Медоносная пчела прежде всего была объектом селекционной работы, но определенное внимание уделялось и прикладным вопросам популяционной генетики. Систематические исследования генетики этого насекомого начались сравнительно недавно. Сложность Apis mellifera как генетического объекта объясняется особенностями ее биологии и размножения (общественный образ жизни, мужской партеногенез, полиандрия, трудности контроля над спариванием и др.).
В октябре 2006 г. в одном из ведущих научных журналов «Nature» появилось сообщение о завершении работ по секвенированию генома медоносной пчелы Apis mellifera. В исследованиях принимали участие 90 лабораторий мира. Пчела стала третьим насекомым после плодовой мушки Drosophila melanogaster (модельного генетического объекта) и малярийного комара Anopheles gambia (переносчика тропической малярии), чьи геномы удалось полностью прочесть.
Понятие «геном» менялось с развитием генетики. В классическом понимании — это хромосомный набор гаплоидной клетки, обычно половой. В настоящее время под геномом стали понимать полный состав ДНК клетки, то есть совокупность всех генов и межгенных участков. Таким образом, геном — это полный набор инструкций для формирования и функционирования индивида.
Цитологическая характеристика генома A. mellifera. Первые сведения о хромосомном наборе медоносной пчелы появились в середине прошлого столетия. Ученые установили, что рабочие пчелы и матка диплоидны (имеют двойной набор хромосом, 2n = 32) и развиваются из оплодотворенных яиц, трутни гаплоидны (n = 16) и развиваются из неоплодотворенных яиц. Хромосомный гаплоидный набор пчел состоит из убывающего ряда хромосом различной морфологии (рис. 1). Их размер колеблется от 1 до 3,5 мкм. Хромосомы состоят из двух типов хроматина (ДНК, связанной с белками): эухроматина и гетерохроматина. Эухроматин — часть генома, несущая информацию о структуре генов; гетерохроматин выполняет очень важную функцию в регуляции работы геномов.
Рис. 1. Идеограмма хромосом медоносной пчелы
Гетерохроматиновая система каждой хромосомы отличается размерами гетерохроматиновых блоков и характером их распределения и может служить индивидуальной характеристикой хромосомы. Современные методы исследования с использованием гибридизации in-situ позволяют легко идентифицировать гетерохроматиновые районы. Гетерохроматиновые блоки сосредоточены на теломерных (концевых) районах хромосах пчел. Молекулярные характеристики (тип повторяющихся последовательностей гетерохроматина и характер их распределения) обладают большой видоспецифичностью. У A. mellifera теломеры и прицентромерная область образованы высокоповторяющимися специфическими повторами, составляющими около 3% генома.
Молекулярная характеристика генома A. mellifera. Размер генома A. mellifera составляет 260 млн пар нуклеотидов (пн). Геном пчелы несколько больше, чем геном D. melanogaster (200 млн пн) и геном A gambia (1 млн пн), и более чем в 10 раз меньше генома человека – 3,2x109 пн. Следует заметить, что размер генома не коррелирует с биологической сложностью видов и их положением в эволюционной иерархии (рис. 2).
Рис. 2. Сравнительные объемы геномов животных и растений
Организация генома пчелы медоносной типична для эукариотических организмов и характеризуется следующими особенностями.
Рис. 3. Соотношение кодирующих 1
и некодирующих 2 последовательностей
в геноме эукариот
1. Избыточность ДНК. В среднем только 1% ДНК эукариот несет информацию о структуре белков и рибонуклеиновых кислот РНК (рис. 3). У пчелы среди всего многообразия последовательностей выделено лишь около 10 000 тех, которые являются генами.
2. Наличие уникальных и повторяющихся последовательностей. Уникальные последовательности представлены в одном экземпляре, повторяющиеся различным числом копий. Из общей массы ДНК около 50% — уникальные последовательности, около 50% — повторяющиеся, последние образуют семейства: совокупность частично или полностью гомологичных друг другу последовательностей. Геном пчелы характеризуется двумя типами высокоповторяющихся последовательностей Alu I (размер повтора 300 пн), сосредоточенных в концевых районах хромосом, и семейства Ava I (размером 550 пн), расположенных в цетромерных районах хромосом.
