Transcriptional markers of sub-optimal nutrition in developing Apis mellifera nurse workers
BMC Genomics 2014, 15:134 doi:10.1186/1471-2164-15-134
Nelle api ,l'età è legata intimamente allo sviluppo e le variazioni nel tempo del comportamento delle operaie sono accompagnate da consistenti cambiamenti fisiologici e anatomici [4-6]. Nonostante la enormità di questi cambiamenti ,essi mantengono una caratteristica di flessibilità e possono risultare accelerati, rallentati o “revertiti” con ritorni alla condizioni precedente in risposta ai cambiamenti delle necessità dell’alveare, cambiamenti nella demografia dello stesso o allo stress [3,7].
IL polline è essenziale alla dieta delle larve e delle giovani adulte [8,9]. Le larve acquisiscono proteine attraverso la gelatina da operaia , una ricca secrezione prodotta dalle nutrici nella ghiandola ipofaringea (HGs). Dopo la nascita come adulte , le api molto giovani ( meno di 3 giorni di età circa ) ricevono una dieta di polline rigurgitato e gelatina da operaia [2]. Tra i 3 e gli 8 giorni di età avviene una transizione verso una dieta di pane d’api ovvero polline stoccato nei favi miscelato a zuccheri e microbi [2,10,11]. Consistente quantità di proteine,lipidi e micronutrienti arrivano alle adulte in sviluppo attraverso il pane d’api e questi nutrienti stimolano la crescita della ghiandola ipofaringea e dei corpi grassi (reviewed in [10]) in preparazione allo svolgimento dei ruoli di nutrice ( a ~8-14 giorni di età ) e bottinatrice ( a ~14-21giorni di età ) .Le nutrici supportano lo sviluppo della covata e delle giovani api adulte per mezzo della secrezione della loro ghiandola ipofaringea HG. Le bottinatrici fanno affidamento soprattutto sulle loro scorte “interiori “ per supplementare i piccoli quantitativi di nutrienti consumati via trofallassi nell’alveare e in campo mentre bottinano [10,12]. Il consumo di polline dell’operaia aumenta fino a che questa svolge compiti da nutrice e successivamente diminuisce (reviewed in [10]), così ,l’assimilazione di proteine che precede lo svolgimento dei compiti da nutrice è critica per la crescita dell’alveare e la sua ontogenesi ('ontogenesi (dal greco: on, genit. óntos, 'ente' + genesi 'creazione', 'sviluppo') è l'insieme dei processi mediante i quali si compie lo sviluppo biologico di un organismo vivente ndt ) .
Gli alveari gestiti dall’uomo sperimentano lunghi periodi di stress nutrizionale.
Due recenti studi su api detenute in gabbiette al di fuori del loro alveare hanno illustrato l’ utilità di metodi come oligonucleotide microarrays e messenger RNA sequencing (mRNA-Seq) per lo studio dello stress alimentare nelle nutrici. Usando mRNA-Seq nel addome intero (incluso di tratto digestivo ), Alaux et al. [18] ha trovato che le vie metaboliche coinvolte nella percezione delle sostanze , metabolismo, invecchiamento, e immunitarie sono sovra regolate ( up-regulated ) in nutrici alimentate con polline , mentre le vie coinvolte nella risposta allo stress e alla regolazione dell’espressione genica sono sotto regolate . Ament et al.[19] hanno utilizzato oligonucleotide microarrays per studiare l’espressione genica nella carcassa addominale (escludendo il tratto digestivo ) di nutrici e bottinatrici trovando che l’ingestione di polline causa attivazione dei processi legati al metabolismo dei nutrienti e riduce espressione della trascrizione coinvolta in glicolisi , crescita e sviluppo , neurogenesi ,riproduzione e contrazione dei muscoli . Questi due studi usano differenti approcci, ma entrambi trovano che i geni controllanti la regolazione trascrizionale e i meccanismi di segnalazione delle cellule sono sotto regolati in api nutrice con polline mentre quelli controllanti la biosintesi e il metabolismo dei lipidi sono sovra-regolati ([18,19] and see Additional file 1: Table S1, Additional file 2: Table S2 and Additional file 3: Figure S1).
Tuttavia non è ancora chiaro (1) se queste risposte appartengono anche ad api che vivono in alveari in normale attività e (2) come questa “marcatura “ di carestia incipiente accompagni i cambiamenti fisiologici e legati allo sviluppo che avvengono con l’età . Servono altri lavori per capire come le giovani adulte rispondono a dieta povera non che la basilare biologia della nutrizione in questo sistema .
