Genetyka pszczół

Wiadomości podstawowe

Dawid Henryk Buchalik

Źródło: „Pszczelnictwo” Praca zbiorowa pod redakcją Jarosława Prabuckiego, wydawnictwo promocyjne „Albatros”, Szczecin 1998.

Rozdział 2 „Postawy pszczelnictwa” - redaktor prof. dr. hab. Jerzy Woyke

2.7. Genetyka pszczół (s. 244-271) prof. dr. hab. Jerzy Woyke

Wprowadzenie

Podczas pracy hodowlanej niezwykle ważna jest znajomość praw dziedziczenia. Na początku powinny zostać wyjaśnione podstawowe pojęcia z genetyki, które maja odniesienie do pszczół.

Dziedziczność jest to właściwość organizmów polegająca na wydawaniu podobnego do siebie potomstwa.

Organizmy, mogą przejawiać właściwą im formę życia w pewnych określonych granicach. Oznacza to ze model strukturalny osobnika jest w zasadzie zespołem możliwości, zwłaszcza w zakresie pewnych reakcji chemicznych, które uwidaczniają się w właściwościach zarówno fizjologicznych, jak i biologicznych oraz morfologicznych. Ujawnianie się posiadanych możliwości zależy od warunków środowiska. Wiadomo na przykład że u pszczoły miodnej z takiego samego jaja może rozwinąć się zarówno matka, jak i inne robotnice. Rodzaj postaci żeńskiej zależy od pokarmu, jakim jest żywiona larwa. Dziedziczność należy więc rozumieć jako przenoszenie właściwości strukturalnych i funkcjonalnych z pokolenia na pokolenie.

Między osobnikami tego samego gatunku można zauważyć pewne indywidualne różnice. Występują one nawet w potomstwie jednej pary rodziców, a w wypadku pszczół - nawet wśród trutni pochodzących od tej samej patki, powstających bez udziału ojca. Występowanie różnic w obrębie cech jednego lub różnych osobników tego samego gatunku nazywane jest zmiennością, jej przyczyną jest zarówno niejednakowy skład związków dziedzicznych, czyli genów, które warunkują powstanie daje cechy lub cech, jak i odmienne oddziaływanie środowiska.

Pewne cechy pszczół, jak np. ubarwienie, obfitość czerwienia matki, łagodność itd. składają się na końcowy efekt rozwoju osobnika od jaja do postaci dorosłej. Organizm pszczół składa się z wielu komórek. Wszystkie powstają przez podział jednej komórki jajowej, w czasie którego w jądrze można zauważyć silnie barwiące się twory zwane chromosomami, których haploidalna liczba jest stała dla wszystkich osobników danego gatunku. W czasie podziału komórki jajowej wszystkie chromosomy dzielą się podłużnie. W wyniku takiego podziału, tzw. ,mitozy, każda z dwu potomnych komórek ma taka sama liczbę chromosomów, jak komórka macierzysta.

Matka pszczela, osiągnąwszy dojrzałość płciową, zaczyna składać jaja. W czasie ich dojrzewania zachodzą dwa następujące po sobie podziały, zwane mejozą. Pierwszy z nich jest dedukcyjny, a drugi p[przebiega tak jak mitotyczny. Pierwszy polega na tym, że połowa chromosomów przechodzi do jednego jądra, a druga połowa - do drugiego.

Z czterech tak powstałych haploidalnych jąder funkcjonuje tylko jedno. Trzy pozostałe tworzą tzw. Ciałka kierunkowe i ulegają resorpcji. W rezultacie w komórce płciowej pozostaje tylko połowa wszystkich chromosomów. Jedne z nich mogą pochodzić od matki, która złożyła jajo, a inne od jej ojca. Tak bardzo różne chromosomy, takie komórki płciowe o zredukowanej, tj. pojedynczej licznie chromosomów, nazwa się gametami, niezależnie od tego, czy chodzi o jajo, czy plemnik. W czasie zapłodnienia jaja przez plemnik następuje zlanie się jąder tych dwóch gamet. W rezultacie powstaje znowu jedna komórka o podwójnej licznie chromosomów są nazywane diploidalnymi.

Truteń rozwija się z jaja nie zapłodnionego, czuli jednej gamety bez zapłodnienia; ma on tylko pojedynczą liczbę chromosomów, tj. 16 i jest nazywany haploidem. Tak więc z genetycznego punktu widzenia truteń jest gametą właściwie nie należy go traktować jako następne pokolenie. Komórki płciowe trutnia maja pojedynczy zestaw chromosomów, w czasie dojrzewania plemników nie zachodzi zatem podział redukcyjny. W następstwie tego plemniki wytwarzane przez trutnia są - w przeciwieństwie do jaj wytwarzanych przez matkę - genetycznie jednakowe i stanowią uwielokrotnienie tej gamety, z której powstał truteń.

Geny znajdujące się w chromosomach ułożone jeden obok drugiego, podobnie jak paciorki jak paciorki na nitce. Każdy z nich zajmuje pewne określone miejsce - locus - w konkretnym chromosomie. W komórkach diploidalnych występują po dwa takie same loci. Dwa geny zajmujące analogiczne loci w parze chromosomów zwą się allelami. Mogą być one identyczne, lub zróżnicowane, obydwa jednak oddziaływają na tę samą cechę. Tak np. gen, od którego zależy biała barwa oczu, różni się od genu warunkującego ich czerń, każdy jednak z nich zajmuje takie samo miejsce w jednym z chromosomów homologicznych. Często zdarza się, ze jeden z nich wykazuje silniejsze wpływy na dana cechę niż drugi. Takie zjawisko nazywa się dominowaniem, a gen wywierający wpływ - dominującym. Natomiast gen nie ujawniający swego wpływu w obecności allele dominującego nosi nazwę recesywnego. Jeżeli jednak w komórce znajdują się dwa identyczne geny recesywne, to ujawniają one swój wpływ w organizmie.

Truteń może mieć w komórkach tylko jeden z alleli: albo tylko barwę czarną, albo tylko na białą. W rezultacie u trutni każdy gen recesywny ujawnia swój wpływ na organizm.

Organizm powstały z połączenia gamet i różnym składzie genetycznym w jednym lub więcej loci nazywa się heterozygotą. Matka o takim składzie genetycznym zawsze daje potomstwo niejednakowe, ponieważ jej gamety zawierają różne allele w tym samym locus. Jeżeli geny tego samego locus są w zygocie jednakowe, powstała z niej matka jest homozygotą. Produkuje ona jednakowe gamety i jeżeli ze strony ojca nie zostaną wniesione odmienne geny, daje jednakowe potomstwo.

Normalnie, geny są przekazywane z pokolenia na pokolenie w niezmienionym stanie. Zdarza się jednak czasem, ze jakiś gen ulegnie nagłej zmianie (mutacji); pociąga to za sobą zmianę odpowiednich cech. Jeżeli w wyniku mutacji powstanie kilka różnych genów, z których każdy może zajmować ten sam locus w chromosomie i każdy wywołuje odmienne wykształcenie tej samej cechy, mówi się o allelach wielokrotnych.

U osobników diploidalnych, oczywiście, mogą się znaleźć w jednej komórce jednocześnie tylko dwa z tych alleli. Pomimo, że w jednej komórce znajdują się po dwa allele każdego genu, nie zatracają one swej odrębności. W czasie dojrzewania produkowanych przez matkę jaj następuje podczas mejozy rozdzielenie się chromosomów, a razem z nimi i genów, określone jako segregacja.

Geny znajdujące się w różnych chromosomach segregują niezależnie jedne od drugich. W rezultacie w nie zapłodnionym jaju jedne z nich mogą pochodzić od matki danej matki, a drugie od jej ojca. Zdarza się jednak, że niektóre geny wywierające wpływ na zupełnie różne cechy przechodzą z pokolenia na pokole­nie, nie rozdzielając się. Takie zjawisko nazywa się sprzężeniem genów. Polega ono na tym, że geny te znajdują się w jednym chromosomie i wraz z nim są całą grupą przekazywane następnemu pokoleniu. Czasem zdarza się, że podczas me­jozy następuje wymiana odcinków homologicznych chromosomów. Wraz z tymi wymieniającymi się odcinkami przechodzą znajdujące się tam geny. Taka wy­miana części genów nosi angielską nazwę crossing - over.

Zespół wszystkich genów danego osobnika, czyli jego skład genetyczny, two­rzy tzw. genotyp. Zespól zaś wszystkich dostrzegalnych cech osobnika, decydu­jący o jego wyglądzie, zachowaniu, reakcjach itp. składa się na tzw. fenotyp. Zazwyczaj różnice w fenotypie są wynikiem współdziałania określonego geno­typu z określonym środowiskiem.

