معرفی جایگاه CSD و نقش آن در تعیین جنسیت زنبور عسل

نقش گرده افشانی زنبورعسل به قدری پررنگ است که ارزش اقتصادی تولیدات مستقیم زنبورعسل از قبیل عسل ، گرده، ژل رویال و سایر تولیدات آن، در مقایسه با نقش گرده افشانی آن بسیار ناچیز است. به طوری که در مطالعات مختلف نقش زنبورعسل در افزایش تولیدات کشاورزی دنیا را 60 تا 143 برابر ارزش تولیدات مستقیم کندوهای زنبورعسل، برآورد  کرده اند.

در ایران نیز تحقیقات انجام شده حاکی از ارزش اقتصادی 90 برابری زنبورعسل در گرده افشانی نسبت به تولیدات مستقیم آن دارد .امروزه در صنعت پرورش زنبورعسل عوامل و  پدیده های زیادی کلنی های زنبورعسل را تهدید و در نهایت باعث کاهش جمعیت و در نتیجه کاهش عملکرد کندوهای زنبورعسل میگردند.

یکی از این عوامل، هموزیگوتی آلل های جنسی ( نرهای دیپلوئید ) در کلنی های زنبورعسل و به دنبال آن کاهش تعداد  آلل های جنسی  میباشد. کاهش تعداد آلل های جنسی در اثر بالا رفتن همخونی حاصل آمیزش های خویشاوندی است، که بوجود میآید. آمیزش های خویشاوندی در زنبورعسل سبب افزایش هموزیگوسیتی آلل های جنسی در کلنی های زنبورعسل شده و بالا رفتن همخونی میشود.

در صورت عدم اطلاع زنبورداران از این عارضه و مدیریت غلط زنبورستان ها در فصل افزایش جمعیت ، کلنی های زنبورعسل صدمات زیادی را متحمل خواهند شد و  به تدریج قدرت سازگاری آنها با محیط کاهش یافته و در نهایت جمعیت کلنی های زنبورعسل و باروری و گرده افشانی گیاهان دچار مخاطره میشود .

ژنتیک زنبور عسل

اغلـب موجـودات دارای دو سـری کروموزومـی هسـتند، کـه هـر سـری آن را از یکـی از دو والـد خـود دریافـت  میکننـد. بـه ایـن موجـودات کـه حـاوی دو سـری ژن هسـتند، دیپلوئیـد گفتـه میشـود. در زنبورعسـل، جنـس ماده شـامل ملکه و کارگـر دارای دو  مجموعـه 16 کروموزومـی  ( 32 کرومـوزوم ) هسـتند. ( شـکل 1 ) کـه یـک مجموعـه 16 کروموزومـی آن را از اسـپرم زنبـور نـر و یـک مجموعـه 16 کروموزومـی آن از تخمـک ملکـه، دریافـت میکنـد. ایـن وضعیـت در مـورد زنبـور نـر متفـاوت بـوده و زنبـور نـر فقـط شـامل یـک مجموعـه 16 کروموزومـی اسـت کـه از ملکـه ارث  میبـرد. بنابرایـن زنبـور نـر هاپلوئیـد بـوده و تمامـی مـاده و صفـات ژنتیکـی اش را از مادر خود به ارث  میبـرد.

پیشنهاد میکنیم مقاله ” مبانی ژنتیک زنبور عسل ” را مطالعه کنید 🌹

• فرزندان نر هاپلوئید ( حاصل از  تخم های غیر بارور با نسبت 1:1 )
• فرزندان ماده دیپلوئید ( حاصل از  تخم های بارور با نسبت 1:1)

در شرایطی که یکی از آلل های ملکه مشابه جفت نرش باشد ( در اینجا زرد رنگ ) ، 50 درصد از ماده ها نر دیپلوئید خواهد بودتعییـن جنسـیت در ایـن جایـگاه بدین صورت اسـت کـه اگر در ایـن جایـگاه آلل هـا به صـورت هتروزیگـوت ( A1A2 ) باشـد تخـم تفریـخ شـده تبدیل به یـک فرد مـاده و اگر به صـورت همیزایگوت در حالـت هاپلوئید ( A1 یا A2 ) یا هموزیگوت در حالت دیپلوئید باشـد، فـرد متولـد شـده نـر خواهـد بـود.

