren und fanden heraus, dass mehr Gene mit elterlicher Voreingenommenheit exprimiert wurden. Diese mütterlicherseits oder väterlicherseits verursachte Expressionsverzerrung ist das Kennzeichen eines intragenomischen Konflikts, und die Forscher sagten, dass er häufiger auftrat, als wenn sie die Netzwerke mit zufällig ausgewählten Genen konstruiert hätten. Darüber hinaus bestanden diese Netzwerke aus Genen, von denen frühere Untersuchungen zeigten, dass sie mit dem Gefolgeverhalten zusammenhängen.

„Intragenomische Konflikte zu beobachten ist sehr schwierig, und daher gibt es nur sehr wenige Studien, die die Rolle untersuchen, die sie bei der Schaffung von Variationen im Verhalten und anderen Merkmalen spielen“, sagte Grozinger und verwies auf die früheren Untersuchungen der Gruppe, die dies aufgedeckt hatten Aktivierung der Eierstöcke Und Aggression bei Arbeiterbienen, was beides auf egoistisches Verhalten hinweist.

„Die Tatsache, dass dies das dritte Verhalten ist, bei dem wir Beweise dafür gefunden haben, dass intragenomische Konflikte zur Variation bei Honigbienen beitragen, legt nahe, dass intragenomische Konflikte viele Arten von Merkmalen bei Bienen und anderen Arten beeinflussen könnten. Wir hoffen, dass unsere Forschung einen Rahmen und Inspiration dafür liefern wird.“ andere Wissenschaftler, um intragenomische Konflikte in ihren Pflanzen- und Tierarten zu untersuchen“, fügte Grozinger hinzu.

David Galbraith, Penn State-Alumni und leitender Wissenschaftler bei Janssen Pharmaceutical; Rong Ma, Penn State-Alumni und leitender Datenwissenschaftler bei Visa; Kate Anton, Forschungstechnologin an der Penn State; und Juliana Rangel von der Texas A&M University haben ebenfalls an dieser Arbeit mitgearbeitet.