Личинки медоносных пчел развиваются в рабочих, но не в маток, отчасти потому, что их рацион из перги/пыльцы обогащен микроРНК растений. В то время как микроРНК, как правило, являются негативными регуляторами экспрессии генов у эукариот, они также негативно регулируют развитие личинок, когда личинки медоносных пчел потребляют пергу/пыльцу и поглощают микроРНК растений. Группа Си Чена и Чен-Ю Чжана из Нанкинского университета сообщила об этом открытии 31 августа 2017 г. в журнале PLOS Genetics.
Как сформировалась каста у медоносных пчел, остается загадкой. Хотя матки и рабочие генетически идентичны, матки репродуктивны и имеют больший размер тела, быстрее развиваются и живут дольше, чем рабочие. Преобладает мнение, что дифференцированное питание личинок определяет кастовую дифференциацию: маточное молочко стимулирует дифференциацию личинок в матку, тогда как перга и пыльца, потребляемые остальными личинками, приводят к судьбе рабочей пчелы. Тем не менее, до сих пор не совсем понятно, каким образом изменения в рационе так основательно влияют на траекторию развития медоносных пчел.
В предыдущих исследованиях группа Чен-Ю Чжана сообщила о поразительном открытии, что микроРНК растений попадают в организм из растительной пищи и проходят через желудочно-кишечный тракт, попадают в кровь, накапливаются в тканях и регулируют экспрессию эндогенных генов у животных. Их результаты предполагают, что проглоченные экзогенные микроРНК могут регулировать экспрессию эндогенных генов и изменять фенотипы животных. Интересно, что, поскольку компоненты перги/пыльцы в основном состоят из растительных материалов, а маточное молочко представляет собой железистый секрет пчел-кормилиц, рационы личинок, предназначенных для рабочих и маток, по-разному получают из растительных и животных источников. Поэтому Си Чен, Чен-Ю Чжан и их коллеги решили выяснить, могут ли микроРНК из разных рационов личинок оказывать различное влияние на развитие медоносных пчел.
Здесь они сообщают, что микроРНК растений более обогащены пергой/пыльцой, чем маточным молочком. В то время как растительные микроРНК перги / пыльцы скармливаются личинкам, они вызывают задержку развития и уменьшение размера тела и яичников у медоносных пчел; Напротив, miRNAs в маточном молочке недостаточно для достижения функционального уровня, поэтому предназначенные для маток личинки избегают этой регуляции. Механистические исследования показывают, что amTOR, ген, стимулирующий кастовую дифференцировку, является прямой мишенью miR162a. Интересно, что проглоченные растительные miRNAs оказывают сходное ингибирующее действие на развитие плодовых мушек, даже несмотря на то, что плодовая мушка не является общественным насекомым. Таким образом, это исследование раскрывает новый механизм, с помощью которого микроРНК в рационе личинок рабочих пчел задерживают кастовую дифференциацию и удерживают яичники в неактивном состоянии, вызывая тем самым бесплодие рабочих пчел.
Выводы этого исследования важны по следующим причинам:
1) Это исследование показывает ранее неизвестную роль РНК в перге/пыльце вместо белка, сахара и гормонов в маточном молочке, чтобы влиять на кастовую дифференциацию. Теории о формировании касты медоносных пчел необходимо пересмотреть под новым углом зрения, помимо традиционного внимания к маточному молочку и его компонентам. В целом, положительный эффект маточного молочка и отрицательный эффект микроРНК растений на развитие медоносных пчел могут поддерживать стабильность социального порядка в колонии скоординированным образом. С этой точки зрения растительные миРНК не входят в состав пищи случайно, а собираются с определенной целью, вероятно, для выживания колоний медоносных пчел.
2) Это исследование обеспечивает дополнительную поддержку концепции горизонтального переноса микроРНК между видами и царствами. Проглоченные микроРНК растений могут даже влиять на судьбу развития и изменять фенотипы у медоносных пчел и плодовых мушек. Перенос микроРНК от одного вида к другому может быть обычным механизмом, облегчающим перекрестные контакты и межвидовую коммуникацию.
3) В эволюционном смысле роль микроРНК растений в регуляции развития медоносных пчел может дать ценные подсказки для нашего понимания взаимодействия между царствами и коэволюции. В природе энтомофильные растения приобретают характеристики, привлекательные для опыления медоносных пчел, в то время как анемофильные растения используют ветер для распространения пыльцы и производят пыльцу, менее приспособленную для насекомых. Возможно ли, что растительные миРНК более обогащены в пыльце энтомофильных растений, чем в анемофильных растениях? Если это так, то выбор медоносными пчелами источников пищи указывает на экстраординарную эволюционную адаптацию для успеха колонии за счет партнерства между двумя взаимодействующими организмами. Дальнейшие исследования в этой новой области могут пролить свет на влияние потребления пищи на эволюцию экосистемы. Например, стоит выяснить, не может ли крупномасштабная гибель пчелиных семей быть следствием глобальных изменений растительных сообществ.