S nejnovějším rozluštěním včelího genomu (dědičné informace) se vyvalila lavina zcela nových překvapivých poznatků o těchto neúnavných opylovačích. Za každé třetí sousto, jež sníme, vděčíme právě jim! Proto je varující, že z přírody mizí nejen včely medonosné (domácí), ale i divoké.
„Život včel je jako kouzelná studna: Čím více z ní čerpáte, tím více vám toho nabízí.“ Slova rakouského vědce Karla von Frische, který získal v roce 1973 za výzkum včelích tanců Nobelovu cenu, se naplnila vrchovatou měrou, když mezinárodní vědecké konsorcium The Honey Bee Genome Sequencing Consortium zveřejnilo výsledky přečtení dědičné informace včely medonosné.
Díky genetikům z 90 institucí v Austrálii, Belgii, Brazílii, Dánsku, Francii, Izraeli, Japonsku, Kanadě, Německu, Novém Zélandu, Slovensku, Španělsku, Švédsku, Švýcarsku, USA, a Velké Británii jsme nyní do života včel nahlédli skutečně hluboko.
Včela je jedinečná
Včelstvo o 20 000 až 60 000 včelách medonosných tvoří jedno z nejpodivuhodnějších zvířecích společenstev. V přírodě jistě najdeme impozantnější uskupení, přesto je včelstvo jedinečné. Například hejna sarančí stěhovavých čítají až 10 biliónů jedinců a ti všichni dohromady váží 200 000 tun (to už by byl například pěkný náklad pro jednu velkou zámořskou cisternovou loď). Včelstvo je tedy ve srovnání s mrakem sarančat jen hrstkou. Žijí v něm v dokonalé harmonii a dělbě práce dvě generace – včelí matka a její dcery a synové.
Včely patří k takzvanému eusociálnímu hmyzu. Vytvářejí podobně jako mravenci nebo všekazi „stát“, dokonale fungující společenstvo, kde nic nevázne, i když je nikdo neřídí.
To také bylo jedním z hlavních důvodů, proč se po octomilce (Drosophila melanogaster) a komárovi (Anopheles gambiae) stala právě včela medonosná (Apis mellifera) třetím druhem hmyzu, kterému vědci kompletně přečetli dědičnou informaci.
Dalším motivem pro čtení kompletního včelího genomu byl obrovský hospodářský význam tohoto hmyzu. Včela medonosná totiž patří k hlavním opylovačů kulturních rostlin a zemědělských plodin. Za každé třetí sousto, jež sníme, vděčíme přímo či nepřímo včelám a jejich schopnosti opylovat květy.
Tanec řekne vše
Velkým zázrakem přírody jsou i „duševní výkony“ včel. Včelí mozek se skládá z pouhého milionu nervových buněk. To je miliontina množství neuronů, ukrytých v lidském mozku. Ještě překvapivější se však zdá fakt, že včelí mozek je jen čtyřikrát větší než mozek mušky octomilky, přitom rozdíl mezi společenským životem včel a octomilek je propastný.
Nejznámějším projevem „intelektuálních schopností“ včel je v hmyzím světě naprosto ojedinělá výměna informací prostřednictvím jejich „tanců“, které jsou, s výjimkou komunikace primátů, jedinou zvířecí symbolickou řečí. Obecně známy jsou tance v kruhu, které informují o výskytu bohatého zdroje potravy v těsné blízkosti úlu, a tance ve tvaru osmičky, které určují směr, kterým je třeba letět za potravou, i vzdálenost, jakou je třeba překonat.
Kromě nich byl v posledních letech odhaleny ještě dva další typy tanců. Pokud se dělnice vrátí s nákladem do úlu a zastihne tam větší počet včel, které již složily svůj náklad pylu či nektaru a nemají se k dalšímu letu, tančí dělnice jakýsi mobilizační „natřásavý tanec“. Tím láká lelkující dělnice na dno úlu a následně je ponouká k výletu za potravou. Pokud naopak dělnice zastihnou v úlu jen málo dělnic, starajících se donesenou potravu, volí jiný typ tance, kterým povolává ostatní dělnice do práce na plástech.