Różnicowanie się płci u pszczół

Na ogół komórka jajowa zamiera, jeśli nie wniknie do niej plemnik i nie nastąpi zlanie się obu jąder. U pszczół występuje zjawisko dzieworództwa, czyli partenogenezy, tj. zdolność do wydawania potomstwa z jaj nie zapłodnionych.

Partenogenezę u pszczół odkrył Dzierżon już w 1835 r. Stwierdził on, że matka, wskutek niezdolności do lotu (uszkodzone skrzydło) nie mogła być unasienniona. Zaczęła składać jaja nie zapłodnione, z których rozwijały się tylko trut­nie. Odkrycie to opisał w 1845 r., a udowodnił ostatecznie dopiero w 1853 r., kiedy sprowadził żółte pszczoły włoskie. Po skrzyżowaniu żółtych matek wło­skich z ciemnymi trutniami miejscowymi uzyskał potomstwo składające się z żółtych trutni, dziedziczących cechy jedynie po matce oraz z robotnic mieszań­ców dziedziczących je i po matce i po ojcu.

Cytologiczne badania Petrunkiewicza (1901), Mevesa (1907) i Nachtsheima (1913) dowiodły, że niezależnie od tego, czy matka została unasie­nniona, czy nie, trutnie powstają z jaj nie zapłodnionych, które mają haploidalną liczbę chromosomów, a matki i robotnice - z jaj zapłodnionych. Zapłodnione jaja mają wskutek wniesienia przez plemnik drugiego genomu diploidalną, tj. podwójną liczbę chromosomów. Nachtsheim (1913) dowiódł, że diploidalna liczba chromosomów u pszczoły miodnej wynosi 32, a haploidalną 16. W oogoniach znajdują się 32 chromosomy, a po podziale redukcyjnym w jaju nie zapłodnio­nym jest ich 16. W spermatogoniach znajduje się 16 chromosomów. Podczas spermatogenezy podziały zachodzą w ten sposób, że w spermatydzie, która na­stępnie przekształca się w plemnik, pozostaje 16 chromosomów.

Wyniki ostatnich prac dowodzą, że podstawowym czynnikiem różnicu­jącym pleć u pszczół nie jest liczba chromosomów, ani fakt, czy jajo zostało zapłodnione czy nie. Według tej nowej teorii, o płci osobnika decyduje dzia­łanie genu znajdującego się w locus X chromosomu płci w komórce jajowej lub dwóch takich genów w parze chromosomów jaja zapłodnionego.

Gen determinujący płeć wykazuje dużą zmienność, występuje on w postaci licznych alleli. Oczywiście w dawnym chromosomie w locus X może znaleźć się tylko jeden gen płci z całej serii alleli. Według omawianej teorii determinacja płci polega na tym że samice rozpiją się z jaj zapłodnionych - heterozygotycznych w locus X. Samce natomiast powstają z jaj nie zapłodnionych oraz tych zapłodnionych, które są homozygotyczne w locus X (Whiting 1940).

Mackensen (1955) wykrył u pszczół 11 alleli letalnych (śmiercionośnych). Laidlaw, Gomes i Kerr (1956) wykryli u pszczół w 65-pniowej pasiece w Brazylii 12 różnych alleli letalnych. Nie uzyskano natomiast żadnego trutnia z jaj zapłodnionych. Dokładniejsze obserwacje wykazały, że jaja znikały miqdzy trzecim a czwartym dniem po złożeniu ich przez matką. Mackensen doszedł do wniosku, że 50% jaj, z których nie otrzymał potomstwa, były to właśnie jaja homozygotyczne - aa lub bb , które u pszczół nie rozwijają się. Tak więc allele o których mowa, uznał za wpływające na żywotność. Homozygotyczna kombinacja tych alleli miała powodować zamieranie zarodków.

Występowanie śmiercionośnych alleli, ujawniających swe działanie w ja­jach homozygotycznych w locus X, potwierdzili również badacze japońscy Hachinohe i Jimbu (1958).

Ze wszystkich przeprowadzonych badań wyciągnięto wniosek, że z części zapłodnionych jaj od matki unasiennionej przez spokrewnione trutnie, nie wylę­gają się larwy. Wprowadzono więc termin "niskiej wylęgalności larw", a jaja takie określano mianem letalnych. Geny warunkujące zjawisko "niskiej wylęgal­ności larw" nazwano allelami letalnymi. Zagadnienie to zostało wyjaśnione w Zakładzie Pszczelnictwa SGGW. Woyke (1962) unasieniając sztucznie matki nasieniem ich braci spowodował, że produkowały one czerw rozstrzelony. Ze złożonych przez nie jaj rozwijało się jedynie 50% robotnic. Badając wszystkie jaja nie zauważył on jakichkolwiek nieprawidłowości w rozwoju tych, z których nie rozwijały się robotnice. Rozpoczął więc badania nad wylęganiem się larw z jaj wspomnianych matek. Po umieszczeniu plastra z jajami w cieplarce, okazało się, że wbrew poprzednim opisom, ze wszystkich wylęgły się larwy. Chcąc prze­konać się, czy podobnie dzieje się w pniu, odizolowano, przez zasiatkowanie, plaster z 3 dniowymi jajami. Okazało się, że również w ulu z większości jaj wylęgły się larwy. Wielu badaczy opisywało jednak, że 50% jaj zamiera. Możli­we więc, że dostęp pszczół do jaj powodował rozwijanie się słabszych zarodków. Aby zagadnienie to dostatecznie wyjaśnić, badano regularnie co 3 godziny pla­ster z jajami, obsiadany przez pszczoły. I w tym wypadku stwierdzono, że larwy wylęgały się ze wszystkich jaj. Znajdowały się one w komórkach również po 3 godzinach, ale po upływie dalszych trzech godzin pozostało ich jedy­nie 50%. Mylne więc okazały się wnioski o zamieraniu jaj. Larwy wylęgały się ze wszystkich jaj, a część z nich znikała dopiero w 6 godzin po wykluciu.

Zaczęto więc badać przyczynę znikania larw. W tym celu pobrano plaster z jajami od matki kojarzonej krewniaczo, od której uzyskano robotnice jedynie z 50% jaj. Aby nie stracić żadnej larwy, pozwolono im wylęgnąć się w cieplarce, a następnie sporządzono preparaty mikroskopowe ze wszystkich larw. Okazało się ze 50% larw stanowiły osobniki żeńskie, a drugie 50% - męskie. Tak więc zanikające z komórek pszczelich larwy były płci męskiej (Woyke 1963). Dalsze bada­nia mikroskopowe wykazały, że larwy trutowe rozwijały się z jaj, do których uprzednio wniknął plemnik (Woyke i in. 1966) i że jaja te miały 32 chromosomy

(Woyke i Knytel 1966) w przeciwieństwie do 16 w jajach pobranych z komórek trutowych. Tak więc larwy trutowe mogą rozwijać się również z jaj zapłodnio­nych, złożonych do komórek pszczelich przez matki kojarzone krewniaczo.

Używany w literaturze zagranicznej termin niskiej wylęgalności zastą­piono pojęciem niskiej przeżywalności, natomiast allele letalne nazwano allelami płciowymi .

Niezmiernie frapujące było pytanie, co dzieje się z larwami trutowymi, roz­wijającymi się z jaj zapłodnionych. Obserwacje prowadzone przed wylotkiem, jak i na dennicy ula nie wykazały, aby larwy były wyrzucane przez pszczoły na dno lub wynoszone poza ul. Skonstruowano więc do dalszych badań specjalny ulik. Umieszczono w nim odcięte od środkowej ścianki fragmenty plastrów, na­klejone na szybie zwróconej w kierunku obserwatora. W ten sposób można było wyraźnie obserwować (od strony dna komórki), jak matka składa jaja i jak wylę­gają się larwy. Obserwacje te wykazały, że część larw powstałych z kojarzeń wsobnych jest zjadana przez robotnice (Woyke 1963). Nie zauważono nato­miast, aby larwy te były mniej żywotne od pozostałych (Woyke 1963, 1965). Robotnice zjadały na żywo larwy, których ruchy można było wyraźnie zaobser­wować.