 ولـی در حالتـی کـه آلل هـا در جایـگاه csd  به صـورت دیپلوئیـد هموزیگوت ( A1A1 یا A2A2 ) باشـد، فرد متولد شـده تبدیـل بـه یک زنبور نـر و در همان مراحل لاروی ( تقریبا ۶ سـاعت بعـد از تولـد ) توسـط زنبـوران کارگـر خـورده یـا نابـود میگـردد ، در نتیجـه در شـان های نـوزادان بعضـی از کلنی ها ، حجـرات خالی به صـورت پراکنـده در کنار سـلول های سربسـته مشـاهده میگردند .در بسـیاری از مواقـع ایـن پدیـده مشـخص کننـده هموزیگوتـی آلل هـای جنسـی در کلنی هـای زنبور عسـل میباشـد.

تعیین جنسیت در زنبور عسل

تقریبا تعیین جنسـیت در تمام موجودات از قبیل پسـتانداران از طریـق کروموزوم هـای جنسـی، کـه احتمـالا ایـن کروموزوم هـا دارای فاکتورهـای تعییـن جنسـیت هسـتند، صـورت  میگیـرد.ولی برخـلاف پسـتانداران جنسـیت در زنبورعسـل  به صـورت هاپلودیپلوئیـدی تعییـن میشـود. در ایـن سیسـتم تعییـن جنسـیت، نرهـا از تخم هـای تلقیـح نشـده ملکـه و بـه روش بکرزایـی متولـد میشـوند و تنهـا حـای یکسـری 16 تایـی از  کروموزوم هـا هسـتند . البتـه تاکنـون فرضیه های متعددی شـامل موازنه ـژنتیکـی، هاپلودیپلوئیـدی، ژنگاه هـای هتروزایگـوس چندگانـه، کروموزوم جنسـی و آلل های جنسـی چندگانـه در مورد زنبورعسـل ارائـه شـده اند.

تـا دهه هـای اخیر تصـور عمـوم بر این بود که تعیین جنسـیت در زنبور صرفـاً به صورت هاپلودیپلوئیدی تعییـن میگـردد، ولـی مطالعـات بعـدی پـرده از راز جنسـیت در زنبـور برداشـتند و علـت جنسـیت در زنبـور را آلل هـای جنسـی موجـود در جایـگاه تعییـن جنسـیت عنـوان کردنـد.

 بـر اسـاس نظریـه آلل هـای جنسـی، در زنبورهـای عسـل جنسـیت توسـط مکانیسـمی موسـوم بـه جایـگاه مکمـل تعییـن جنسـیت کنتـرل  میشـود . ایـن مطالعـات حاکـی از آن اسـت کـه جنسـیت در زنبور عسـل به وسـیله هتروزیگوسـی در یـک جایـگاه ژنـی بنـام جایـگاه تعییـن جنسـیت ( SDL ) کـه در نزدیکـی ژن csd قـرار دارد، تعییـن میشـود. جایـگاه csd ژن اصلـی تعییـن جنسـیت در زنبورهـای عسـل میباشـد و حالـت اصلـی تعییـن جنسـیت در حشـرات بال غشـائیان اسـت.

در مکانیسـم جایـگاه مکمـل تعییـن جنسـیت، ماده هـا از  تخم های بارور شـده با آلل هـای هتروزیگوس ( هتروزایگوسـی در ژن جایـگاه مکمـل تعییـن جنسـیت ) و نرهـا از تخم هـای نابـارور و تنهـا یـک آلـل بـرای جایـگاه مـورد نظـر ( که اصطلاحـا  همیزایگوسـی اطـلاق  می شـود)  بوجـود میآینـد.

