Рік написання: 2022

Стаття під такою назвою надрукована в одному з наукових журналів (A Maternal Effect on Queen Production in Honeybees, журнал: Current Biology Report, July 8, 2019 - є в інтернеті). Автори - десять дослідників із Китаю і Австралії - Hao Wei, Xu Jiang He, Andrew B. Barron і інші. Оскільки висновки з їх роботи і статті можуть бути важливими для нашого розуміння біології бджіл і методів вирощування маток у практичному бджільництві, вважаю за потрібне познайомити наших пасічників з основними положеннями статті.

Щодо наукових термінів у статті:

• матернальний ефект - материнський вплив (турбота) матки на потомство;
• експресія генів - прояв, вираження генів у потомстві під впливом зовнішніх факторів, наприклад, у бджіл з однакового плідного яйця під впливом корму може бути вирощена бджола або матка. Все залежить від того, як проявлять себе гени у фенотипі;
• in ovo - дослівно - в яйці, латинський термін, в даній статті, ймовірно, він означає вплив яйця, що відкладає матка на визначення касти особини, яка розвивається з цього яйця.

В процесі дослідження виявлено, що:

• бджолина матка відкладає більші за розміром яйця в маточні мисочки, ніж в бджолині комірки;
• розмір відкладених маткою яєць впливає як на експресію генів, так і н вагу дорослої матки, яка виведеться з такого яйця;
• cередовище in ovo є матернальним ефектом, що впливає на визначення каст у бджіл. Матка також впливає на визначення касти личинки.

Узагальнення - саммарі.

Вплив матки на фенотип потомства відомий як матернальний ефект. Він є важливим фактором адаптивного фенотипічного пристосування. Еусоціальні види комах проявляють вражаючу фенотипічну відмінність між репродуктивною кастою - маткою і продуктивною кастою - робочими особинами.

При цьому, для медоносних бджіл домінуюча парадигма полягає в тому, що розвиток різних каст - матка чи бджола визначається впливом зовнішнього середовища і дієтою личинки віком до трьох днів і не є генетично обумовлена. Вплив матернальних ефектів на визначення каст у бджіл донедавна не розглядався, але в даній роботі продемонстровано, що розмір яйця також впливає на розвиток матки. Матки відкладають яйця в маточні мисочки значно більші, ніж у бджолині комірки. З таких яєць розвиваються важчі матки, які мають більше оваріїв, ніж матки, що розвиваються з яєць, відкладених у бджолині комірки. 

Аналіз експресії генів показав суттєві відмінності між деякими генами маток, що розвинулися з яєць, відкладених у маточні мисочки і яєць, відкладених у бджолині комірки. Серед них непропорційно більша кількість генів, які беруть участь у гормональній сигналізації, відповідають за розвиток організму і імунні зміни, що є ключовими відмінностями між матками і робочими бджолами.

Таким чином, розмір яйця впливає на морфологію і фізіологію новонароджених маток. Матки відкладають більші яйця в маточні мисочки, ніж в бджолині комірки. Матка демонструє материнський вплив (матернальний ефект) на експресію генів у фенотип дочірніх маток. Це вказує на те, що матка відіграє більш активну роль у вирощуванні маток, ніж вважалося раніше.

Результати та їх обговорення.

Матки і бджоли радикально різні в своїх фенотипах, хоча розвиваються з генетично однакових яєць. Матка чи бджола розвинеться із заплідненого яйця. Це залежить від дієти личинки і розміру комірки, в якій виховується личинка.  І дієта, і обʼєм комірки викликають зміни у метилації геному личинок. Отримані зміни в розвитку личинок впливають на регуляцію генів (зокрема, що стосується сигнальної системи, розвитку залоз, вуглеводного обміну і імунної функції).

Метою даної роботи було установити: чи може сама матка впливати на визначення касти личинки  через матернальні ефекти.

Матернальні ефекти є способом впливу самки на фенотип потомства і є важливим механізмом адаптивної фенотипічної пластичності.

Фландерс ще в 1945 р. висловив припущення, що самка може вплинути на кастовий розвиток у комах шляхом диференціального вкладення в яйця, але дивно, є дуже мало повідомлень про такий вплив матері на потомство у перетинчастокрилих.