Zachodziło więc pytanie, dlaczego larwy te były zjadane, skoro nie odzna­czały się mniejszą żywotnością. Nasuwało się przypuszczenie, że znalazły się one w niewłaściwych komórkach, tzn. trutowe w komórkach pszczelich. Prze­prowadzono więc w tym kierunku specjalne badania. Plaster pszczeli z jajami umieszczono w cieplarce i trzymano w niej aż do wylęgnięcia się larw. Następnie wszystkie larwy przełożono do komórek trutowych i umieszczono w ulu. Naza­jutrz okazało się, że połowa larw została zjedzona; nie było jednak wiadomo, które z nich - pszczele czy trutowe? Po wygryzieniu się owadów dorosłych oka­zało się jednak, że zjedzone zostały larwy trutowe. Tak więc przyczyną zjadania larw trutowych wylęgających się z jaj zapłodnionych nie był ich rozwój w nie­właściwych komórkach (Woyke 1965c).

Postanowiono więc zbadać żywotność larw trutni z zapłodnionych jaj. Po­nieważ nie można było tego dokonać w ulu, gdzie larwy są zjadane, wychowy­wano je w cieplarce i tam karmiono mleczkiem pobranym z komórek plastra, lub z mateczników. Zgodnie z tym, co działo się w ulu, przypuszczano, że po upływie 6 godz. połowa wszystkich larw, tzn. wszystkie trutowe z jaj zapłodnio­nych, zamrą. Okazało się, że wszystkie żyły nie tylko po 6 i 9 godzinach, lecz prawie wszystkie również następnego dnia. Wielokrotnie udało się wychować większość larw do 5 dnia życia, kiedy to z łatwością można już zaobserwować

pleć. Okazało się, że mniej więcej połowę stanowiły larwy płci żeńskiej (robot­nice i matki), a drugą połowę larwy pici męskiej (trutnie) (Woyke 1963). Wiele larw wychowywanych w cieplarce przepoczwarczyło się. Teraz już z łatwością można było stwierdzić, że część potomstwa stanowią trutnie. Bardzo niewiele udało się doprowadzić do stadium owada dorosłego. Gorsze jednak wyniki uzy­skano, gdy w tych samych warunkach wychowywano larwy trutowe z jaj nie zapłodnionych, brane z komórek trutowych. Wskazuje to na fakt, że larwy trutni diploidalnych nie są mniej żywotne od larw trutni haploidalnych. Trudności uzy­skania całkowitego rozwoju w cieplarce wynikają jedynie z niedoskonałości sa­mej techniki wychowu w sztucznych warunkach (Woyke 1963).

Zachodziło więc pytanie, dlaczego larwy te były zjadane, skoro nie odzna­czały się mniejszą żywotnością. Otóż gdy włożono do jednej komórki dwie świeżo wyklute larwy, jedną - robotnicy, a drugą - trutnia haploidalnego, karmicielki przez kilka dni wychowywały obydwie larwy. Jeżeli natomiast jako drugą włożono larwę trutnia z jaja zapłodnionego, to robotnice zjadły oby­dwie. Wynika z tego wniosek, że larwy diploidalnych trutni wydzielają jakąś substancję powodującą ich zjadanie przez robotnice. Wydzielinę tę nazwano substancją kanibalizmu (Woyke 1969).

Okazało się, że larwy starsze niż 2 dni nie wydzielają tej substancji. Rezultaty opisanych badań pozwoliły na opracowanie skutecznej metody wychowu diplo­idalnych trutni. Polega ona na wychowie larw samczych przez 2 dni w cieplarce, a następnie na umieszczaniu ich w komórkach trutowych w ulu. W ten sposób uzyskano wiele dorosłych trutni z jaj zapłodnionych (Woyke 1969, 1971).

Używając do kojarzeń odpowiednio dobrane mutanty (np.. matka o żółtych oczach, a ojciec o brązowej barwie oskórka), zdołano stwierdzić, że wychowane trutnie pochodziły bezsprzecznie z jaj zapłodnionych (Woyke 1965, Woyke i Adamska 1972). W czasie rozwoju następuje poliploidyzacja komórek ciała wszyst­kich czterech postaci pszczół. Komórki somatyczne mogą mieć 64, 128 i więcej chromosomów. Przyjmując haploidalną liczbę 16 chromosomów za n, spotyka się średnio w komórkach ciała dorosłych trutni haploidalnych 7 n, trutni diploidal­nych i robotnic 8 n, a matek aż 10 n (Woyke i Król-Paluch 1985). Diploidalne trutnie są nieco większe od pochodzących z jaj nie zapłodnionych (Woyke 1977, 1978a, 1978b). Części ciała, które u trutni haploidalnych są większe niż u samic, wykazują więc u trutni diploidalnych cechy nad samców. Natomiast te, które u haploidów są mniejsze niż u samic, jak np. części gębowe, wykazują u trutni diploidalnych cechy interseksów (Woyke 1980). Najbardziej interesujące okaza­ło się jednak, że takie trutnie produkują plemniki o podwójnej liczbie chromoso­mów, tzn. 32 zamiast 16, jak u trutni haploidalnych (Woyke i Skowronek 1974, Woyke 1975, 1984b). Istnieje więc możliwość, że po unasienieniu matek takimi plemnikami można by uzyskać 48 chromosomów (nie zapłodnione jajo 16 + diploidalny plemnik 32).

Niestety diploidalne trutnie mają uwstecznione narządy rozrodcze, tak że dotychczas nie udało się pobrać od nich nasienia (Woyke 1973, 1974).

Larwy diploidalnych trutni pojawiają się nie tylko u pszczoły miodnej A. mellifera, ale również u pszczoły wschodniej A. cerana (Woyke 1979). Są one zjadane przez robotnice w późniejszym wieku niż u pszczoły miodnej (Woyke 1980).

Genetyczne podłoże determinacji płci u pszczół przedstawia się więc jak przed­stawiono na Ryc. Determinacja płci u pszczół. Jeśli heterozygotyczną matkę ab skojarzy się z nie spo­krewnionym trutniem (krzyżówka ab x c), to pierwsza generacja potomstwa z jaj zapłodnionych będzie heterozygotyczną - ac i bc, czyli będą to samice. Trutnie rozwiną się jedynie z jaj nie zapłodnionych a i b. Mieszańce między siostrami i braćmi w obrębie pierwszej generacji: ac x a, ac x b, bc x a, bc x b dadzą dwie grupy matek. U polowy zapłodnionych matek (w tym wypadku ac x b oraz bc x a) wszystkie trzy allele są różne. Natomiast draga połowa matek (ac x a) oraz (bc x b) ma jedynie dwa różne allele. A zatem 50% potomstwa będzie heterozygo­tyczną - ac lub bc, a 50% homozygotyczna - aa oraz bb. Samice rozwijają się z jaj zapłodnionych, które w chromosomie płci w miejscu (locus) X są heterozygotyczne w stosunku do alleli płciowych. Takie jaja mają dwa niejedna­kowe allele płciowe, np. ab, ch, ag, dj itd. Samce natomiast rozwijają się z jaj, które nie są heterozygotyczną Mogą to być albo jaja niezapłodnione, które z natury rzeczy mają tylko po jednym allelu, np. a, b lub c, albo homozygotyczne jaja zapłodnione, czyli ufające dwa takie same allele: aa, bb, cld itd. Larwy trutowe wylęgające się z jaj drugiego typu są w normalnych warun­kach zjadane przez pszczoły, co powoduje pojawienie się czerwiu rozstrze­
lonego (Woyke 1962b).

Różne sposoby powstawania pszczół

Zjawiskiem powszechnie spotykanym u pszczół jest powstawanie trutni z jaj nie zapłodnionych oraz samic - robotnic i matek z jaj zapłodnionych. Dotychczas opisano wiele innych sposobów powstawania pszczół, i to zarówno z jaj nie za­płodnionych, jak i z zapłodnionych. Najczęściej zachodzą tu jakieś nieregularności w czasie mejozy lub zapłodnienia. Schematyczne zestawienie tych sposobów podano na rycinie. W nie zapłodnionym jaju (A) może znajdować się tylko jedno jądro pierwotne lub też dwa jądra. W pierwszym wypadku powstanie haploidalny truteń, w drugim - truteń mozaikowy, partenogenetyczna samica lub postać gynandromorficzna.

Podczas zapłodnienia jaja zwykle wnika do niego kilka plemników. Najczę­ściej jednak tylko jeden zapładnia jajo, zaś pozostałe ulegają zwyrodnieniu (B). Jaja zapłodnione jednym plemnikiem mogą być jednojądrowe. Z jednojądrowych jaj zapłodnionych przez jeden plemnik może rozwinąć się bądź samica, bądź diploidalny truteń. Z dwujądrowego jaja zapłodnionego jednym plemnikiem roz­wija się gynandromorf.