تاریخچه کشف جایگاه ژنی آلل های جنسی در زنبور عسل

در اواسـط قـرن نوزدهم ( حدود 150 سـال قبل ) مشـخص شـد کـه  زنبورهـای عسـل نـر از تخـم نابـارور و ماده هـای آنهـا از تخـم بـارور متولـد  میشـوند . در دهه هـای بعـد محققـی بـه نـام ویتینـگ بـا توجـه بـه تحقیقاتـی کـه بـر روی یـک نـوع زنبـور پارازیـت به نـام Habrobracon  انجـام مـیداد ، موضـوع آلل هـای جنسـی را مطـرح کـرد.

ایـن مکانیسـم بـه ظاهر عجیـب برای تعیین جنسـیت، سیسـتم تولید مثلـی هاپلودیپلوئیـدی نـام داشـت و در بیشـتر گونه هـای بـال غشـائیان از قبیـل مورچه هـا، زنبورهای عسـل، برخـی زنبورهـای بی عسـل ، زنبورهای هـای برگ خـوار و کنه هـا نیـز مشـاهده شـد .

مسـئله تعییـن جنسـیت تـا قریب به یـک قرن مسـکوت ماند. تـا اینکه در سـال 1951 مکنسـن مشـاهده کـرد لاروهای زنبورعسـل در برخی از فامیل هـای زنبـور ، بـدون هیچ بیمـاری خاصی از بیـن میروند. مکنسـن بـا توجه بـه یافته های دانشـمندان روی گونه هـای دیگر ، فرض را بر این گذاشـت که جنسـیت توسـط یک جایـگاه خاص در زنبورعسـل تعییـن  میگـردد.

موضـوع آلل هـای جنسـی را روی زنبـور مـورد بررسـی قـرار داد و بحـث هموزیگوتی وکشـنده بـودن آلل هـای جنسـی را مطـرح کـرد. فرضیه مکنسـن بعدهـا بـا مطالعـات روی ملکه هـای زنبورعسـل کـه بـا تلقیـح مصنوعـی بـا نرهـای خویشاوندشـان، مـورد بررسـی بیشـتر قـرار گرفتـه و تایید شـد.

همخونی و ارتباط آن با جایگاه تعیین جنسیت

هموزیگوسـیتی آلل های جنسـی بر میزان جمعیـت و عملکرد کلنـی تاثیـر دارد. وجـود رابطـه منفـی بیـن هموزیگوتـی آلل های جنسـی و جمعیـت منطقـی میباشـد. چراکـه بـا افزایـش درصـد هموزیگوتی آلل های جنسـی و به دنبال آن کاهش رشـد جمعیت کلنـی، تمایـل کلنی بـه  بچه دهـی و تکثیر کم  میشـود و لـذا تولید زنبورهـا کاهـش مییابـد.

یکـی از واضح تریـن دلایـل کاهـش جمعیـت بـا افزایش هموزیگوتـی جایگاه مکمل تعیین جنسـیت ،حـذف تعـدادی از نـوزادان متولد شـده در زمـان لاروی ( تخم های دیپلوئیـد هموزیگـوت ) به دلیل شـرایط خـاص آنها اسـت.

بنابرایـن پیامـد منفی جایگاه تعیین جنسـیت مکمـل در زنبورعسـل، تشـکیل نرهـای دیپلوئیـد خواهد بـود، که منجـر به کاهش قـدرت یک کلنی زنبورعسـل  میشـود. از این رو اگـر یـک ملکه بـا یک ( یـا چند ) نر کـه دارای آلل مشـترک هسـتند جفتگیـری کننـد، نیمـی از فرزنـدان حاصـل از تخم هـای بـارور شـده تبدیـل بـه نرهـای دیپلوئیـد میشـوند. از آنجـا که یـک ملکه به طـور طبیعـی بـا 6-8 نـر جفتگیـری میکنـد، حداقـل اگـر 2 تا 3 زنبـور نـر دارای آلل هـای جنسـی متفـاوت از ملکـه باشـند، عواقـب منفـی تعییـن جنسـیت مکمـل ( نـر دیپلوئیـد ) را کاهش مـی دهد.

