Die molekularen Mechanismen von lokaler Anpassung an hochgelegene Habitate in der Honigbiene Apis mellifera
Biologie des Verhaltens und der Sinne
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In unserem Projekt haben wir die Hypothese untersucht, dass chromosomale Inversionen mit phänotypischer Anpassung an die Höhe in Verbindung stehen können. Wir verglichen dazu Honigbienen aus hohen und niedrigen Lagen an verschiedenen afrikanischen Bergen in Uganda, Tansania und Kenia, um chromosomale Umstrukturierungen und Einzelnukleotid-Polymorphismen zu entschlüsseln, mit dem Ziel der Charakterisierung von Honigbienenpopulationen und Unterarten. Die Genomsequenzdatensätze ergaben Einblicke in die Struktur der Subpopulation, den Differenzierungsgrad, die Signaturen der Selektion und die Verteilung der chromosomalen Inversionen in verschiedenen Höhenlagen und geografischen Regionen. Genexpressionsanalysen (qRT-PCR, RNAseq) entschlüsselten molekularen Mechanismen, die der Anpassung an die Höhe zugrunde liegen. Wir verglichen die kutikulären Kohlenwasserstoffprofile (CHC) von Bienen aus verschiedenen Höhenlagen und von Kolonien, die in die entgegengesetzte Höhenlage versetzt wurden, um mittels RNAseq und CHC-Profiling nach physiologischen Reaktionen auf die Höhenlage zu suchen und die phänotypische Plastizität im Vergleich zur lokalen Anpassung zu testen. Das Octopamin-Rezeptor-Gen AmOARb2 und die mit der Pigmentbildung zusammenhängenden Gene ebony und tan wurden mit CRISPR/Cas9 zur funktionellen Charakterisierung und ihrer Relevanz für die Höhenlagenanpassung ausgeschaltet. Unsere Genomsequenzdaten bestätigten das Vorhandensein zuvor beschriebener chromosomaler Inversionen (r7 und r9), während wir eine bemerkenswerte Differenzierung der r7/r9-Haplotypen zwischen den verschiedenen Bergregionen feststellten. Erste Transkriptomanalysen mit RNAseq und Genexpressionsvergleiche mit qRT-PCR zeigten eine Reihe von Kandidatengenen auf, die sich in Bienen aus unterschiedlichen Höhenstufen signifikant unterschieden. Dabei zeigte sich ein Einfluss des Genotypes der chromosomalen Inversionen auf die Genexpression. Die Gene des Octopamin-B-Rezeptors unterschieden sich systematisch in der mRNA-Expression zwischen Hochland- und Tieflandbienen. Auch die kutikulären Kohlenwasserstoffprofile unterschieden sich zwischen Hochland- und Tieflandbienen. Zum ersten Mal haben wir die beiden mutmaßlichen an der Pigmentsynthese der Honigbiene beteiligten Gene ebony und tan erfolgreich ausgeschaltet. Während ebony-Knockout-Mutanten schwarz waren, zeigten tan-Mutanten eine gelbe Pigmentierung, was eine klare Rolle dieser Gene bei der Pigmentierung der Honigbiene belegt. AmOARβ2-Knockouts deuten auf eine wichtige Rolle dieses Rezeptors bei thermoregulatorischen Reaktionen hin. Unser Projekt enthüllt wichtige Mechanismen der Anpassung an Höhenlagen bei Honigbienen und ebnet den Weg für die Entschlüsselung weiterer Kandidatengene, Regulationswege und Netzwerke, die an dieser Form der phänotypischen Plastizität beteiligt sind.