W niektórych wypadkach drugi plemnik, lub nawet kilka dodatkowych, nie ulegają zwyrodnieniu biorąc udział w rozwoju pszczół (C). Jeżeli dwa plemniki biorące udział w dalszym rozwoju pszczoły pochodzą od różnych trutni, świad­czy to, że pszczoła ma dwu różnych ojców.

W takich wypadkach z jednojądrowych jaj rozwijają się gynandromorfy lub mozaikowe trutnie mające niektóre części ciała diploidalne.

Z jaj dwujądrowych zapłodnionych dwoma plemnikami rozwijają się mozai­kowe samice.

Szczegółowe omówienie wspomnianych sposobów powstawania pszczół podano w następnych rozdziałach.

Trutnie mozaikowe

Oprócz trutni haploidalnych, rozwijających się z jednojądrowych jaj nie zapłodnionych, oraz trutni diploidalnych, rozwijających się z jaj zapłodnionych, spotyka się jeszcze czasem trutnie mozaikowe. Są to osobniki, które mają tkanki ciała genetycznie niejednorodne. Otóż niekiedy zdarza się, że prócz jednego jądra pozostaje w jaju również normalnie aktywne jedno z ciałek kierunko­wych, jako drugie jądro. W rezultacie w nie zapłodnionym jaju znajdują się dwa jądra. W chromosomach tych jąder mogą istnieć geny warunkujące powstanie podobnego fenotypu. W takim wypadku roz­winie się truteń nie różniący się od innych. Jeżeli jednak w chromosomach tych dwu jąder znajdują się geny warunkujące powstanie różnych fenoty­pów, z jaja rozwiną się trutnie tzw. mozaikowe.

Opisano trutnie, których prawa część ciała była żółta, a lewa - czarna (Tucker 1958). Woyke (1962) znalazł mozaikowatego trutnia, który miał jedno oko czarne, a drugie ceglaste.

Matki i robotnice z jaj nie zapłodnionych

U pszczół nie tylko samce, ale również i samice mogą rozwinąć się z jaj nie zapłodnionych. Wychów matek i robotnic z jaj nie zapłodnionych zdarza się czę­sto u pszczół południowo afrykańskich (przylądkowych, kapsztackich) - Apis mellifera capensis i algierskich - Apis mellifera intermissa (Hewitt 1892, Onions 1912, Jack 1916, Gough 1928, Anderson 1963). U pszczół kapsztackich, z nie za­płodnionych jaj złożonych przez matki, rozwijają się trutnie, jednak z nie zapłod­nionych jaj złożonych przez trutówki rozwijają się robotnice.

Zjawisko partenogenetycznego rozwoju robotnic spotyka się również w znacznie mniejszym stopniu u pszczół ras i linii europejskich i amerykań­skich. Mackensen (1943) stwierdził, że na 13 nie unasiennionych matek kau­kaskich - trzy (23%) składały jaja, z których powstało kilka robotnic, spośród 11 włoskich tylko jedna (9%) składała takie jaja, a spośród 30 matek złotych amerykańskich aż 17 (57%) składało jaja, z których powstawał pewien od­setek robotnic. A więc powstawanie samic z niektórych jaj nie zapłodnio­nych przebiega różnie u różnych ras. Ani jedna matka nie dawała z jaj nie zapłodnionych więcej, niż 1% larw robotnic.

Woyke (1962a) przeprowadził badania nad potomstwem pszczół trutówek, dochodząc do wniosku, że ze składanych przez nie niezapłodnionych jaj powstało 2,3% pszczół robotnic. Trjasko (1965) uzyskiwała z niezapłod­nionych jaj matek 1,7 - 2,9% robotnic, a z jaj trutówek 2,2%.

Tucker (1958) oraz Verma i Rnttner (1981) doszli do wniosku, że w jajach takich następuje samozapłodnienie. Zachodzą mianowicie nieregularności w czasie mejotycznych podziałów dojrzewania jaj. Zamiast 1 jądra i 3 ciałek kierunkowych powstają 2 ciałka kierunkowe i 2 jądra. Te dwa jądra łączą się dając zygotę z jaja takiego rozwija się samica zawsze heterozygotyczna.

Badacze japońscy Hachinohe, Jimbu i Onishi (1958) wstrzykiwali matkom do odwłoka w okolice jajników 0,02 cm³ wodnego roztworu 0,01% kolchicyny. W następstwie tego z pewnej liczby niezapłodnionych jaj od niektórych matek rozwijały się robotnice i matki.

Gynandromorfy

Gynandromorfizm jest to pewna forma mozaikowatości. Gynandromorfy są osobnikami, w których ciele spotyka się komórki obu płci, tzn. jedne części ciała są samicy, a drugie samca. U pszczół pojawiają się np. osobniki, których prawa strona ciała jest trutnia, a lewa ma cechy robotnicy. Pojawiają się również pszczo­ły mające głowę trutnia, a odwłok robotnicy. Pierwsze wzmianki o tego rodzaju osobnikach wśród pszczół pojawiły się przed stu pięćdziesięciu laty. Osobniki takie powstają wtedy, gdy w jaju znajduje się jednocześnie jądro haploidalne i diploidalne (o różnych allelach płciowych). Z pierwszego rozwijają się tkanki samcze, a z drugiego - samicze. Pochodzenie tych jąder może być różne.

Gynandromorfy mogą powstawać zarówno z jaj niezapłodnionych, jak i z zapłodnionych. Powstawanie ich z jaj niezapłodnionych opi­sał Tucker (1958). Udało mu się uzyskać pięć gynandromorfów od niezapłod­nionych matek. Gynandromorfy te nie tylko miały części ciała robotnicy i trutnia, lecz także części trutowe były niejednakowe; jedne części oczu trutni były żółte, inne czerwone. Powstanie tych gynandromorfów tłumaczy się podobnie jak po­wstawanie mozaikowych trutni i partenogenetycznych samic. To znaczy, że w wyniku nieprawidłowego dojrzewania jaja powstają 2 haploidalne jądra; ulegają one jednak najpierw następnemu podzialowi, a dopiero potem dwa z nich łączą się, dając diploidalne jądro, z którego rozwijają się tkanki właściwe dla samic. Dwa pozostałe jądra nie łączą się ze sobą i każde z nich daje tkanki trutnia.

Już dawno opisywano powstawanie gynandromorfów z jaj zapłodnionych. W celu wyjaśnienia tych zjawisk wysunięto dwie hioptezy. Jedna z nich wy­kazuje, że w pewnych wypadkach jadro jaja dzieli się na dwa potomne przed wniknięciem do niego plemnika. Następnie jedno z tych jąder łączy się z plemnikiem, dając początek diploidalnym komórkom samicy, a drugie, nie zapłodnione, daje początek haploidalnym komórkom samca (Boveri, 1915,). Według drugiej teorii jądro dojrzałego jaja po zapłodnie­niu daje początek komórkom samicy, ale jednocześnie rozwija się samodzielnie jeden lub więcej plemników, które wniknęły do jaja. Z tych haploidalnych plemników powstają komórki samcze (Morgan 1905)

W stosunku do pszczół obydwie teorie znalazły potwierdzenie. Jednego żywego gynandromorfa, który powstał zgodnie z tą hipotezą, opisał Mackensen (1951). Drugiego natomiast, u którego części robotnicy pochodziły od obydwu rodziców, a trutnia od matki, uzyskał Woyke (1962a).

Również i druga z omawianych hipotez przyjmuje, że komórki robotnicy pochodzą od obydwu rodziców, ale samca tylko od trutnia. Potwierdzających tę drugą hipotezę przykładów dostarczyli Rothenbuhler, Gowen i Park (1952).

Zupełnie nieoczekiwany sposób powstawania gynandromorfów opisali Laidlaw i Tucker (1964). Otóż po wniknięciu dwu plemników do jaja, połą­czyły się one dając zygotę, z której rozwinęły się części ciała samicy. Jądro jaja pozostało natomiast nie zapłodnione; z niego rozwinęły się części ciała robotnicy. Tak więc części ciała robotnicy miały jedynie cechy dwu ojców, a trutowe cechy matki.

Z badań Rothenbuhlera (1955) wynika, że tendencja do pojawiania się gynandromorfów jest dziedziczna i zależy zarówno od genów, jak i od czynników cytoplazmatycznych. Powstawanie gynandromorfów jest jednak w większej mierze regulowane przez cytoplazmę jaja. Prawdopodobnie zachodzi zachwianie normal­nej działalności enzymów cytoplazmy jaja. W rezultacie tego nie zachodzi degene­racja ciałek kierunkowych i nadliczbowych plemników, które wniknęły do jaja.