بـه هـر حـال در  جمعیت هـای زنبورعسـل به خصـوص آنهایـی کـه دارای زندگـی بسـته هسـتند و تنـوع ژنتیکـی کمـی دارند، تعـداد آلل هـای جنسـی CSD کاهش پیـدا میکنـد، بـه  گونه ای کـه باعث کاهـش زنده مانی نـوزادان و در نتیجـه کاهـش جمعیـت کلنـی میشـود.

همچنیــن بــا بــالا رفتــن درصــد هموزیگوســیتی آلل هــای جنسـی درکندوهـای زنبورعسـل بـه تدریـج باعـث کاهـش و یـا عـدم مقاومـت زنبورهـا در مقابـل آفـات و  بیماریهـای مختلـف کنــدو مــی شــود . ایــن محققــان نشـان دادنـد کندوهایـی کـه درصـد هموزیگوسـیتی پایین تـری در  آلل هــای جنســی خــود دارنــد، در مقابــل قــارچ بیماریــزای Ascophaera apis  مقاومـت بیشـتر و تلفـات کمتـری داشـتند .

Rinderer و همــکاران گـزارش کردنـد کـه همخونـی روی مقاومـت زنبورهـا بـه کنـه واروا ، کـه یکـی از مهمتریـن و خطرناکتریـن آفـات کنـدو در دنیـا و ایـران مـی باشـد، موثـر اسـت. ایـن محققـان نشـان دادند کــه کلنی هــای بــا درصــد هموزیگوســیتی کمتــر در آلل هــای جنسـی، رفتـار بهداشـتی بهتـری از خـود نشـان دادنـد و تلفـات کمتـری در مقابـل کنـه واروا داشـتند .

بر اسـاس نتایج مطالعات Lilia و همکاران کلنی های بـا درصـد هموزیگوسـیتی بـالا در آلل هـای جنسـی، مقاومـت کمتـری در مقابـل کنـه تراشـه ( Acarapis woodi ) زنبورعسـل دارنـد. همچنیـن نتایـج نشـان داد افزایـش هموزیگوسـیتی روی طـول عمـر زنبورهـای جمـع آوری کننـده شـهد و گـرده تاثیـر زیـادی داشـته و بطـور غیرمسـتقیم باعـث کاهـش تولیـدات کنـدو  میشـود .

بـا توجـه بـه مـوارد عنـوان شـده ، تعـداد آلل هـای جنسـی میتوانـد به عنـوان شـاخصی از همخونـی جمعیت هـای زنبورعسـل محسـوب شـود و ایـن عامـل بایسـتی بطور دوره ای جهت شـناخت وضعیت زنبورسـتان های پرورشـی و نیز در طراحی اسـتراتژهای اصلاح نـژادی، مورد توجه قـرار بگیـرد.

بنابرایـن تنهـا بـا توجـه بـه تعـداد آلل هـای جنسـی به عنوان شـاخصی از همخونـی و معطوف کردن توجـه زنبورداران بـه ایـن عامـل میتـوان از کاهـش بخشـی از جمعیـت کـه ناشـی از بـالا بـودن میـزان هموزیگوتـی زنبورستان هاسـت و در نهایـت کاهـش تولیـد عسـل را بـه همـراه خواهـد داشـت، جلوگیـری کـرد.

 ساختار جایگاه CSD

همانطور که در بخش همخونی آورده شد، همبستگی بسیار بالایی بین تنوع آلل های جنسی جایگاه csd و تعداد نرهای دیپلوئید ( به عنوان شاخصی قابل مشاهده از هموزیگوتی آلل های چایگاه  csd )  وجود دارد ، خوشبختانه با پیشرفت تکنولوژی های توالی یابی ژنوم، بررسی مولکولی و شناخت ساختار این جایگاه برای محققان این حوزه فراهم شده است.

در مطالعه  Kaskinova & Nikolenko ساختار دقیق عملکرد و مکانسیم تکاملی ژن csd  به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته است. در سال 1994 مکان ژنی جایگاه تعیین جنسیت با استفاده روش نشانگر ژنتیکی RAPD در دو آزمایشگاه از کشورهای آمریکا و آلمان روی ژنوم زنبورعسل تعیین شد.