3. Построение 90% генома по принципу чередования уникальных и повторяющихся последовательностей.
4. Наличие мобильных генетических элементов (МГЭ) — многократно повторяющихся коротких повторов нуклеотидов, cпособных перемещаться по геному. МГЭ имеют большое значение для вида, поскольку их перемещения приводят к спонтанным изменениям — мутациям. Следствие перемещения МГЭ — изменение уровня активности генов.
Видовые особенности генома A. mellifera. Для пчел характерно высокое содержание А+Т (67% по сравнению с 58% у D. melanogaster и 56% н A. gambia), CpG и отсутствие наиболее важных семейств транспозонов. Последнее может быть следствием процесса направленной селекции, поскольку дикие природные популяции, как правило, характеризуются большим числом и разнообразием МГЭ. Секвенирование показало, что структурная организация генома A. mellifera имеет большее сходство с геномами позвоночных, чем с геномами плодовой мушки и малярийного комара. Определенное сходство выявлено и для генов, участвующих в суточном (циркадном) ритме, РНК интерференции и метилировании ДНК.
По сравнению с Drosophila и Anopheles у A. mellifera меньше генов, связанных с врожденным иммунитетом, белками детоксикации и вкусовыми рецепторами, но больше — с рецепторами пахучих веществ. Меньшее число генов, определяющих врожденный иммунитет, удивительно, поскольку общественный образ жизни пчел определяет высокую инфекционную нагрузку на организм. В связи с этим необходимо отметить высокий уровень внутрихромосомной рекомбинации у А. mellifera в процессе мейоза. Частота рекомбинации у пчел на порядок выше частот рекомбинации у дрозофилы, малярийного комара и человека. Можно предположить, что это отражение одного из генетических механизмов адаптации вида, позволившего ему распространиться по всем континентам (кроме Антарктиды). У пчел обнаружены уникальные гены, ответственные за сбор и переработку нектара и пыльцы; новый класс микроРНК, которые специфически экспрессируются в зависимости от стадии развития и спецификации пчел. Возможно, они участвуют в их социальной диверсификации.
Секвенирование генома — лишь один из начальных этапов исследовательской работы. Функции многих последовательностей, представленных в геноме пчел, до сих пор не определены, так же как и не выяснены механизмы экспрессии и взаимодействия многих генов, и механизмы взаимодействия белков — продукты известных генов и генов с неизвестными функциями. Секвенирование генома пчелы открывает новую эру в селекционно-генетических исследованиях, так как позволяет заглянуть в процесс преобразования генома в онто- и филогенезе, отделенный от нас милионами лет. На смену фенотипических маркеров (цвет тела, форма крыла и др.) приходят молекулярные, которые не зависят от условий внешней среды и в то же время являются не только видовыми, но и индивидуальными характеристиками. Наличие молекулярных маркеров позволило приступить к составлению цитогенетических карт для пчелы медоносной, которые необходимы для проведения селекционной работы (M.Solignac, 2004).
Дальнейшие исследования на основании сведений о структуре генома могут развиваться в двух направлениях: первое — фундаментальное, второе — прикладное.
К фундаментальным следует отнести: сравнительный анализ направлений и скорости эволюции геномов у видов, ведущих одиночный и общественный образ жизни; изучение генетических механизмов адаптации к абиотическим и биотическим факторам внешней среды; цитогенетическое картирование; изучение эволюции систем детерминации и развития пола; изучение генетической структуры естественных и искусственно созданных популяций. В прикладном направлении большое значение приобретает генетическая паспортизация естественных и искусственных популяций, а также изучение генетической природы полиморфизма пчелиной семьи; поиск генетических маркеров специфической и неспецифической устойчивости; изучение генетической природы полиморфизма пчелиной семьи; разработка селекционно-генетических подходов для оценки производителей при инструментальном осеменении маток, апимониторинге. Особое значение в свете последних научных разработок имеет сохранение генофонда среднерусской породы пчел.
М.А.МОНАХОВА
Кафедра генетики МГУ
И.И.ГОРЯЧЕВА
Институт общей генетики РАН
Н.И.КРИВЦОВ
Институт пчеловодства
Адрес редакции журнала "Пчеловодство":