Mozaikowe samice

Mozaikowe robotnice lub matki - to osobniki, których tkanki są genetycznie niejednorodne. Tak np. prawa strona ciaia robotnicy jest żółta, a lewa strona czarna, wśród ciemno zabarwionego oskórka występują plamki żółte, część oka jest bia­ła, a inna czerwona itp.

Pszczoły takie rozwijają się wskutek wystąpienia w jaju kilku (co najmniej dwu) różnych jąder diploidalnych. Diploidalne jądra mogą powstać zarówno w wyniku zapłodnienia, jak też połączenia się dwu jąder haploidalnych.

Taber (1955) unasienił matki o brązowej barwie pancerza (cordovan), co jest cechą recesywną, jednocześnie nasieniem trutni cordovan i trutni o ubarwieniu czarnym. Wśród 470 tysięcy robotnic ich potomstwa znalazł 14 z pancerzem częściowo brązowym, a częściowo czarnym. Powstanie takich mozaikowych ro­botnic Taber tłumaczy tym, że jaja miały 2 jądra komórkowe i każde z nich zosta­ło zapłodnione przez inny plemnik - jeden normalny a drugi o genie noszącym cechy cordovan . Częstotliwość pojawiania się tych mozai­kowych osobników wynosiła 0,006%.

Woyke (1962a) otrzymał od matki kolorowookiej zapłodnionej nasieniem trutni zwykłych oraz mutantów, robotnicę z jednym okiem żółtym, a drugim czarnym. Mogła ona powstać jedynie w skutek zapłodnienia dwujądrowego jaja plemnikiem normalnym i drugim o genie warunkującym barwę żółtą.

Jeszcze inny sposób powstawania mozaikowych robotnic opisał Woyke (1962a). Matka homozygotyczna pod względem dwu genów zmutowanych bk i cli (fenotyp „buff" = cielisty) została unasieniona nasieniem trutni o oczach normalnych i trutni o oczach zlocistozielonych (gen ch). Otrzymano od niej robotnicę mającą trójbarwne oko: czarne, złocistozielone i „buff". Jej powstanie tłumaczy się w następujący sposób: najpierw pojawiły się w jaju 4 haploidalne jądra. Dwa z nich zostały zapłodnione różnymi plemnikami - normalnym i o genie cli, co dało początek częściom oka o takiej barwie. Dwa pozostałe jądra haploidalne połączyły się, dając początek części oka „buff". W rezultacie po­wstała pszczoła robotnica mająca dwu ojców; jednocześnie pewne partie jej cia­ła pochodziły od matki, a pomimo to były tkankami robotnicy. Tak więc opisywany owad jest częściowo partenogenetyczną robotnicą, mającą dwóch ojców

Mutanty

Mutanty stanowią najlepszy materiał do badań genetycznych. Jeżeli zmiana dotyczy tylko jednej cechy, stosunkowo łatwe jest badanie mechanizmu dziedzi­czenia. Na podstawie reguł dziedziczenia mutacji wysnuwa się wnioski dotyczą­ce dziedziczenia cech gospodarczo ważnych. Dotychczas opisano 34 mutacje pszczół

Najlepiej dotąd zbadaną mutacją u pszczół jest pojawienie się osobników o oczach białych. Normalnie pszczoły mają oczy złożone barwy czarnej, gdy więc w rodzinie pojawią się osobniki białookie, lub z oczami innego jasnego koloru, można je łatwo zauważyć.

Michaiłów opisał mutacje pszczół bialookich już w 1931 r. Rothenbuhler, Gowen i Park (1952) opisali 3 mutanty z jasnymi oczami (kolorem zbliżo­nym do białego) i jednego z żółtozielonymi. Mutantom jasnookim nadano nazwy odpowiednio do odcienia barwy, a skróty tych nazw posłużyły do utworzenia symboli genetycznych: ivory (i) - kość słoniowa , cream (er) -kremowe i snow (s) - śnieżnobiałe. Zielonożółta mutacja otrzymała nazwę chartreuse (cli). Swierdzono, że wszystkie te mutacje są recesywne i nie są względem siebie allelami, tzn. że geny ich znajdują się w różnych loci chromosomów. Oczy mutantów o zabarwieniu: kości słoniowej, kremowym i śnież­nobiałym są epistatyczne (współdziałanie panujące w stosunku do genów z innych loci) w stosunku do zabarwienia chartreuse, to uzewnętrzni swe działanie jedynie gen kremowy

Gen warunkujący czerwoną barwę oczu znajduje się w tym samym locus co gen ch, jest zatem jego allelem. Aby zaznaczyć, że gen warunkujący czerwony kolor oczu (r) znajduje się w miejscu genu ch, przyjęto stosować symbol ch.

Gen śniadych oczu (st) jest allelem genu śnieżnobiałych oczu (s); po skrzy­żowaniu tych dwu mutantów uzyskuje się całkowicie niespodziewany rezul­tat - pszczoły czerwonookie (fenotyp genotypu s'/s).

Mutanta o oczach pomarańczowych (la) Woyke (1973b) znalazł w Bra­zylii w 1968r. wśród trutni rasy afrykańskiej. Nazwał go "laranja", co po portugalsku oznacza pomarańcza. Po uzyskaniu od niego potomstwa okaza­ło się, że zarówno matki, jak i robotnice mają oczy ciemnoczerwone. Jest to pierwszy gen, który daje inny fenotyp u samca, niż u samicy, a dzięki temu - bardzo cenny do dalszych badań; współdziałanie jego z genem złocistozielonych oczu cli daje fenotyp genotypu cii, la, o oczach prawie białych, a więc jaśniejszych, niż obydwie formy wyjściowe.

Woyke (1978a) zbadał również gen wywołujący fioletowe (v) zabarwie­nie oczu. Trutnie z taką cechą zostały znalezione przez Bobrzcckicgo w Norwegii. Niestety, gen v wykazuje cechy letalne, gdyż zarówno trutnie, jak i posiadające go homozygotyczne robotnice żyją nie dłużej niż 15 dni.

Z mutantów o zmienionym kształcie oczu opisano 3 zasadnicze typy. Po­łączenie się oczu złożonych na wierzchu głowy charakterystyczne jest dla pszczół tzw. cyklopów. Zmniejszenie liczby omatidiów u pszczół prowadzi do zredukowania u nich wielkości oczu złożonych (gen rj). Brak omatidiów (e) prowadzi do zaniku oczu złożonych. Trutnie z tą cechą są bezpłodne. Nie wykryto u nich jąder.

Normalna barwa oskórka pszczół jest czarna lub żóltopomarańczowa.

U mutantów ze zmienioną barwą oskórka bardzo interesujący jest gen ac, który występuje wyłącznie u samców i powoduje czarne zabarwienie oskórka odwłoka. Został on wykryty u pszczół afrykańskich - Apis »i. scutellata (Kcrr 1969). Wszystkie robotnice i matki są żółte, a trutnie - wyłącznie czarne.

Mutanty z recesywnym genem (c cordovan), warunkującym brązowe ubarwie­nie oskórka (Mackenscn 1951) były szeroko wykorzystywane w pracy hodowlanej i doświadczalnej. Obecnie bardzo rozprzestrzeniły się w obu Amerykach i w Euro­pie, znajdują się również w Polsce (Zakład Pszczelnictwa SGGW - AR).

Zanik włosków jest charakterystyczny dla mutacji czarnej choroby (S) oraz bezwlosowości (li).

Opisano szereg mutacji dotyczących nieregularności w rozwoju skrzydeł. Niektóre z nich charakteryzują się tzw. niepełną penetracją. Oznacza to, że cecha ta uwidacznia się u różnych osobników w niejednakowym stopniu.

Czasem zdarzają się również mutacje letalne, których skutki określa się w pszczelarstwie jako jaja płone

Wszystkie wyżej opisane mutacje są recesywne w stosunku do genów typu dzikiego, z wyjątkiem dwu mutacji dominujących, a mianowicie -..opuszczone skrzydła" (D) oraz „szczątkowe skrzydła" (Rw).