 نتایج این مطالعات نشان داد که این ژن در  ناحیه انتهای تلومری کروموموزوم شماره 8 زنبورعسل قرار دارد. از آن به بعد مطالعات جهت شناسایی جزئیات این جایگاه مهم در زنبورعسل ادامه یافت. به طوری که تا به امروز مشخص شده است،  این ژن حاوی اطلاعات ژنتیکی زنانگی در زنبور عسل است. همچنین موقعیت دقیق ژن و جزئیات بیشتری از این ژن شناسایی شده است. این ژن حاوی 13 اگزون است و طول آن 11734 جفت باز است .

 نتایج هاسلمن و بای ، نشان داد اگزون های 1 تا 9 توسط دو ناحیه اینترونی طولانی به سه بخش مجزا تفکیک شده اند ( شکل 2 ) سـطوح پلی مورفیسـم در نواحـی کـد کننـده ی ایـن نواحـی ژنـی در سـه گونـه اصلـی و نزدیـک بـه هـم زنبورعسـل شـامل Apis mellifera ، Apis cerana  و Apis Dorsata حدود 7 برابر بیشـتر از بخش های غیر کد کننده ژن اسـت.

ناحیـه ژنومـی سـومین قطعـه مـورد بررسـی یعنـی اگـزون 6 تـا 9، بیشـترین پلیمورفیسـم را نسـبت بـه دو  ناحیـهی کـد کننده دیگر داشـت ، پروتئیـن کـد شـده توسـط ناحیه سـوم ژنوم ( اگـزون 6 تـا 9) حاوی تکرارهـای آرژنین-سـرین ( دوماین  RS ) و دومایـن غنی از پرولین هسـتند و بیـن ایـن دو دوماین یـک ناحیه آللـی با تنوع بسـیار بالا قـرار دارد.

به طـور تئوریکـی تعـداد آلل های CSD  میتوانـد بـه 116 تا 145 آلل برسـد. در حـال حاضر 87 آلل برای ژن CSD شناسـایی شـده اسـت.اگـر ملکـه و نرهـا دارای آلل هـای متفاوتی باشـند و ملکه بـا 6 الی 8 نر جفتگیـری کنـد، ترکیباتـی آللـی ممکـن ایـن ژن در یـک فامیـل میتوانـد بـه 12 تـا 16 ترکیـب مختلف برسـد.

جایــگاه csd حداقــل دارای 15 نــوع آلــل میباشــد کــه از لحــاظ اســیدآمینه در حــدود 3 درصــد  اســیدآمینه های خــود ، متفــاوت هســتند. Beye و همــکاران ژن csd را در Apis mellifera کلــون کردنــد .آنهـا دریافتنـد کـه هیـچ تفـاوت رونویسـی بیـن ایـن دو جنـس وجــود نــدارد، امــا از بیــن بــردن csd در کارگــران بــا RNA دو رشــته ای، منجــر بــه فنوتیپهــای نــر میشــود. جایــگاه csd پروتئیـن آرژینیـن ( Arginine ) را رمز گـذاری مـی کنـد. پروتئیـن csd زنبــور عســل بــا پروتئیــن دروزوفیلاتــرا ( نوعــی پروتئیــن دخیـل در تعییـن جنسـیت ) همخوانـی دارد. تحقیقـات تکمیلـی زیــادی در مــورد ژن csd در  Apis mellifera ، Apis cerena و Apis dorsata  انجــام شــده اســت.

بررسی مطالعات تنوع آللی جایگاه  CSD

همچنیـن وانـگ و همـکاران پلـی مورفیسـم ژن csd را در شـش زیرگونـه A.mellifera مـورد بررسـی قـرار دادنـد ، نتایـج نشـان داد کـه ژن csd  عامـل اصلـی تعییـن جنسـیت در زنبورهـای عسـل اسـت. در مجمـوع 79 هاپلوتیـپ از ایـن شـش زیـر گونـه به دسـت آمـد.

