Морфогенетические особенности популяций Apis mellifera Перемышльского и Дзержинского районов Калужской области

Генетическая  паспортизация — это получение  генетически детерминированных (индивидуальных и/или групповых) характеристик с помощью морфологических и/или молекулярных маркеров. Описание морфологических характеристик селекционного материала — элемент классического генетического анализа и селекционного скрининга, его можно считать первым этапом генетической паспортизации. Второй связан с разработкой и использованием биохимических и молекулярно-генетических маркеров (Монахова, 2009).

В настоящее  время проведение генетической паспортизации  — актуальная задача современной  селекции сельскохозяйственных животных, в том числе и селекции медоносной пчелы. Стихийная, бесконтрольная межпородная гибридизация пчел, проводившаяся на протяжении последних десятилетий, и отбор по полифакториальным, высоковариабельным в пределах нормы реакции признакам (обычно по признаку медовой продуктивности) привели к разрушению эволюционно сложившихся генетических комплексов отдельных пород и появлению межпородных гибридов с нежелательными фенотипическими признаками и непредсказуемыми комбинациями генетического материала. В результате этих процессов на фоне отсутствия систематического, целенаправленного отбора по генетическим маркерам произошло снижение всех хозяйственно ценных показателей исходных пород, и прежде всего неспецифической устойчивости пчел.

До последнего времени в пчеловодстве для оценки чистопородности использовали, как правило, морфофизиологические критерии: окраску тела, длину хоботка, особенности жилкования крыла, кубитальный индекс, яйценоскость маток и др., то есть показатели в той или иной мере подверженные влиянию абиотических факторов внешней среды. Так, реализация генетически обусловленных показателей яйценоскости маток в значительной мере определяется силой семьи, а недокормленность расплода приводит к уменьшению размера имаго пчелы.

В настоящее  время в мировой практике для паспортизации пород и индивидуальной паспортизации сельскохозяйственных животных используют преимущественно ДНК-маркеры, не подверженные влиянию факторов внешней среды. Это ядерные в основном микросателлиты (STR-маркеры) и маркеры митохондриальных ДНК (мтДНК). Использование митохондриальных маркеров имеет ряд преимуществ, связанных с особенностями наследования и организацией митохондриального генома.

Митохондриальный  геном — это совокупность генов  и некодирующих последовательностей  мтДНК. Он представляет собой кольцевую молекулу ДНК размером в среднем 16000–20000 пар нуклеотидов (п. н.). Разнообразие митохондриальных геномов в популяции — отдельный генетический ресурс: митохондриальный генофонд.

 Особенностью мтДНК как маркера является ее однородительское наследование: мтДНК передается по материнской линии (от матери к детям) в связи с поведением родительских митохондрий при оплодотворении. Число митохондрий в яйцеклетке на три порядка выше, чем в сперматозоиде, и даже если отдельные отцовские митохондрии попадают в яйцеклетку, то они блокируются на молекулярном уровне, и зигота получает только материнский набор митохондрий. Это обстоятельство приводит к отсутствию рекомбинаций в мтДНК, то есть мтДНК наследуется как единый гаплотип — набор тесно сцепленных локусов (Минченко, Дударева, 1990).

Скорость мутаций в  мтДНК примерно в 10–20 раз больше, чем в ядерной ДНК (Brown et al., 1979). В основном это связано с отсутствием  эффективных систем репарации и  активными окислительно-восстановительными процессами, проходящими в митохондрии. При этом накапливаются преимущественно селективно-нейтральные изменения, вносящие свой вклад в полиморфизм мтДНК (Минченко, Дударева, 1990). Так как рекомбинационная изменчивость в мтДНК отсутствует, то мутационный процесс оказывается единственным путем формирования ее полиморфизма. Сохраняющиеся и накапливающиеся мутации митохондриального генома таким образом оказываются отражением в эволюционной истории вида и отдельной особи.

Небольшой размер и высокое содержание в клетках мтДНК значительно облегчает исследование ее полиморфизма и позволяет эффективно изучать разнообразие митохондриального генофонда. В настоящее время структуру митохондриального генома активно используют для изучения эволюционных связей и определения породной принадлежности медоносной пчелы и других животных (Николенко, 2002). В последнем случае изучают первичную структуру маркерной области мтДНК между генами двух субъединиц цитохромоксидазы: субъединицы I и субъединицы II. Известно, что участок, расположенный между ними, образован последовательностью гена тРНК^Leu и сложными повторяющимися последовательностями, которые значительно отличаются от остальных участков по нуклеотидному составу Р и Q элементов (рис. 1). Элемент Р этих повторов длиной 54 п. н. состоит только из АТ-пар, а содержание этих нуклеотидов в элементе Q составляет 93% (Cornuet et al., 1991).

