Elucidation of the Gene Expression Pathways Associated with Brood Rearing and Swarming Behaviors in the Western Honey Bee, Apis mellifera

Abstract

The honey bee, Apis mellifera, is a social insect species, of which colony is composed with different castes: a queen, drones and workers (nurses and foragers). Honey bee sociality is maintained by organic interactions between colony members with differentiated labors. Brood rearing is a primary social behavior essential not only to achieve colony-level growth and reproduction for enhanced collection of honey and pollen but to maintain optimum colony size and conditions for maximizing colony fitness. Perturbation of normal worker behaviors in honey bee colonies by any external factor can immediately reduce the colonys capacity for brood rearing, which can eventually lead to colony collapse. To investigate the effects of brood-rearing suppression on the biology of honey bee workers, a gene-set enrichment analysis (GSEA) based on the transcriptomes of worker bees with or without brood rearing suppression was performed. When brood rearing was suppressed, pathways associated with both protein degradation and synthesis were simultaneously over-represented in both nurses and foragers, and their overall pathway representation profiles resembled those of normal foragers and nurses, respectively. Thus, obstruction of normal labor induced over-representation in pathways related with reshaping of worker bee physiology, suggesting that transition of labor is physiologically reversible. In addition, some genes associated with the regulation of neuronal excitability, cellular and nutritional stress and aggressiveness were over-expressed under brood rearing suppression perhaps to manage in-hive stress under unfavorable conditions. Honey bee colony swarms when colony population is crowded. Swarming is a natural method of that occurs in response to crowding within the colony. Honey bee swarming, another important social behavior, is a natural means of colony propagation, which occurs by changes of colony status (i.e. population size and queen condition) and environment condition (i.e. temperature and food condition). To investigate the changes in gene expression profile associated with swarming behavior, comparative transcriptome analyses of the same colonies before and after swarming were conducted. The GSEA revealed that three and six pathways, associated with genetic information processing and metabolism, respectively, were suppressed in the bees engaged in swarming (SG), whereas each of one pathway related with genetic information processing and metabolism was down-regulated in the bees remained in parental colony (RG) compared with pre-swarming (PSC) bees. As the cuticular hydrocarbon (CHCs) is an important chemical cue for honey bee communication, the CHC profiles of the individual worker bees from the colonies of pre- and post-swarming were compared. A total of 23 CHCs were detected by GC-MS, among which 12 compounds showed significantly differential expression patterns in each group of the bees (PSC, SG and RG) depending on swarming state. Relative proportions of ten and two CHCs were respectively changed in RG and SG, compared with PSC, during swarming.

