Dokument: Genetic mechanisms underlying worker caste differentiation in the honeybee
| Titel: | Genetic mechanisms underlying worker caste differentiation in the honeybee | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=59817 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20230707-100542-7 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Sommer, Vivien [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Beye, Martin [Gutachter] Prof. Dr. Lunau, Klaus [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | honeybee, CRISPR, polymorphismus, sex determination, social behavior | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Advanced social insects display a unique form division of labor which is accomplished by sexual and caste dimorphisms. In the honeybee (A. mellifera) the female castes take upon vital tasks, as the queen reproduces, and the worker bees take care of the brood, hive, and foraging. To do so worker bees perform almost all tasks within the colony, requiring a task repertoire with up to 50 different tasks. Females and males are defined by cell-autonomous sex determination cascade. Caste-differentiation is regulated by differential nutrition, but little is known about caste is genetically specified during development. The transcription factor doublesex (dsx), a gene with female- and male-specific isoforms, specifies sexual dimorphisms and sex-specific behavioral traits in the fruit fly Drosophila. In this study I use CRISPR/Cas9 to target genes of the sex determining cascade. During sex determination in A. mellifera feminizer (fem) instructs female development and regulates sex-specific splicing of the downstream target Am-dsx. I show that worker bee pupae with a fem-mutation display large male-like reproductive organs and that a mutation of Am-dsx results in smaller and intersex reproductive organs. The gene fem is thus involved in the nutrition-depended genetic response for small size female development, Am-dsx however has a less pronounced effect on primary traits. Analyzing behavioral traits of Am-dsx mutants in a computer-based tracking I show that Am-dsx activity is essential for secondary caste-specific traits. I find that cell inspecting (CI) behavior, important for brood and cell care, is disrupted in Am-dsx mutants. Reduced frequencies of short CI (<5 sec) and long work in cell (WIC, > 5 sec) behaviors, indicate that Am-dsx activity is vital to program the initiation of such behaviors. Further, seems the sustainment of WIC tasks also to be dependent on Am-dsx activity, as time spent per WIC behavior is substantially reduced in Am-dsx mutants. As trophallaxis is significantly reduced and shorter in Am-dsx mutants, I conclude that Am-dsx activity is vital for developing traits specific for worker bees and essential for social group living. Behavioral defects are not due to disrupted locomotion, stimuli preferences or perception, but can rather be attributed to visible neuronal extra structures in the higher integration centers (mushroom bodies) I detected in 25 % of Am-dsx mutants. This is the first study to attribute the activity of a single gene, the Am-dsx gene, to the development of specific behavioral traits and neuronal specification in worker bees of A. mellifera, bringing research one step closer to understanding the origin of advanced social behavior.Soziale Insekten weisen eine einzigartige Form der Arbeitsteilung auf, die durch Geschlechts- und Kastendimorphismus erreicht wird. Bei der Honigbiene (A. mellifera) übernimmt die weibliche Kaste die lebenswichtigen Aufgaben, da die Königin für die Fortpflanzung zuständig ist und die Arbeitsbienen sich um die Brut, den Bienenstock und die Futtersuche kümmern. Dabei übernehmen die Arbeitsbienen fast alle Aufgaben innerhalb des Bienenvolkes, was ein Aufgabenrepertoire mit bis zu 50 verschiedenen Aufgaben erfordert. Weibchen und Männchen werden durch eine zellautonome Geschlechtsbestimmungskaskade definiert. Die Kastendifferenzierung wird durch unterschiedliche Ernährung reguliert, aber es ist wenig darüber bekannt wie die Kastendifferenzierung während der Entwicklung genetisch festgelegt wird. Der Transkriptionsfaktor doublesex (dsx), ein Gen mit Weibchen- und Männchen-spezifischen Isoformen, spezifiziert sexuelle Dimorphismen und geschlechtsspezifische Verhaltensmerkmale in der Fruchtfliege Drosophila. In dieser Studie verwende ich CRISPR/Cas9, um Gene der geschlechtsbestimmenden Kaskade gezielt zu mutieren. Während der Geschlechtsbestimmung in A. mellifera steuert, feminizer (fem) die weibliche Entwicklung und reguliert das geschlechtsspezifische Spleißen des nachgeschalteten Zielgens Am-dsx. Ich zeige, dass Puppen von Arbeiterinnen mit einer fem-Mutation männliche Fortpflanzungsorgane aufweisen und dass eine Mutation von Am-dsx zu kleineren und intersexuellen Fortpflanzungsorganen führt. Das Gen fem ist somit am Futter-abhängigen genetischen Signal für die geschlechtsspezifische Entwicklung beteiligt, Am-dsx hingegen hat eine weniger ausgeprägte Wirkung auf primäre Merkmale. Durch die Analyse von Verhaltensmerkmalen von Am-dsx Mutanten mit Hilfe eines computergestützten Tracking zeige ich, dass die Am-dsx Aktivität essenziell für sekundäre kastenspezifische Merkmale ist. Ich zeige, dass das Zellinspektionsverhalten (CI), das für die Brut- und Zellpflege wichtig ist, bei Am-dsx Mutanten gestört ist. Die verringerte Häufigkeit von kurzen CI- (< 5 Sekunden) und langen WIC-Verhaltensweisen (> 5 Sekunden) deutet darauf hin, dass Am-dsx Aktivität für die Programmierung der Initiation dieser Verhaltensweisen unerlässlich ist. Außerdem scheint die Aufrechterhaltung von WIC-Aufgaben ebenfalls von der Am-dsx Aktivität abhängig zu sein, da die für ein WIC-Verhalten aufgewendete Zeit bei Am-dsx Mutanten signifikant reduziert ist. Da die Trophallaxis bei Am-dsx Mutanten deutlich reduziert und kürzer in ihrer Dauer ist, schließe ich daraus, dass Am-dsx Aktivität für die Entwicklung von spezifischen Arbeiterinnen-Merkmalen und das Leben in sozialen Bienen-Gruppen essenziell ist. Die Verhaltensdefekte sind nicht auf eine gestörte Fortbewegung, Stimuli-Präferenz oder -Wahrnehmung zurückzuführen, sondern vielmehr auf sichtbare neuronale, extra Strukturen der höheren Integrationszentren (Pilzkörper), die ich bei 25 % der Am-dsx Mutanten nachweisen konnte. Dies ist die erste Studie, in der die Aktivität eines einzigen Gens, des Am-dsx-Gens, mit der Entwicklung spezifischer Verhaltensmerkmale und neuronaler Spezifizierungen bei Arbeitsbienen von A. mellifera in Verbindung gebracht wird, was die Forschung dem Verständnis des Ursprungs fortgeschrittenen Sozialverhaltens einen wichtigen Schritt näherbringt. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Genetik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 07.07.2023 | |||||||
| Dateien geändert am: | 07.07.2023 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 10.11.2021 | |||||||
| Datum der Promotion: | 18.02.2022 |