Структура повторов оказалась специфична для подвидов. У темной лесной пчелы исследуемый  участок представлен набором  фрагментов PQQ длиной около 600 пар нуклеотидов. Он включает 3’-область гена цитохромоксидазы I, ген тРНК^Leu, Р-элемент, Q-элемент, Q-элемент и 5’-конец гена цитохромоксидазы II (по Никонорову и др., 1988) (Монахова, 2009).

1.5.4 Генетическая природа роения

Несмотря на то, что уже более двух столетий пчела подвергается доместикации, процесс роения все еще остается самым неуправляемым элементом ее социального поведения. Считается, что это явление наносит большой экономический ущерб пчеловодству, поскольку в результате перехода семьи в роевое состояние уменьшается летная деятельность пчел, снижается медовая продуктивность. В связи с этим борьба с ним становится непременным условием рентабельного и рационального пчеловодства.

Основные причины роения чаще всего  связывают с абиотическими факторами: несоответствие силы семьи объему занимаемого пространства, что приводит к скученности, плохой вентиляции, изменению температурного режима и общего микроклимата улья. В связи с этим основная стратегия борьбы с ним сводится к раннему расширению гнезда, делению семей пополам, формированию отводков, а также к постановке магазинных надставок. Вооруженные такой стратегией начинающие пчеловоды средней полосы России приступают к расширению гнезда часто вскоре после облета, что наносит большой вред семье, не имеющей возможности поддерживать оптимальный тепловой режим в расширенном пространстве. Более того, в ряде случаев расширение пространства не предотвращает роение и, наоборот, некоторые скученно сидящие семьи, несмотря на прогнозы, не переходят в роевое состояние. Таких примеров мы можем найти немало. Сам по себе экологический климат улья не определяет необходимость вступления в роевое состояние, а лишь способствует его протеканию, растягивая или ускоряя его.

Вступление пчелиной семьи в  роевое состояние, носит необратимый характер. Его можно лишь с помощью известных приемов растянуть во времени, отсрочить. Именно это происходит тогда, когда в целях предотвращения роения выламывают маточники. Процесс «запущенного роения» нередко сохраняется и при делении семьи, пришедшей в роевое состояние, пополам: даже в безматочной ее половине. Заложив два свищевых маточника, пчелы отпускают рой с одной из вышедших молодых маток.

Для выяснения истинных причин роения мы предприняли попытку рассмотреть  это явление с точки зрения общебиологических и генетических представлений, сознательно опустив все стороны социальной реорганизации роевой семьи.

Генетический контроль размножения. Не вызывает сомнения, что роение как важный элемент размножения вида представляет собой наследственно детерминированный процесс, контролируемый генетически, то есть имеется целая система связанных между собой генов, которая определяет путь размножения пчелиной семьи: через тихую смену маток или роение. Оба типа размножения преследуют одну и ту же цель — продление рода. Оба они связаны с выводом новой матки, которая не является генетической копией старой, так как развивается из оплодотворенного яйца, получившего половину генов от отца. Однако свищевых маточников, как правило, несколько, количество же роевых может достигать нескольких десятков.

Какой же вариант размножения с  точки зрения генетических представлений  предпочтителен для вида? Какие преимущества для вида дает роевой способ размножения? Чтобы ответить на этот вопрос, определим  генетическое значение роения. Какой генетический смысл заложен в закладке большого числа маточников и отделении роя? Генетическое значение этого явления заключается в создании условий для увеличения комбинаторики родительских генов и селективного отбора наиболее приспособленных особей (маток). Комбинативная изменчивость генотипа осуществляется в результате меж- и внутрихромосомных рекомбинаций при образовании материнских половых клеток. Это дает большой спектр генетического разнообразия еще неоплодотворенных яиц, который усиливается после оплодотворения в условиях полиандрии.

С нашей точки зрения, роение представляет собой не только способ размножения, но и биологический механизм адаптации  к постоянно изменяющимся условиям среды.

О большом генетическом разнообразии маточников свидетельствует разнообразие их размеров, форм, скорости развития, но даже когда они кажутся фенотипически одинаковыми, вышедшие из них матки характеризуются большим генетическим разнообразием и различаются между собой как дети одной матери и одного или нескольких отцов. Отбор маток осуществляется пчелами и борьбой между матками и носит приспособительный характер. Таким образом, само по себе закладывание многочисленных маточников — прогрессивное явление, дающее преимущество виду, поскольку чем больше генетическое разнообразие маток, тем больше возможности для естественного отбора и процветания его в целом.