대표적 사회성 곤충인 양봉꿀벌(Apis mellifera)은 한 마리의 여왕과 다수의 수벌 그리고 수 만 마리의 일벌(내역봉, 외역봉)로 구성되어 하나의 봉군을 이룬다. 이상적인 봉군 상태를 유지하기 위해서는 지속적인 육아 활동을 통한 일정 수준의 개체 수 유지가 필수적이다. 꿀벌의 육아는 다양한 요인(예, 기온, 먹이 자원 등)에 영향을 받으며, 외부 요인 변화에 의한 꿀벌(일벌) 집단 구성원의 행동 및 상태 변화는 즉각적으로 봉군 내 육아를 감소시킬 수 있고, 심할 경우 봉군의 붕괴를 유발할 수 있다. 꿀벌의 봉군 유지를 위한 중요한 사회성 행동인 육아 활동이 생물학적으로 일벌에 미치는 영향을 분석하기 위해서 육아 억제 또는 정상 육아 상태인 일벌의 전사체 분석을 기반으로 하는 gene set enrichment analysis (GSEA)를 수행하였다. 육아가 억제 되었을 때 내역봉, 외역봉 모두에서 정상 육아 내역봉, 외역봉에 비하여 단백질의 합성 및 분해와 관련된 유전자 경로가 공통적으로 증가된 활성을 보였으며, 육아 억제 내역봉, 외역봉의 전체적인 유전자 경로 패턴은 각각 순서대로 정상 상태 외역봉, 내역봉의 유전자 경로 패턴과 유사하였다. 정상적인 일벌의 육아 억제는 일벌의 생리를 재조정 할 수 있는 유전자 경로의 활성을 증가시켰고, 내역봉과 외역봉 간의 계급 변이가 양방향적인 것임을 확인할 수 있었다. 또한 육아 억제 상태에서 관찰 되는 신경 민감도(neuronal excitability), 세포 및 영양 스트레스(cellular and nutritional stress), 공격성(aggressiveness)과 관련된 유전자의 과발현은 일반적이지 않은 환경 상태에서 봉군의 스트레스를 조절하기 위한 것으로 추정되었다. 꿀벌의 분봉은 봄철 봉군 내 일벌 개체수가 일정 수준 이상으로 증가할 경우 구성원의 일부가 기존의 여왕벌과 봉군을 떠나 새로운 봉군을 형성하는 현상이다. 분봉에 참여하지 않는 집단은 새로운 여왕벌과 기존의 봉군을 유지한다. 꿀벌의 세계에서 각 개체의 안위 보다 봉군의 안정적인 유지가 더욱 중요하기 때문에 봉군을 늘리는 분봉이 진정한 의미의 꿀벌 종족 번식이라 할 수 있다. 분봉 현상은 봉군 내부(개체군 규모, 여왕벌의 상태 등) 및 환경(온도, 먹이 등) 등 다양한 요인들의 복합적인 작용에 의하여 발생한다. 꿀 생산이 주요 목적인 양봉가에서는 생산량 증대를 위하여 고밀도로 봉군을 유지하는 것이 중요하기 때문에 발생시 일벌의 손실 및 생산량의 감소를 일으킬 수 있는 분봉을 최대한 억제하기 위하여 노력한다. 육아 억제와 더불어 꿀벌 분봉이 일벌에 미치는 다양한 변화를 확인하기 위하여 분봉 전, 후 일벌 간의 전사체분석 기반 유전자 경로와 차등발현유전자를 분석하였다. 분봉전 일벌(pre-swarming; PSC)과 비교하였을 때, 유전 정보 가공 및 대사와 관련된 총 아홉 개의 유전자 경로의 활성이 분봉에 참여하여 기존 봉군을 벗어난 일벌(swarming group; SG)에서 감소하였으나, 분봉에 참여하지 않고 기존 봉군에 잔류한 일벌(remaining group; RG)에서는 두 개의 유전자 경로만이 감소 하였다. 분봉 전, 후의 각 시료 간 통계적 유의성을 보이는 차등발현유전자를 주요 기능(epigenetic alteration, CHC synthesis, sensory system)별로 구분하였을 때 분봉 전 일벌(PSC)에 비하여 대부분의 epigenetic alteration 관련 유전자는 분봉 참여 일벌(SG)에서, CHC synthesis와 sensory system 관련 유전자는 기존 봉군 잔류 일벌(RG)에서 변화함을 보였다. 분봉전(PSC)과 비교하였을 때 분봉 관련 유전자 경로의 변화가 대부분 분봉 참여 일벌(SG)에 집중된 것은 여왕벌의 부재와 개체군 감소를 제외한 모든 주변 환경이 분봉 전(PSC)과 동일하게 유지되는 기존 봉군 잔류 일벌(RG)과 달리 분봉 참여 일벌(SG)은 외부 환경으로의 완전한 노출에 적응하기 위한 것으로 사료된다. 곤충은 개체 간의 종 구분 및 다양한 의사소통 방법으로 큐티클 탄화수소 의 차이를 이용한다. 특히 꿀벌의 봉군은 계급간 분업화를 통하여 유지되기 때문에 봉군 유지를 위해서는 봉군의 상황 별 구성원들의 계급간 의사소통이 매우 중요하다. 분봉의 결과 각각 다른 여왕벌에 귀속된 서로 다른 두 개의 봉군을 구성하는 일벌로부터 23개의 큐티클 탄화수소를 확인하였으며 그룹간 발현 변화를 분석한 결과 분봉 전(PSC)과 비교하였을 때 두 개, 열 개의 탄화수소가 분봉 참여 일벌(SG)과 기존 봉군 잔류 일벌(RG)에서 각각 통계적으로 유의미한 발현 차이를 보였다. 종합하자면, 분봉 발생시 큐티클 탄화수소 구성 물질의 발현 변화 및 이들의 합성 관련 유전자의 발현은 분봉 전 일벌(PSC)과 비교하였을 때 분봉에 참여하지 않고 기존 봉군에 잔류하는 일벌(RG)에서 대부분 발생하였으며, 이는 기존의 여왕벌에 귀속되는 분봉 그룹(SG)과 달리 기존 봉군 잔류 그룹(RG)은 새로운 여왕벌에 귀속되기 때문인 것으로 생각된다. 이와 반대로 분봉 집단(SG)에서 주된 변화를 보이는 epigenetic alteration과 관련된 유전자의 변화는 새로운 봉군을 형성하는 과정에서 구성원간의 계급 재분배 및 급격한 환경 변화에 대한 적응을 위한 것으로 생각된다.