Si è perciò voluto capire i cambiamenti trascrizionali associati a carestia durante il primo sviluppo da adulta dell’ape . Per fare ciò si sono studiate api di 3 giorni di età e api di 8 abitanti normali alveari e altre mantenute in gabbietta e alimentate con dieta povera costituita da solo miele oppure miele e pane d’api ( dieta ricca ) e mantenute in trofallassi col resto dell’alveare . L’intero trascrittoma della carcassa addominale (i.e., the fat body, the reduced reproductive organs, exoskeleton, trachea, and muscles) sono stati esaminati per analizzare i cambiamenti con esclusione del tratto digestivo. Si è ipotizzato in partenza che (1) carestia e invecchiamento producano un consistente impatto su espressione genica e fisiologia (2) la carestia produca effetti sulle api giovani rispetto a quelli prodotti su api vecchie (3)lo sviluppo iniziale dopo la nascita da adulta sia condizionato dalla dieta . Si mostra di seguito che la carestia ha un grande effetto sulla espressione genica relazionata alla fisiologia delle nutrici e allo sviluppo e che i processi che avvengono quando una giovane adulta si sviluppa per divenire nutrice sono alterati da una dieta sub ottimale .
Discussione
Il polline è un componente critico per la dieta delle giovani api e può avere consistente impatto sul loro sviluppo . In sostanza, cambiamenti nella espressione genica sono osservabili quando le api sono prive di polline e questi cambiamenti sono più numerosi se le api sono private di polline per più lungo tempo . In aggiunta ,il normale quadro di espressione genica che accompagna i cambiamenti legati all’età sono alterati nelle api sotto nutrite .
I dati suggeriscono che i nutrienti presenti nel polline regolano le transizioni chiave di sviluppo che l’ape effettua durante la prima fase della vita da adulta e che la preparano per il compito critico da nutrice .
La trascrizione che risulta sotto regolata in api private di polline di entrambe le età include quella con potenziale ruolo nello sviluppo e muscolatura e funzioni motorie . Questi risultati sono in accordo con quelli di Ament et al. [19], che trova che la trascrizione di elementi legati a crescita , sviluppo e contrazione dei muscoli è ridotta in nutrici mal nutrite . Sembra che la dieta povera sia “ costosa “ per l’espressione dei geni coinvolti nelle funzioni muscolari e crescita sin dalla nascita come adulta. Se questo incida sull’abilità delle nutrici di svolgere il loro compito nell’alveare e se gli effetti della carestia siano evidenti anche nelle bottinatrici rimane da essere stabilito .Tuttavia è possibile che tratti come l’abilità di bottinamento possano essere intaccati dalla dieta povera alla quale le api sono state sottoposte nella prima parte di vita da adulta .
Molti più trascritti cambiano in conseguenza della carestia nelle api più vecchie (20,376 transcripts) rispetto alle api più giovani (173 transcripts). Di questi trascritti che diminuiscono di espressione in conseguenza della dieta pollinica povera , vi è una più frequente sotto regolazione di espressione genica nelle api più giovani (78.5%) rispetto alle api più vecchie (55.9%). I cambiamenti di trascrizione che avvengono in conseguenza della carestia a 3 giorni di età sono largamente un sottoinsieme di quelli che avvengono a 8 giorni di età . Molte più differenze relazionate alla dieta sono osservate solo in api private di polline per 8 giorni , ma non è chiaro se geni espressi differentemente esclusivamente all’età di 8 giorni sia dovuto al più lungo periodo di carestia o derivi da specifici processi messi in moto solo a più tarda età sono anche condizionati dal tipo di dieta.
L’ espressione di MRJPs, geni immunitari e geni codificanti enzimi di detossificazione declina in conseguenza della dieta povera esclusivamente nell’età più tarda . Questo gruppo di trascrizione sotto regolata comprende diversi membri CYP4 e CYP6 del citocromo P450 e un Delta GST, i quali hanno ruolo nella detossificazione degli insetticidi [21], proteine leganti la chitina che mantengono l’integrità della membrana peritrofica ,la quale gioca un ruolo difensivo di primo piano contro agenti chimici e parassiti parasites [22] ( se compromessa nosema e virus hanno vita più molto facile ndt ) , geni del tipo PGRP S3 e cytP450 4G11 la sottoregolazione dei quali è associata al colony collapse disorder CCD; [23], e il trascritto di dicer e argonaute che mediano l’ immunità nei confronti di virus che sono talvolta prevalenti negli alveari al collasso [24,25].
Una potenziale conseguenza , perciò , della privazione di polline nelle nutrici , ma non in quelle appena nate come adulte è UNA RIDOTTA RESISTENZA A PATOLOGIE E INSETTICIDI.