Co všechno si včela pamatuje?
Včely udivují i svou pamětí. Zapamatují si například vůni své kolonie a při letu za potravou se řídí nejen informacemi získanými z „taneční instruktáže“. Vnímají i charakteristické orientační body v krajině a zapamatují si současně umístění pěti lokalit, kde mohou najít potravu. Navíc si pamatují, v které denní době daná lokalita nabízí nejvydatnější pastvu. Pamatují si i barvu květů, jejich tvar a vůni. Při vědeckých experimentech prokázaly včely schopnost pracovat i s tak abstraktními pojmy, jako je „stejné“ a „různé“.
Velice překvapivá je individualita včelích dělnic. I když vypadají jako jednotvárná masa, při podrobnějším pohledu se u nich projevují překvapivé individuální rysy. Některé z létavek mají „dobrodružnou povahu“ a nedělají vlastně skoro nic jiného, než že podnikají průzkumné výpravy a hledají nové zdroje potravy. Jiné se raději drží dome v úlu a čekají s výletem až na výzvu průzkumnic.
Překvapivě málo genů
Analýzy včelího genomu odhalily, že se včelí DNA skládá z 260 milionů písmen dědičné informace a obsahuje asi 10 000 genů. To bylo pro „čtoucí“ vědce prvním velkým překvapením. Včelí genom je malý a na geny chudý!
Neplatí to ale jen ve srovnání s vývojově mnohem pokročilejšími savci včetně člověka, kteří mají ve třech miliardách písmen genetického kódu uloženo asi 22 500 genů. Včelí genom je malý i v porovnání s dosud známými genomy jiných zástupců hmyzu. Například v dědičné informaci octomilky Drosophila melanogaster bylo odhaleno 13 600 genů, komár Anopheles gambiae má ve své DNA 14 000 genů a bourec morušový zřejmě vděční za své vlastnosti 18 500 genům.
To jiný tvor nedokáže!
V jednom ale včela zcela překonává všechny zástupce pozemské fauny, a to v počtu tzv. crossing overů, tedy v „míchání“ dědičné informace při tvorbě pohlavních buněk.
Včela má genom rozdělen na šestnáct porcí čili chromozomů. Včelí matka se líhne z vajíčka oplozeného spermií a dědí 16 chromozomů od otce a stejný počet od matky. Celkem jich tedy má v každí buňce 32. Vajíčko má jen polovinu chromozomů a matka před touto redukcí prohazuje kusy chromozomů v každém ze šestnácti chromozomových párů tempem, jaké vědci zatím u jiného živočicha nepozorovali.
Ve srovnání s blízce příbuznými čmeláky nebo i vzdáleně příbuznými tvory, jako jsou červ Caenorhabditis elegans či člověk, provádí včela při tvorbě vajíček třikrát více výměn úseků DNA mezi odpovídajícími páry chromozomů. Je to projev adaptace na fakt, že se rozmnožování účastní jen nepatrný zlomek populace – jediná matka z desetitisíců jedinců tvořících včelstvo.
Trubec vzniká z neoplozeného vajíčka. Má jen jednu sadu šestnácti včelích chromozomů a tvoří pohlavní buňky, spermie, vybavené šestnácti chromozomy. S jejich obsahem nijak nemíchá, protože mu chybí druhá sada šestnácti chromozomů, pro výměnu úseků DNA.
Co má včela v genech?
Ve včelím genomu přitahovala pozornost genetiků sada genů, podle kterých si dělnice ve zvláštní hlavové žláze vyrábějí bílkoviny mateří kašičky, určené ke krmení larev, z nichž se vyvine budoucí matka. V této sadě je devět genů vzniklých „namnožením“ jediného genu, využívaného dávnými předky včel k produkci bílkoviny, ukládané do žloutku vajíček. Svědčí o tom i skutečnost, že pětice genů pro tvorbu bílkovin žloutku se nachází v těsném sousedství genů pro bílkoviny mateří kašičky.