Припущення, що деякі варіації у розмірі дорослих маток можна віднести на рахунок варіацій розмірів яєць, з яких вони розвинулися, - висловила Бородачова у 1973-му році.

В даній роботі перевірялася гіпотеза: чи відкладає матка більші яйця в маточні мисочки, ніж в бджолині комірки.

Матки відкладають більші яйця в маточні мисочки, ніж в бджолині комірки.

 В дослідах, щоб виявити вплив матки на детермінацію касти майбутньої особини, маток забезпечили стандартними пластиковими щільниками і маточними мисочками, які мали такі ж розміри і форму, як і природні (рис.1).

Через шість годин яйця, що були відкладені в комірках А і В, були зібрані та зважені. Це дослідження повторювалося в 3-х сімʼях. Загалом було виміряно і зважено 152 яйця.

Яйця, відкладені в маточні мисочки (QE), були на 13,26% важчими (157,51 ± 12,37 проти 138,93 ± 10,90, середнє ± SD, мкг); на 2,43% довшими (1,56 ± 0,04 проти 1,52 ± 0,05, середнє ± SD, мм) і на 4,18% товщими (0,374 ± 0,010 проти 0,359 ± 0,013, середнє ± стандартне відхилення, мм), ніж яйця, відкладені в бджолині комірки (WE).

Дорослі матки, вирощені з яєць, відкладених у маточні мисочки QE, важчі ніж матки, вирощені з яєць, відкладених у бджолині комірки (WE) і  (2L).

Щоб визначити, чи така різниця в розмірі яйця має наслідки для морфології дорослої матки, через шість годин після відкладення яєць яйця QE і WE переносилися способом переміщення денця з яйцем у штучні маточні мисочки (щоб не торкатися яйця, рис. 1). Деякі яйця (2L) в досліді залишилися в бджолиних комірках протягом 5-ти днів, поки личинкам не виповниться 2 дні. Дводенні личинки потім аналогічно переводили у штучні маточні мисочки.

Всі маточні мисочки з яйцями чи личинками потім поміщали в звичайну безматочну бджолосімʼю для вирощування з них маток бджолами. Через шістнадцять днів виводилися дорослі матки, яких відбирали при виході із запечатаних маточників і зважували.

Ці досліди повторювали з використанням п'яти сімей протягом двох років. Дорослі матки з маточних мисочок QE були найважчими у всіх п'яти колоніях, а матки з мисочок QE були значно важчі, ніж матки з бджолиних комірок WE (258,65 ± 22,82 проти 234,50 ± 36,00, середнє ± SD, мг) у трьох сімʼях із п'яти.

Дорослі матки, вирощені з яєць, відкладених в маточні мисочки QE, мали найбільшу кількість оваріолей.

Кількість оваріолей є важливим показником плодючості матки. В дослідах продемонстровано, що п'ятиденні дорослі матки з мисочок QE мали найбільшу кількість оваріол в правому яєчнику, значно більше, ніж у маток, вирощених з дводенних личинок із бджолиних комірок 2L (165,50 ± 10,65 проти 145,90 ± 14,89, середнє ± стандартне відхилення) у всіх трьох колоніях, але істотної різниці не було виявлено між матками з QE та з WE (165,50 ± 10,65 проти 160,00 ± 9,48, середнє ± стандартне відхилення).

Відмінності в експресії генів серед маток, вирощених з QE, WE, 2L.

Для подальшого вивчення наслідків впливу походження яйця на фенотип дорослої матки, порівнювалися профілі експресії генів РНК-послідовності новонароджених дорослих маток із комірок QE, WE та 2L. 

Результати досліджень РНК-послідовності за два роки показали, що найбільші відмінності були виявлені в порівняннях між вирощеними матками від QE та 2L, а потім - WE проти 2L та QE проти WE.

Це викликає інтерес, тому що вирощування маток з дводенних личинок 2L, а не з яєць WE, це вже є доведено, що вони мають значний вплив на репродуктивну функцію маток та її морфологію.

Дані досліджень свідчать про відмінності між експресією генів у дорослих маток, вирощених з різних комірок QE і WE і відображають варіації в розвитку процесу визначення касти.

Висновки.