نتایـج همچنیـن نشـان داد، هرچنـد سـطح پلـی مورفیسـم در ناحیـه سـوم ژن بالاتـر اسـت ولـی ایـن تفـاوت در مقایسـه بـا تنـوع نواحـی اول و دوم معنـی دار نیسـت ، در مطالعـات دیگـر تعـداد متفاوتـی از آلل هـا بـرای ایـن جایـگاه شناسـایی و گـزارش شـده اسـت .

در مطالعـه Paolillo و همـکاران از اطلاعـات ژنومـی زنبورهـای کارگر مربوط به 125 کلنـی از 7 زیر گونـه Apis mellifera بـرای بررسـی تنـوع آللی جایـگاه csd اسـتفاده شـد. در این بررسـی تعـداد 138 آلـل بـا توالـی مختلف بـرای این جایگاه شناسـایی شـد .

 Hasselmann در مطالعـات دیگـر تنـوع آللـی برابـر 121 گـزارش شـد ، Lechner و همـکاران بـا اسـتفاده از اطلاعـات توالی هـای مربـوط به جایـگاه csd تعـداد 244 نمونه از سراسـر دنیا، تعداد آلل های شناسـایی شـده بـرای  جمعیت های محلـی Apis mellifera، 53 گـزارش شـد. ایـن تعـداد بـرای کل جمعیت هـای Apis mellifera  در سراسـر جهـان 87 آلـل گـزارش شـد.

؛؛  تفاوت هـای بـالا مربـوط بـه گزارشـات ارائه شـده به تنـوع و تعـداد نمونه هـای مـورد مطالعـه بسـتگی دارد.

بـه تازگـی، مطالعـه جامعـی بـر روی 652 توالـی ثبـت شـده بـرای جایـگاه csd در پایـگاه داده NCBI انجـام گرفتـه اسـت .نتایـج ایـن بررسـی کـه طیـف وسـیعی از نمونه هـا از سراسـر دنیـا را شـامل میشـود، در مجمـوع تعـداد 225 آلـل شناسـایی شـد. تعـداد بـالای آلل هـا در جایـگاه csd نشـان دهنده تنـوع ژنتیکـی بـالای زنبورعسـل اسـت کـه بخاطـر سـازگاری بـا شـرایط بسـیار متنـوع سراسـر جهـان هسـت. بـا ایـن حـال بایسـتی تعـداد آلل در جمعیت هـای زنبورعسـل پرورشـی، مـورد توجـه بـوده و مدیریت شـود

نتیجه گیری کلی

بـر اسـاس  نظریـه آلل هـای جنسـی، در زنبورهـای عسـل جنسـیت توسـط مکانیسـمی موسـوم بـه جایـگاه مکمـل تعییـن جنسـی ( csd ) کنتـرل  میشـود. تنـوع آللـی ایـن جایـگاه ژنـی بر میـزان جمعیـت و عملکـرد کلنـی تاثیـر دارد. پیامد منفـی جایگاه تعییـن جنسـیت مکمل در زنبورعسـل، بـا حذف نرهـای دیپلوئید در کلنـی ارتبـاط دارد کـه در نهایـت منجـر بـه کاهـش جمعیـت و قـدرت کلنـی  میگـردد.

بنابرایـن شـناخت و بررسـی ایـن جایـگاه بسـیار مهـم اسـت. امـروزه بـا اسـتفاده از  تکنیکهـای ژنتیـک مولکولـی، جزئیـات بیشـتری در ارتبـاط بـا جایـگاه csd مشـخص شـده کـه  میتوانـد در طراحـی  برنامههـای اصلاحـی و مدیریـت  زنبورسـتانها مـورد اسـتفاده قـرار بگیـرد .

• نویسندگان :
  • مهدی مخبر – استادیار گروه علوم دامی دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران
  • شبنم پری چهره – عضو هیئت علمی بخش تحقیقات زنبور عسل، موسسه تحقیقات علوم دامی کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران