Zachowania zbiorowe są obecne w wielu różnych grupach zwierząt: ławice ryb pływające razem w wirującym układzie, duże stada ptaków migrujących w nocy, grupy pszczół koordynujące swoje zachowanie w celu obrony ula. Zachowania te są powszechnie obserwowane u owadów społecznych, w których współpracuje ze sobą nawet tysiące osobników, często pełniąc różne role. U pszczół miodnych rola pszczoły w kolonii zmienia się wraz z wiekiem. Młodsze pszczoły wykonują obowiązki wewnątrz ula, takie jak karmienie i budowanie wosku, podczas gdy starsze pszczoły przechodzą do ról poza ulem, albo szukając pożywienia (zbieracze), albo broniąc kolonii (żołnierze).

Nie wiadomo, co decyduje o tym, czy starsze pszczoły stają się zbieraczami, czy żołnierzami, ale nowe badanie opublikowane w Ekologia przyrody i ewolucja bada mechanizmy genetyczne leżące u podstaw zbiorowego zachowania obrony kolonii oraz sposób, w jaki mechanizmy te odnoszą się do ogólnej agresji kolonii.

„Pszczoły miodne nie mają podziału pracy opartego na wielkości, jak można zobaczyć u termitów czy mrówek” – powiedział Ian Traniello, były doktorant na University of Illinois Urbana-Champaign, obecnie pracownik naukowy na Uniwersytecie Princeton i pierwszy autor na studiach. „Jeśli poprosisz kogoś z ulicy, aby zgadł, która mrówka jest żołnierzem, a która zbieraczem, prawdopodobnie zgadnie to w 100% przypadków, ponieważ żołnierze są wielcy. Zamiast tego pszczoły miodne mają podział pracy oparty na wieku, gdzie starsze pszczoły są zwykle zbieraczami lub żołnierzami, z których obie są niebezpiecznymi i potencjalnie śmiertelnymi rolami”.

Badanie asocjacyjne całego genomu przeprowadzone wcześniej na podgatunku pszczoły miodnej w Puerto Rico, który ewoluował w kierunku mniej agresywnej w ostatnich latach, ujawniło silne powiązania między zmiennością sekwencji niektórych genów a poziomem ogólnej agresji kolonii. Naukowcy nazwali te „geny agresji kolonii”.

W bieżącym badaniu naukowcy porównali ekspresję i regulację genów w mózgach żołnierzy i zbieraczy oraz w koloniach różniących się agresywnością. Naukowcy zmierzyli agresywność kolonii, licząc liczbę użądleń na zamszowych łatach umieszczonych poza ulami po niepokojeniu. Zidentyfikowali żołnierzy jako pszczoły, które zaatakowały grządki, a zbieraczy jako pszczoły, które wróciły do ​​ula z pyłkiem. Następnie naukowcy wykorzystali transkryptomikę pojedynczych komórek i analizę sieci regulatorowych genów, aby porównać mózgi pszczół zbieraczek i żołnierek z kolonii o niskiej i wysokiej agresji.

Naukowcy odkryli, że chociaż w mózgu były tysiące genów różniących się ekspresją między żołnierzami a zbieraczami, żaden z nich nie był częścią listy genów agresji kolonii. Kiedy jednak stworzyli modele sieci regulacyjnych genów mózgowych, które kontrolują, kiedy i gdzie dochodzi do ekspresji określonych genów, naukowcy odkryli, że struktura tych sieci różniła się między żołnierzami i zbieraczami – a różnice były większe, gdy żołnierze i zbieracze pochodzili z bardziej agresywna kolonia.

„Uważamy, że dzieje się tak, że regulacja genów związanych z zachowaniami zbiorowymi wpływa na mechanizmy leżące u podstaw podziału pracy” – wyjaśnił Traniello. „Tak więc kolonie mogą stać się mniej lub bardziej agresywne, wpływając na poziom agresji osobników w tej kolonii. Zasadniczo zbieracz może z mniejszym lub większym prawdopodobieństwem przejść do stanu przypominającego żołnierza, jeśli wymaga tego środowisko”.

Odkrycia podkreślają znaczenie regulacji genów dla naszego zrozumienia związku między genami a zachowaniem.

„Chociaż kilka badań wykazało potencjalne dziedziczne różnice między żołnierzami a zbieraczami, to badanie pokazuje, że starsze pszczoły miodne mogą potencjalnie pełnić obie role” – powiedział Gene Robinson (GNDP), dyrektor IGB i autor artykułu. „W koloniach, które są bardziej agresywne, prawdopodobnie z powodu zwiększonego zagrożenia w środowisku, starsze pszczoły mogą być po prostu bardziej predysponowane do zostania żołnierzami pomagającymi w obronie kolonii”.

Plany na przyszłość obejmują opracowanie testów funkcjonalnych w celu zbadania roli sieci genów zidentyfikowanych w badaniu oraz przestrzennej identyfikacji miejsc ich ekspresji w mózgu. Traniello mówi, że nie może się doczekać zbadania tych nowych pytań.

„Posiadamy niezwykłe technologie do badania genów i zachowań na niespotykaną dotąd skalę, zarówno za pomocą transkryptomiki pojedynczej komórki, jak i obecnie przestrzennej” – powiedział Traniello. „Dają nam one nowe sposoby rozumienia starych pytań, takich jak związek między jednostką a zbiorowością lub związek między genotypem a fenotypem. Możliwość wykorzystania tych narzędzi i zastosowania ich w naturalistycznych kontekstach jest ekscytująca i mam nadzieję, że ta praca zainspiruje innych do zrobienia tego samego”.

Projekt został sfinansowany przez Illinois Sociogenomics Initiative i można go znaleźć pod adresem