Biochemiczne podłoże barwnych mutacji oczu

Obecnie znane już jest biochemiczne podłoże barwnych mutacji oczu pszczół. Otóż normalne pszczoły, tak zwanego typu dzikiego, mają oczy bar­wy czarnej. Ubarwienie to zależy od barwników zwanych ommochromami. Barwniki te są związane z białkami, tworząc maleńkie kulki o średnicy 0,2 do 0,8 um w komórkach pigmentowych oka złożonego. Tworzenie się barwni­ków oka rozpoczyna się w stadium larwy na 4 dni przed przepoczwarczeniem się robotnicy (Woyke 1964) i trwa do 12 dnia po wyjściu z komórki (Dustman 1975). Barwniki te nie pojawiają się w oku rozwijającej się pszczoły od razu w formie ostatecznej, lecz przechodzą szereg przemian. Przemiana jednej sub­stancji w drugą powodowana jest działaniem specyficznych enzymów, kiero­wanych odpowiednimi genami (Dustman 1981). Stąd powstało powiedzenie: jeden gen - jeden enzym. Drogę biochemicznych przemian barwników oka pszczoły przedstawiono na rycinie. Najpierw w oku rozwijającej się pszczoły pojawia się substancja zwana tryptofanem.

Ryc. Schemat łańcucha przemian syntezy ommochromów i zakłócenia posz­czególnych etapów prowadzące do powstawania mutacji barwy oczu u pszczół, s - snow, s' - tan, i - ivory, i" - umber, cr - creame, p - pearl, bk - brick, ch - chartreuse

Pod wpływem enzymu zwanego oksygenazą tryptofanu przemienia się on w fornrylkinureninę. Jeżeli jednak na skutek mutacji zabraknie genu od­powiedzialnego za działanie enzymu, to wtedy tryptofan nie przechodzi dal­szych przemian, lecz gromadzi się najpierw w oku, potem w hemolimfie, a w końcu jest wydalany do jelita grubego. U rozwijającej się pszczoły przemia­na barwnika pozostaje tylko na tym pierwszym etapie. W rezultacie dorosła pszczoła ma wtedy oczy barwy śnieżno białej (s). W dalszym etapie enzym fomamidaza przemienia formylkinurenienę w kinureninę, która z kolei pod wpływem enzymu kinureniuo-3-hydroksylazy zostaje przemieniona w 3-hydroxykinyreninę. Jeżeli zabraknie genu odpowiedzialnego za powstanie tego ostatniego enzymu, wtedy rozwinie się pszczoła o nieco ciemniejszych oczach barwy kości słoniowej (0, lub umbry (/"). Wystarczy wstrzyknąć do oka pszczoły brakujące substancje, aby szybko nastąpiła synteza ommochromów, uwidaczniająca się ciemnym ubarwieniem oczu.

Wreszcie mutacja oczu kremowych (cr), różowych (p) i ceglastych (bk) nie powstrzymuje aktywności enzymu, lecz blokuje powstawanie kuleczek białka, do których u normalnych pszczół doczepiają się barwniki. W rezultacie, u mło­dych pszczół mutantów o kremowych oczach (cr), można stwierdzić w jelicie grubym duże ilości 3-hydroksykinureniny w postaci żółtego płynu.

Jeżeli kulki białka powstają i przyczepia się do nich żółta 3-hydroxyki-nurenina, która nie przechodzi dalszych przemian, to powstają pszczoły o oczach złocistozielonych (ch).

Dalszy niezidentyfikowany enzym prowadzi do powstania ostatniego etapu przemiany t.j. ommochromów. Początkowo ommochromy nie są zupełnie czar­ne, lecz nieco jaśniejsze. Jeśli zachodzą tu jakieś zakłócenia, powstają pszczoły o ciemnobrązowych oczach (gamet g). Barwnik ten utlenia się po kilku dniach, dając oczy barwy czarnej, jak u normalnych pszczół.

Nieregularności przemian biochemicznych i nagromadzanie się niektórych substancji w ciele pszczoły prowadzi nie tylko do powstawania barwnych mutacji, lecz powoduje również zmiany zachowania się robotnic (Łopatina i inn. 1980).

Dziedziczenie cech rasowych

Zbadanie dziedziczenia cech rasowych jest w wielu wypadkach bardzo trud­ne, gdyż często występowanie jakiejś cechy jest uwarunkowane wieloma gena­mi, co znacznie utrudnia badanie.

Ubarwienie

Na pozór wydaje się, że barwa oskórka pszczoły jest cechą, którą można naj­łatwiej zbadać pod względem genetycznym. Badania przeprowadzone przez Newella (1915), Armbrustera (1923), Zandera (1923), Watsona (1927), Go-etzego (1930) i innych wykazały jednak, że zagadnienie to jest o wiele trud­niejsze do rozwiązania, niż się początkowo wydawało.

Z licznych badań nad ubarwieniem pszczół można wyciągnąć następują-

1. Rysunek i intensywność barwy oskórka dziedziczone są niezależnie od siebie (Goetze, 1940).

2. Na odwłoku robotnic i trutni można znaleźć wszystkie przejściowe stop­nie ubarwienia, od całkowicie czarnego do całkowicie żółtego. Zander (1921) i Goetze (1930) ustanowili w związku z tym 10-stopniową skalę barw, a Armbruster (1923) - 9-stopniową.

Roberts i Mackensen (1951) skrzyżowali żółto ubarwioną matkę z czar­nym trutniem. Potomne heterozygotyczne matki produkowały robotnice o dużej zmienności ubarwienia, od żółtego do czarnego. Na tej podstawie doszli do wniosku, że istnieje przynajmniej 7 różnych genów warunkują­cych kolor odwłoka pszczół.

Obszerne badania nad ubarwieniem oskórka u pszczół przeprowadził Kulincewicz (1966, 1967). Krzyżując czarne pszczoły kraińskie z żółtymi stwier­dził, iż barwa oskórka zależy od wielu genów, t.zw. poligenów. Kolejne klasy ubarwienia nie rozkładały się jednak normalnie z największą częstotliwością pośrodku badanej populacji, jak wynikałoby to z losowej segregacji polige­nów. Zamiast tego w miejscu, gdzie powinien znajdować się szczyt rozkła­du, znajdowało się obniżenie. Po bokach natomiast uwidaczniały się 2 szczyty.

Zagadnienie dziedziczenia ubarwienia pszczół wyjaśnił dopiero Woyke (1977a). Ubarwienie pszczół można sklasyfikować według 10-stopniowej skali. Stopnie 1-5 dotyczą pszczół o stopniowo zmniejszającym się udziale barwy żół­tej; stopnie 6-10 obejmują pszczoły ciemne o stopniowo nasilającym się udziale barwy czarnej. U pszczół europejskich istnieją 2 główne allele ubarwienia: żółte­go (Y) i czarnego (y^bl)

Robotnice i matki rozwijające się z jaj zapłodnionych o genotypie Y/Y są żółte, a o genotypie y^bl/y^bl - czarne. Okazuje się, że allel warunkujący barwę żółtą jest dominujący w stosunku do kontrolującego ubarwienie czarne. Osobniki he­terozygotyczne o genotypie Y/y^ac są więc żółte. Na te główne geny działa około 7 modyfikatorów barwy. Modyfikatory a,b,c,d,e,f,g powodują rozja­śnienie ubarwienia, zaś A,B,C,D,E,F,G - jego przyciemnienie. Modyfikatory przyciemniające dominują nad rozjaśniającymi. Tak więc pszczoły o geno­typie Y/Y a/a b/b c/c d/d e/e f/f g/g są najjaśniejsze i stanowią klasę I; Y/y a/ a b/b c/c d/d E/E F/F G/G lub Y/Y a/a b/b c/c d/d E/e F/f G/g żółte, ale nieco ciemniejsze, a o genotypie Y/Y a/A b/B c/C d/D e/E f/F g/G lub Y/Y A/A B/ B C/C D/D E/E F/F G/G są żółte najciemniejsze i stanowią klasę V.

Podobnie jest z pozostałymi genami głównymi. Pszczoły o genotypie y^w/y^bl a/ a b/b c/c d/d e/e f/f g/g są ciemne z żółtymi narożnikami na pierścieniach odwło­ka, a o zapisie y^bl/y" a/A b/B c/C d/D e/E f/F g/G lub y^bly^bl A/A B/B C/C D/D E/e F/F G/G są zupełnie czarne. Pszczoły heterozygotyczne pod względem genów głównych Y/y^bl a/a b/b c/c D/d E/E F/F g/g są żółte, a zaszeregowanie ich do określonej klasy zależy od udziału modyfikatorów przyciemniających i roz­jaśniających ich ubarwienie.

