Ученые выяснили, что специфический вариант гена fruitless (fru) управляет социальным поведением самцов медоносной пчелы, заставляя их активно участвовать в коллективном обмене пищей и правильно выбирать место в колонии.
Биологи исследовали генетические основы кооперации у медоносных пчел (Apis mellifera). В ходе работы, результаты которой опубликованы в журнале Nature Communications, выяснилось, что ген fruitless, традиционно отвечающий у насекомых за брачное поведение, в процессе эволюции социальных видов был перепрофилирован для поддержания жизни пчелиной семьи как единого сверхорганизма.
В пчелином улье трутни ведут себя подчеркнуто кооперативно: они не конкурируют друг с другом за еду и место, а получают питательные вещества от рабочих пчел через трофаллаксис — передачу жидкой пищи изо рта в рот. Этот процесс требует сложной координации: самец приближается к рабочей пчеле и выпрашивает корм, контактируя с ее головой антеннами. Он должен поддерживать контакт во время всего процесса кормления.
Исследователи обнаружили, что за настройку этой системы отвечает белок FruM (мужской вариант белка Fruitless). С помощью технологии редактирования генома CRISPR/Cas9 ученые создали линию пчел с «выключенным» геном fru у самцов. Наблюдения с использованием автоматизированной системы трекинга BBAS (Bee Behavioral Annotation System), фиксирующей движения каждой особи по QR-кодам, показали резкие изменения в поведении мутантов.
Во-первых, у них снизился уровень социальность: частота попыток «выпрашивания» еды у мутантных трутней упала в два раза, а само кормление стало значительно короче. Во-вторых, мутанты стали ошибаться в навигации внутри улья. Обычные трутни проводят время в медовой зоне или на периферии улья, избегая зон с пыльцой, которую они не могут переварить. Мутантные же самцы начали массово забираться в ячейки с пыльцой, что совершенно нехарактерно для нормальных особей. При этом общие способности к передвижению, реакция на свет и запах королевы у мутантов не пострадали, что доказывает: ген влияет именно на «социальную настройку», а не на физические возможности насекомого.
Анализ мозга показал, что белок FruM экспрессируется (производится) примерно в 1800 нейронах. Эти клетки образуют сеть, которая связывает органы чувств (зрение, обоняние) с центрами высшего порядка — грибовидными телами, вовлеченными в процесс принятия решений. У трутней эта сеть имеет специфические «мужские» черты в строении антеннальных долей и зрительных путей.
Авторы исследования полагают, что возникновение такой жесткой генетической программы позволило пчелам эффективно распределять ресурсы внутри колонии. Вместо того чтобы хаотично блуждать, трутни «запрограммированы» на определенную частоту и длительность социальных контактов, что снижает нагрузку на рабочих пчел и повышает выживаемость всей семьи. Таким образом, эволюция кооперации произошла за счет адаптации старых генов, отвечавших за размножение, под нужды сложной социальной структуры.