Другой важный момент роения характеризуется  делением семьи и сменой территории обитания. Улетевшая семья получает возможность не только освоить новые источники медосбора, но и встретиться с популяцией, имеющей иной спектр генетического разнообразия. Это позволяет избежать близкородственного спаривания и создает виду огромные преимущества. На отдельных изолированных пасеках и в географически изолированных популяциях в условиях неконтролируемого спаривания и близкородственного разведения (инбридинга) происходит накопление вредных рецессивных мутаций — (а). В гетерозиготном состоянии, то есть в комбинации (Аа), их действие не проявляется. Но с переходом в результате родственного скрещивания в гомозиготное состояние (аа) они проявляют свое действие, что в первую очередь может привести к эмбриональной гибели или проявиться в снижении жизнеспособности особей-носителей таких генотипов.

В селекционных программах всегда учитывается такой показатель, как инбредный минимум — максимально допустимое число родственных скрещиваний, превышение которого ведет к инбредной депрессии.

Таким образом, роение следует  рассматривать как своеобразный способ выхода из генетического плена гомозиготности к неродственному спариванию. Неродственное спаривание между особями отдаленных популяций способно одним актом оплодотворения перевести большое число генов в гетерозиготное состояние и тем самым вызвать эффект гибридной мощности (гетерозис) по многим показателям продуктивности, жизнеспособности и устойчивости.

Остается неясным вопрос: какими механизмами узнается и регулируется степень инбредного минимума? Предположительно, к ним можно отнести чрезвычайно полиморфную систему множественных аллелей sex-локуса, состоящую из 12 аллелей. Так, насыщение популяции одноименными рецессивными аллелями sex-локуса приводит к появлению гомозиготных по этим аллелям особей.

Гены пола в гомозиготном состоянии обладают полулетальным  эффектом. Личинки, несущие их, оказываются диплоидными трутнями со сниженной жизнеспособностью. Их удаляют рабочие пчелы на ранних стадиях развития, что создает картину пестрого расплода. Число таких нежизнеспособных личинок может достигать 50%. Какой процент расплода соответствует инбредному минимуму, не установлено. Однако 50% — это уже ситуация SOS, при которой противороевые приемы неэффективны.

Генетические  причины роения. Основная причина роения — это функциональное состояние генотипа матки, которое приводит к снижению жизнеспособности пчелиной семьи. Таких состояний генотипа, провоцирующего роение, может быть несколько: накопление рецессивных генов в гомозиготном состоянии (результат инбридинга); нестабильность генотипа у межпородных гибридов. Известно, что при таком скрещивании только у гибридов первого поколения наблюдается гетерозис, а в последующих — отмечается снижение функциональной активности. Это является результатом несогласованности работы генов разных пород в одном генотипе; акклиматизация южных пород в северном регионе. Недавними работами сербских авторов (Stanimirovic et al., 2005) было показано, что процесс экологической адаптации сопровождается структурными реорганизациями хромосом. При этом проявляется известное генетическое явление «эффект положения», при котором изменение положения гена приводит к изменению его функциональной активности. Любое географическое перемещение пород сопровождается структурной реорганизацией цитогенетической системы и последующим отбором наиболее удачных вариантов. Этот процесс представляет собой цитогенетический механизм адаптации; накопление вредных рецессивных мутаций в репродуктивных клетках старых маток, что приводит к появлению аномального потомства. К этому в значительной степени ведет использование химических методов защиты: бóльшая часть применяемых препаратов относится к разряду мутагенов. Таким образом, состояние генотипа при близкородственном разведении, межпородных скрещиваниях, у старых маток и перемещениях породы в иные условия существования требует стабилизации генотипа. Роение в свете вышеизложенного выступает как механизм отбора наиболее приспособленных генотипов.

В основе тихой смены  матки лежат физиологические  процессы, определяющие ее репродуктивное состояние.

Генетические основы роения позволяют объяснить целый ряд так называемых нештатных ситуаций, описанных выше. К их числу относится и роение семьи с молодой маткой, что может быть спровоцировано ее генетическими особенностями, то есть гомозиготностью. Действительно, стремление сохранить породу в чистоте с помощью географической изоляции создает для этого реальные условия. Природа включает механизм стихийного роения тогда, когда на изолированных пасеках происходит близкородственное разведение. Поэтому периодическая смена маток, отбор линий производителей, межлинейное спаривание с целью получения межлинейных гетерозисных гибридов — это генетическая стратегия любительского и промышленного пчеловодства.