L’invecchiamento è associato ad un generale declino di processi come sviluppo , trascrizione e mRNA splicing, e questo declino è esacerbato nelle api private di polline . IL declino trascrizionale relazionato all’età è più frequente in api malnutrite (Tables 2 and Additional file 7: Table S5), e i processi che avvengono come ben nutrite api di età sono distinti da quelli che avvengono in api prive di polline (Figure 3). Api nutrite con dieta ricca di polline sovra regolano geni coinvolti nella immunità e sotto regolano quelli inerenti allo sviluppo dei sistemi tracheali e metabolismo della chitina , possibilmente come parte di una traiettoria di sviluppo che prepara ai compiti fuori dall’alveare. Le api con scarsa disponibilità di polline non regolano in maniera diversa nessuno dei processi relazionati all’età che avvengono in api nutrite con normale dieta .Api private di polline mostrano sotto regolazione di geni coinvolti nella trascrizione di mRNA splicing e un non-coding RNA potenzialmente coinvolto in regolazioni trascrizionali AncR-1; [26]. Perdita di regolazione trascrizionale e disregolazione della espressione genica sono associati con declino funzionale relazionato all’età in vari taxa ([27-30]; but see [31]).
I dati perciò suggeriscono che la privazione di polline può causare alterazioni nella normale regolazione trascrizionale relazionata all’età ,conducendo ad una varietà di effetti a valle . Per esempio , api di età private di polline mostrano ridotta espressione dei geni implicati coi corpi fungiformi del cervello e sviluppo delle componenti degli occhi. Se certi segnali dai corpi grassi incontrano le segnalazioni di cervello e sviluppo , questa diminuzione può essere un segno di bottinamento precoce prodotto dalla dieta , siccome (1) il bottinamento precoce è associato a resitrizioni della disponibilità di nutrienti [6], (2) ridotto volume o delle cellule Kenyon nei corpi fungiformi del cervello è associato con la transizione a compiti caratteristici di tarda età come bottinamento [32-34] e (3) i corpi fungiformi sono dove i segnali sensoriali sono integrati [35].
Ulteriore supporto all’ipotesi che l’invecchiamento è deregolato nelle api private di polline diviene evidente comparando i risultati del nostro studio ad esempi presenti in letteratura: juvenile hormone esterase (JHE; which degrades juvenile hormone), vitellogenin e hexamerin 70a.
Le nutrici hanno più alto livello di JHE in modo da evitare il passaggio a bottinatrici [36], dal momento che alto livello di ormone giovanile è associato ad inizio di attività di bottinamento . Si è osservato che sia per api nutrite con polline che per api prive di esso l’espressione di JHE è più alta in api di 8 giorni di età rispetto a quelle di età di 3 giorni. Tuttavia l’ordine di grandezza di questo aumento è maggiore nelle api sottoposte a carestia e questo aumentata espressione con l’età è significativa solo nelle api in carestia . Vitellogenina è presente ad un livello molto alto nelle api appena nate ,decresce leggermente ai giorni 1 e 2 dopo la nascita per poi raggiungere il picco a 3 giorni di età [37]. Poi costantemente decresce da questo più alto livello fino all’età approssimativa di 20 giorni. [38,39]. Nel presente studio, l’espressione di vitellogenina diminuisce come da aspettative nelle api ben nutrite di età 3 a 8 giorni di età , ma la differenza non è significativa . Le api prive di polline mostrano invece la tendenza opposta con espressione di vitellogenina che aumenta mano a mano che passano dall’età di 3 giorni a quella di 8 e il cambiamento di espressione è significativo .
Cunha et al. [40] trovano che il titolo di hexamerin 70a diminuisce dalla nascita ai 7 giorni di età. Non abbiamo riscontrato differenze nella espressione di hexamerin 70a in api vecchie versus api giovani quando esse sono ben nutrite . Invece, quando private di polline ,l’espressione è significativamente ridotta mano a mano che le api invecchiano . L’espressione aberrante di questi geni in api in carestia ancora suggerisce che l’invecchiamento è mal regolato in api prive di polline.
Questi risultati suggeriscono che in api nutrite con polline molta dell’attività genica nella carcassa addominale è concentrata sulla produzione di energia e stoccaggio.
In contrasto , api in carestia mostrano una espressione molto differente che include sovra regolazione dei meccanismi di risposta allo stress e nel caso dello sviluppo sensoriale il quadro è probabilmente correlato alla transizione verso il bottinamento precoce .
Conclusioni
Si riscontrano sostanziali cambiamenti nella espressione genica che avviene nella prima fase di sviluppo da adulta e, dovuta ad alimentazione sub ottimale dalla prima parte della “ vecchiaia “ . I cambiamenti indotti dalla dieta sulla trascrizione dei geni che avviene in età giovanile sono largamente un sottoinsieme di quelli che avvengono in tarda età , ma la maggior parte dei “ segni della fame “ è evidente solo nelle api più vecchie . IL processo di invecchiamento differisce quando le api sono private di polline e i dati confermano l’ipotesi che la dieta povera alteri il normale sviluppo relazionato all’età . Le preponderanti evidenze prodotte da questo e altri recenti studi [18,19] indicano che una adeguata dieta è critica per lo sviluppo delle api.
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