Таким чином, результати даної роботи демонструють наявність матернального ефекту (впливу матки) на розмір вирощеної дочірньої матки і її фізіологію. Це спричиняється тим, що матка відкладає більші яйця у маточні мисочки, ніж у бджолині комірки. Це може мати значні наслідки для функціонування бджолосімʼї, оскільки різні автори повідомили про зв’язок між вагою матки, кількістю оваріол і плодючістю матки. Білаш навіть повідомив про вплив ваги матки на виробництво меду сімʼєю.

Автори роботи не пропонують тезу, що існує спеціальний клас маточних яєць. Вибірка розподілу маси маток, вирощених з яєць, взятих з маточників і бджолиних комірок, була безперервною, нормальною і унімодальною. Скоріше, ми спостерігаємо випадок, коли плідна матка перед кожним відкладанням яйця має вибір. Вона готова відкладати більш, ніж одне запліднене яйце, і матка може відкладати в маточну мисочку найбільш підходяще яйце. В деяких роботах досліджено, що матки можуть призупинити яйцекладку до закладання яєць в маточники, а момент затримки яйцекладки призводить до відкладання більших яєць з більшою кількістю білка жовтка, але таку спроможність матки необхідно дослідити.

Однак, важливим висновком даної роботи є те, що матки можуть активно відбирати більші запліднені яйця для яйцекладки у маточні мисочки. Раніше було продемонстровано, що матки можуть контролювати та утримувати запліднення яєць перед відкладанням яєць у трутневі комірки, і що матки вимірюють розмір комірки передніми лапками перед відкладанням туди яйця.

Дана робота - це перший доказ того, що матки можуть вибирати і серед запліднених яєць, і що яйця, відкладені маткою в маточні мисочки і бджолині комірки, відрізняються.

Висновок роботи - спостережувані відмінності між матками, вирощеними з яєць, відкладених у різні комірки QE (мисочки) і WE (бджолині комірки), можна віднести до вибору (впливу) матки, а не наступної взаємодії личинки з бджолами-годувальницями. Тому можна вважати, що матки, вирощені з яєць, відкладених у маточні мисочки, з наступною більшою кількістю корму будуть кращими, ніж матки, вирощені з яєць, відкладених у бджолині комірки, тобто якість вирощених маток визначається в тому числі і матернальним ефектом.

Результати роботи показують, що середовище in ovo (яйце) впливає на розвиток матки, але середовище in ovo не обов’язкове для формування маток. Шлях розвитку матки виявляється досить міцним, природа передбачила резерв способів для вирощування маток у бджолосімʼї, і маток можна вирощувати з яйця, відкладеного в бджолину комірку або навіть з личинки віком до трьох діб, пересадженої в маточну мисочку з бджолиної комірки. Ця здатність бджіл лежить в основі комерційної практики вирощування маток.

Проте, не всі матки мають однакову якість, і матки, вирощені від пересаджених бджолиних  личинок, менші і мають менш добре розвинені репродуктивні системи. Рангель та ін. також повідомили, що сімʼї, очолювані матками, вирощеними із бджолиних личинок старшого віку, значно гірше відбудовують бджолині щільники, трутневі щільники і запасають менше кормів у порівнянні з тими, де матки вирощені з яєць.

В даній роботі надані перші докази того, що середовище in ovo (яйце) також впливає на морфологію та фізіологію дорослої матки. Це дивовижно для медоносної бджоли - еусоціального виду, який інтенсивно вивчають, що можливість матернального впливу на диференціацію каст була досі непоміченою. Ймовірно, таку можливість не помічали лише через наявність інших важливих факторів вирощування маток - різниці в раціоні личинок і конструкції комірки.

Однак тепер ми визнаємо, що епігенетично диференційовані бджолиний і матковий шляхи розвитку личинки чутливі до середовища ранніх личинок, а результати даної роботи вказують і на чутливість до середовища in ovo.

Це дає новий погляд на функціонування бджолосімʼї та вказує на те, що матка відіграє більш активну роль у вирощуванні наступної генерації маток, ніж вважалося раніше.

Коментар до статті.

Матки вирощуються з особливих маточних (королівських) яєць. Ця теза була очевидною для пасічників минулого.

Але в 1761-му році німецький дослідник бджіл пастор Адам Ширах зробив цікаве відкриття: виявляється, якщо з гнізда забрати матку, бджоли можуть виростити матку на бджолиному розплоді з бджолиної личинки. Так було спростовано "таємницю королівського яйця" в європейській науці - уявлення, нібито матка виводиться з особливих маточних яєць. Це відкриття стало поворотним у бджільництві. Ширах розробив спосіб розмноження бджолиних сімей методом штучного виводу маток з бджолиного розплоду. Нагадаємо - це було до винайдення рамкового вулика.  Згодом Дулітль в 1888-му році винайшов метод вирощування маток способом щеплення бджолиних личинок у маточні мисочки. Відкриттям Шираха і винаходом Дулітля таким чином були закладені основи комерційного вирощування маток - галузі, яка нині є досить потужною у ряді країн.

Але відкриття китайських учених повертає нас в парадигму давніх уявлень - королівські (маточні яйця) в якійсь формі все-таки існують. Досить неясні відчуття, що якість маток залежить не лише від раціону личинок і форми комірки, де вирощується матка, були у пасічників і раніше. Матка таким чином відкладає три сорти яєць: маточні - в маточні мисочки, бджолині - в бджолині комірки і трутневі - в трутневі комірки.

Для вибору: яке яйце відкласти - матці не потрібен час на затримку у відкладанні яєць. Теж важливий висновок із даної роботи.

В практичному бджільництві відомо 5 способів виводу маток. Матки бувають: ройові, тихої заміни, свищові (рятункові), штучного виводу (способом щеплення бджолиних личинок) і інструментального осіменіння. З урахуванням висновків даної статті, найкраща якість буде у маток ройових і тихої заміни. Дещо гіршими будуть свищові матки - тут бджоли, ймовірно, мають вибір і вирощують маток з молодих бджолиних личинок, але не з будь-якої личинки. Матки, вирощені способом щеплення, очевидно, будуть гіршими, адже тут передбачається, що матка може бути вирощена з будь-якої бджолиної личинки відповідного віку. Найгіршими будуть матки інструментального осіменіння, оскільки тут відсутній природний добір при виборі трутнів при паруванні маток.

Ройові матки найкращі. На підтвердження цієї тези можна навести чимало аргументів як на глобальному рівні, так і на рівні практики окремих пасічників. Так, бджільництво США, де використовують переважно маток штучного виводу, переживає тривалу кризу. Протягом останніх десятиріч популяція бджіл в США зменшилася з 6 млн. бджолосімей в середині 20-го століття до 2,5 млн. в 2022-му році, при щорічних втратах сімей, які сягають 45%. Можна навести приклад Бразилії, де маток штучного виводу - менше відсотка, решта - ройові: тут популяція бджіл постійно зростає, незважаючи на негаразди з довкіллям. В Ефіопії популяція бджіл оцінюється в 10 млн. бджолосімей. Це в 4 рази більше, ніж у США, хоча площа країни в 10 разів менша від США. Можна навести приклад Європи, передової в технологічному плані, але з консервативними поглядами у бджільництві. Тут комерційні матки штучного виводу складають лише 20%, решта - в тому числі і ройові. Роїв в Євросоюзі реалізують в 5 разів більше, ніж пакетів. В Європі також зменшення популяції бджіл не спостерігається. Навпаки, популяція бджіл в Європі повільно, але зростає.

Щодо практики окремих пасічників. В радянські часи, коли єдиним джерелом інформації був журнал "Пчеловодство", там постійно висловлювалася думка рядових пасічників, що ройові матки найкращі, хоча так само постійно пропагувалися методи штучного виводу маток.

Щодо нашої країни. В Україні щороку комерційні маткарі реалізують 200 - 300 тис. маток при щорічній потребі 2 млн., тобто відсоток комерційних маток -10 - 15% від необхідного, не дуже значний. Той факт, що матки штучного виводу гірші від ройових, не повинен нас заставити відмовитися від штучного виводу маток. Адже реалізація маток виконує і інші функції, зокрема, поширення і перемішування генетичного матеріалу у популяції бджіл, оскільки природні механізми - через розліт роїв тут тепер не працюють. Для здоровʼя популяції бджіл необхідно, щоб бджоли роїлися, і наука тепер наводить нам аргументи на користь високої якості ройових маток.