Matka heterozygotyczna pod względem genów głównych produkuje dwie grupy trutni haploidalnych: żółte z głównym genem Y i czarne z głównym genem y^bl. W każdej z tych grup można wyróżnić wiele klas. Tak więc wyżej wspomniana matka produkowałaby trutnie żółte jasne YabcdEFg, ciemniejsze żółte Y A b c D E F G, czarne z jaśniejszymi narożnikami na pierścieniach y^blabcdEFg oraz zdecydowanie czarne y^blAbcDEFGJaki inne trutnie zaliczane do różnych klas w obrębie tych dwu grup. W ten sposób wyjaśniono, dlaczego heterozygotyczne matki dają dwie grupy haploidalnych trutni, a nie jedną wielką obejmującą wiele klas ubar­wienia, jak to się spotyka u mieszańców poligenicznych.

U pszczół europejskich, ekspresja ubarwienia jest podobna u wszystkich trzech postaci. Np. u pszczół włoskich żółto ubarwione są zarówno robotnice jak i matki oraz trutnie. U pszczół kaukaskich czarne są robotnice, matki i trutnie. Tak jednak nie jest u innych podgatunków. U pszczół afrykańskich A. m. scutellata, robotnice i matki są ubarwione żółto, a trutnie czarno. Spowodowane to jest występowaniem genu głównego y^ac. Robotnice i matki o genotypie y^ac /y^ac są żółe, aczkolwiek ich trutnie, zarówno haploidalne y^c, jak i diploidalne y^ac /y^ac , są czarne. Gen ten jest allelem recesywnym w stosunku do genu warunkującego barwę żółtą. Można to było stwierdzić dopiero po wychowaniu trutni diploidalnych (Woyke 1977a). Oka­zało się, że osobniki o genotypie Y/y"^c były żółte niezależnie od tego czy były samicami czy trutniami diploidalnymi. Wszystkie geny główne ubarwienia psz­czół nie są sprzężone z locus genu płci X (Woyke i Kerr 1989).

Woyke (1995) opisał ekspresję ubarwienia u innych gatunków pszczół. U pszczoły karliczki A. florea gen FI powoduje, że robotnice i matki są ubar­wione żółto, a trutnie czarno. Ubarwienie zależy więc od płci podobnie jak ma to miejsce u pszczół afrykańskich. U pszczoły buszu A. andreniformis i pszczoły wschodniej A. cerana odpowiednio geny An i Ce powodują, że robotnice mają na odwłoku żółte pasy, lecz matki i trutnie są czarne. Wreszcie u pszczoły ol­brzymiej gen Do powoduje, że robotnice są ubarwione żółto i czarno, a matki i trutnie jasno i ciemno brązowo. Ubarwienie tych ostatnich trzech gatunków pszczół nie jest więc związane z płcią, ale z płciowością. Osobniki płciowo do­skonałe, jak matki i trutnie, mają podobne ubarwienie - czarne, lub brązowe, które wyraźnie różni się od żółto-czarnego ubarwienia osobników płciowo nie­doskonałych, jakimi są robotnice. Jednak barwa matek i trutni pszczół tych sa­mych ras jest podobna to jednak sam wzór ciemniejszych zabarwień matki i trut­ni różni się. Potwierdza to opinię, że wzór i barwa dziedziczą się niezależnie.

Woyke (1997) stwierdził u niedawno opisanej czerwonej pszczoły z Borneo A. koschevnihm, że gen Ab powoduje iż wszystkie 3 postacie mają brązowe pasy na odwłoku. Jednak niektóre części ciała, które są pomarańczowe u robotnic, mają czerwono-brązowe ubarwienie u matek i trutni.

Istnieją wątpliwości czy niektóre podobne pszczoły jak karliczka i pszczo­ła buszu, lub pszczoła wschodnia i czerwona, powinny być uznane za odręb­ne gatunki. Przytoczona wyżej różna ekspresja ubarwienia u tych pszczół jest jednym z najważniejszych argumentów przemawiających za odrębnością gatunkową.

Cechy biologiczne

Cechy biologiczne mogą być również przedmiotem badań genetycznych. Wyraźne różnice w zachowaniu się pszczół, jak np. wczesne rozpoczynanie skła­dania jaj przez matkę i skłonność do rabunku u pszczół włoskich, albo dobre zimowanie i skrzętność w zbieraniu nektaru u krainek, wraz z tendencją do uży­wania małej ilości kitu (Nikołajów, 1950), są łatwe do badania i mogą być podda­ne analizie genetycznej. Według Albera (1959), używanie dużej ilości kitu przez robotnice jest cechą dominującą; skłonność do pozostawania na plastrach pod­czas przeglądu pnia oraz spokojne zachowanie pszczół i matek jest cechą recesywną w stosunku do ich płochliwości.

Właściwość pszczół polegająca na gromadzeniu zapasów blisko czerwiu jest cechą recesywną w stosunku do cechy składania ich z dala.

Sposób dziedziczenia obronności jest dość skomplikowany. Zjawisko to zale­ży w dużym stopniu od warunków zewnętrznych. Woyke (1992b) wykazał, iż robotnice tej samej rodziny wykazują istotne różnice w nasileniu tej cechy, za­równo w ciągu dnia, jak i w różnych porach roku.

Reakcja obronna pszczół nie jest prostą cechą genetyczną, lecz dzieli się na szereg składników. Rothenbuhler (1964ab) stwierdził, że żądlenie pszczelarza po otwarciu ula zależy od więcej niż dwu genów, a cecha żądliwości była rece­sywną. Po sprowadzeniu pszczół afrykańskich do Brazylii, Stort (1974,1975,1976, 1980) opracował metodę badania żądliwości, polegającą na zawieszaniu czarnej skórzanej kulki przed wylotem ula. Stwierdził, że czas od zawieszenia kulki do pierwszego użądlenia zależy od 4 par genów. Natomiast liczba żądeł pozostawio­nych w kulce jest kontrolowana przez dwie pary genów, każdy z allelem łagod­ności i żądliwości. Jeżeli w genotypie znajdą się przynajmniej dwa allele na łagodność, to pszczoły są łagodne. Odległość, na jaką podrażnione pszczoły po­dążają za człowiekiem, jest cechą poligeniczną, zależną przynajmniej od trzech par genów. Pierwsze pokolenie powstałe ze skrzyżowania pszczół łagod­nych i wysoce obronnych było łagodne, co wskazywałoby na dominowanie cechy łagodności nad dalekim ściganiem napastnika.

Collins i inn. (1980) wyróżnili etapy narastania obronności pod wpływem kolejnych podzców, a mianowicie: wzmożona czujność (alert). Poszukiwanie sprawcy, orientacja, atak.

Woyke (1992b) wykazał, że reakcja na te same czynniki jest odmienna u różnych gatunków pszczół. Pszczoły europejskie są łagodne podczas pożyt­ku, natomiast afrykańskie wykazują w tym okresie wzmożoną obronność.

Aktywność lotna jest odrębna u różnych podgatunków pszczół.

Pszczoły europejskie najaktywniej latają na pożytek w południowej po­rze dnia. Natomiast pszczoły afrykańskie A. m. adansonii najliczniej wyla­tują z ula wcześnie rano i wieczorem (Woyke 1992a). Pierwsze pokolenie powstałe ze skrzyżowania tych dwu podgatunków zbliża się aktywnością do pszczół afrykańskich.

Dziedziczenie cech ilościowych związanych z produkcją miodu

Większość gospodarczo ważnych cech pszczół, a zwłaszcza produkcja miodu, zależy nie od jednej, lecz od wielu par genów. Dotychczas nie zba­dano dokładnie procesu dziedziczenia miodności pszczół. Dlatego oparto się tu na fragmentarycznych badaniach, jak i na analogii do dziedziczenia podobnych cech u innych zwierząt oraz u roślin. Upraszczając, zakłada się, że produkcja miodu zależy jedynie od dwu par genów. Linia pszczół o ni­skiej produkcyjności miałaby skład genetyczny m/m,, mjm_r Przypuśćmy, że każdy gen m przyczynia się do produkcji 2 kg miodu w "danych warun­kach pożytkowych. Pnie tej linii produkowałyby zatem po 8 kg miodu. Linie pszczół o wysokiej produkcyjności miodu miałyby skład genetyczny M IM, M₂/M₂. Każdy gen M warunkowałby produkcję 4 kg miodu w tych samych warunkach. Tak więc pnie tej linii produkowałyby po 16 kg miodu. Po skrzy­żowaniu matek i trutni obydwu linii powstaną kombinacje genów przedsta­wione na Ryc.1. W F, wszystkie pnie będą produkować po 12 kg miodu.

Po skojarzeniu między sobą potomstwa pierwszego pokolenia zajdą kom­binacje, przedstawione na Ryc. 1. W wyniku tych kombinacji wystąpi duże zróżnicowanie produkcyjności poszczególnych pni. Po zgrupowaniu w klasy pni o jednakowej produkcji, otrzyma się zbiorcze wyniki przedsta­wione na Ryc. 2.. Wynika z niego, iż pojawiły się pnie o krańcowo niskiej i krańcowo wysokiej produkcji, jaka występowała u obydwu linii wyjściowych. Najwięcej będzie jednak pni o produkcji pośredniej. Jeżeli zsumuje się całą produkcję F, i podzieli przez liczbę pni, to okaże się, że średnia z pasieki wynosi 12 kg, a więc tak jak w F,. Jedynie w F, produkcja wszystkich pni była jednakowa lub prawie wyrównana, natomiast w F₂ jest bardzo zróżnicowana. Oczywiście matki F₂ jako bardzo niejednorodne, nie nadają się do sprzedaży lub rozprowadzania.

P

F₁

F₂

Zastosowanie genetyki populacji

Dotychczas omówione zostało dziedziczenie cech w potomstwie poszcze­gólnych matek. Interesujące są również zmiany dziedziczne zachodzące w du­żych populacjach pszczół, np. w populacji całego regionu po wprowadzeniu do niego nowych ras pszczół. Ostatnio bardzo modne stało się wprowadzanie do naszych pasiek matek rasy kaukaskiej lub kraińskiej. W związku z tym nasuwa się pytanie, czy po kilku pokoleniach dojdzie do zrównania względnej liczby genów pszczół krajowych i kaukaskich? Przypuśćmy, że do pewnego regionu wprowadzono 10% pszczół kaukaskich i rozpatrzmy ten przykład na podstawie Tab. 1 A, gdzie przedstawiono zmiany dotyczące tylko jednego łocus (genu)

.

Geny pszczół kaukaskich K występują w danym regionie z częstotliwością (frekwencją) p = 0,1 w stosunku do wszystkich genów pszczół danego regio­nu przyjętych za 1, natomiast geny pszczół krajowych k z częstotliwością q = 1 - p = 0,90. Jeżeli geny te będą „dobierać się" przypadkowo podczas loso­wych kojarzeń, to w F, otrzymamy genotypy KK + Kk + kk, których częstotli­wości wynoszą zgodnie z Tabelą 1 A.: p² + 2pq + q², a po podstawieniu liczb otrzymamy częstotliwości genotypów 0,81 + 0,18 + 0,01 = 1,00. U hete­rozygot Kk połowę genów stanowią geny K, a drugą połowę - k Jeżeli u po­tomstwa obliczymy częstotliwość wszystkich genów K i k, to okaże się, że stosunek K : k = 0,10: 0,90. Otrzymany więc stosunek genów będzie identycz­ny z tym, jaki występował u rodziców. Jest to zgodne z prawem Hardy'egoWeinberga głoszącym, że w populacji rozmnażanej losowo frekwencje genów me zmieniają się z pokolenia na pokolenie. Tak więc po wprowadzeniu na jakiś teren 10% genów pszczół kaukaskich, pozostaną one w nie zmienionym stosunku, jeżeli nie będą działać na nie czynniki eliminujące je z populacji (np. niepomyślne zimowanie) lub preferujące je (np. wysoka miodność).

Aczkolwiek frekwencja genów nie zmieni się w wyniku losowych koja­rzeń, to, jak widać z powyższego przykładu, pojawią się nowe genotypy, a mianowicie mieszańce. Jednak, nawet na skutek dowolnych niekontrolo­wanych kojarzeń, nie wszystkie pszczoły będą mieszańcami, (idy rozpa­truje się tylko jeden locus, to przy częstotliwości dwu alleli jak 0,9 do 0,1 wytworzy się jedynie 0,18 mieszańców w stosunku do całej populacji trak­towanej jako 1. Często interesuje nas. ile pozostanie czystych genotypów wprowadzonej populacji, a ile pierwotnej. Otóż zgodnie z przedstawionym wyżej wzorem, wprowadzonych pszczół kaukaskich K pozostanie tylko p^: = 0,01, a pierwotnej populacji k, q² = 0,81.

Wiadomo jednak, iż różne pszczoły różnią się nic tylko jedną parą genów. W Tabeli 1.B przedstawiono przykład dotyczący wyżej omawianej popula­cji, ale przy uwzględnieniu dwóch par genów w różnych chromosomach, a mianowicie a i h w populacji wyjściowej i A i B w populacji wprowadzo­nej. Na skutek losowego kojarzenia i niezależnej segregacji genów różnych chromosomów, prócz gamet czystych populacji pojawią się również gamety mieszańców, a mianowicie a. B i A. b. Frekwencja ich równa się iloczynowi poszczególnych genów, jak przedstawiono to w Tabeli 1.B.

Tabela 1.B. Frekwencja genotypów po skrzyżowaniu populacji o dwu parach alleli a/a i b/b z nową o allelach

	a,b 0.9 x 0.9 0.81	a,B 0.9 x 0.1 0.09	A,b 0.1 x 0.9 0.09	A,B 0.1 x0.1 0.01
a,b 0.81	a/a,b/b 0.6561	a/a,b/B 0.729	a/A, b/b 0.729	a/A, b/B 0.0081
a,B 0.09	a/a,b/B 0.729	a/a, B/B 0.0081	a/A, B/b 0.0081	a/A, B/B 0.0009
A b 0,09	A/a. b/b 0.729	A/a, b/B 0,0081	A/A, b/b 0,0081	A/A, b/B 0,0009
A.B 0.01	a/A. B/b 0.0081	A/a, B/B 0.0009	A/A. B/b 0.0009	A/A. B/B 0.0001

Frekfęcja genotypów przedstawionych w tabeli można obliczyć ze wzoru (p + q)²ⁿ, gdzie p oznacza frekwencję alleli jednej populacji, q drugiej, a n liczbę par genów w różnych chromosomach branych pod uwagę. Dla przedstawionego wyżej przypadku byłoby to (p + q)⁴ Frekwencja czystych geno­typów, pozostałych po losów m kojarzeniu, wynosiłaby dla populacji wyjściowej p²ⁿ = p⁴ = 0.6561, a dla wprowadzonej q²ⁿ = q⁴ = 0.0001. Widać więc, że gdy bierze się pod uwagę większą liczbę par genów, to frekwencja zarówno czystej populacji, jak i wprowadzonej pozostałej po losowym koja­rzeniu, zmniejsza się.

Różne wprowadzane populacje zwykle różnią się większą liczbą par genów. Ponieważ pszczoły mają 16 par chromosomów, więc mogą się one różnić 16 para­mi niezależnie segregujących par genów. W Tabeli 1.C. przedstawiono fre­kwencje oryginalnej populacji, pozostałej po losowym kojarzeniu w zależności od liczby rozpatrywanych par genów i częstotliwości nowo wprowadzonej populacji. Widać, że zwiększanie liczby różnych par genów i zwiększanie udzia­łu nowej populacji prowadzi do zmniejszenia częstotliwości populacji wyjściowej. Gdy nowowprowadzona populacja różni się chociaż tylko jedną parą genów w każdym z 16 chromosomów, to po wprowadzeniu 1%, 5% lub 10% nowych matek, pozostanie czystej oryginalnej populacji odpowiednio 72%. 19% lub je­dynie 3%. Tak więc, po wprowadzeniu 10% lub większej części nowej populacji, poprzednia oryginalna populacja praktycznie zniknie w stanie czystym.

Wszystkie informacje które zawarłem w tej pracy powinien posiadać każdy pszczelarz, który chce podjąć się pracy hodowlanej w własnej pasiece. Także znajomość podstawowych praw genetyki pomoże w uniknięciu wielu błędów podczas hodowli.

20

Determinacja płci u pszczół. Samice są diploidalnymi heterozygotycznymi w locus X. Samce są hemizygotami (haploidami,małe kółka), lub homozygotami(duże). Unasienianie siostry przez brata daje w F. albo 50% homozygot (diploidalne trutnie) i 50% heterozygot, albo 100% heterozygot. Unasienianie siostry przez 2 różnych braci daje 1/4 diploidalnych trutni i 3/4 samic (wg Woyke 1986)

F, p^: kk + 2pq kK + q^: KK = 1 F, 0,81 kk + 0,lSkK + 0,01 KK = 1