Porce mateří kašičky podávané larvě dělnicemi tedy rozhodnou o tom, zda se z včelí samičky vyvine matka. I to je podivuhodný proces, v němž výživa drasticky mění aktivitu genů v těle včely a následně i produkci mnoha hormonů. Larva budoucí matky mobilizuje ve velkém geny pro enzymy, označované souhrnně jako oxidoreduktázy. Larvy dělnic uvádějí do chodu velký počet genů pro enzymy nazývané hydrolázy.
Rozdíly ve stavbě těla, a především pak v jeho fungování, je u matky a dělnice propastný. Matka vylučuje specifické „královské“ feromony, jimiž udržuje včelstvo pohromadě. Úžasná je její dlouhověkost. Žije obvykle rok až dva, což je desetinásobek života dělnice.
Matka má více genů pro dlouhověkost
Zatímco dělnice jsou většinou neplodné, matka klade denně asi 2000 vajíček.
V organismu matky dochází k jinde nevídané konstelaci genů pro dlouhověkost a plodnost. Včelí matka dosahuje na poměry říše hmyzu metuzalémského věku a přitom doslova hýří plodností. V přírodě obvykle plodnost a dlouhověkost ruku v ruce nechodí. Dlouhověcí živočichové přivádějí na svět jen málo potomků. Záplavu potomstva plodí naopak organismy s jepičím životem!
Podle očekávání je včela bohatě vybavena geny pro rozeznávání vůní. Pro tyto účely má v DNA 163 genů ve srovnání s 62 geny pro zachycení pachů u octomilky a 79 geny u komára anophela. Chuť včel je naopak velmi chabá. Jsou vybaveny jen 10 geny pro molekuly určené k rozeznávání chutí. Octomilky jich mají 68 a komáři anopheles dokonce 76. Včely tím ale nijak netrpí, protože jejich larvy si narozdíl od larev jiného hmyzu nehledají samy potravu a vše potřebné dostávají od dělnic v úlu.
Chuť, která by je chránila před konzumací nevhodné potravy, vlastně ani nepotřebují. Ani dospělá dělnice nemusí při pátrání po potravě spoléhat na chuť. Rostliny si vyvinuly důmyslné mechanismy, jak nalákat opylovače ke květům. Včely je vyhledávají čichem a zrakem.
Na co včely nestačí?
K překvapením patřila poměrně chabá genetická výbava včel pro imunitní obranu a odolnost k chorobám. Včely žijí v početných společenstvech, kterými se tak může jakákoli choroba snadno šířit. Zřejmě ale dokážou nákazám vzdorovat organizací a účelným chováním společenstva, které má celou řadu „hygienických návyků“ bránících rozvoji infekcí.
Stejně tak je včela jen chabě vybavena geny, které by jí dovolovaly vzdorovat nejrůznějším toxinům. I tady včely zřejmě spoléhají na složité instinkty, jež je před otravou chrání.
Společenské obranné mechanismy proti infekcím a otravám fungovaly velmi dobře v přírodních podmínkách. V podmínkách intenzivního chovu a průmyslového zemědělství ale nejednou nestačí. Dnes se včelaři a jejich „chovanky“ potýkají s ničivými nákazami i masovým napadením včel cizopasníky. Podobně ničí včely i chemikálie, znečišťující jejich životní prostředí.
Hrozí včelí krize?
Včelu medonosnou sužují masově rozšířené nemoci a cizopasníci. Jejich chovu nepřeje ani ekonomická situace. V mnoha zemích včelaři ruší chovy, protože nemohou konkurovat levnému importu medu např. z Číny. Zemědělci v těchto oblastech už pociťují úbytek včel na úrodě.
Na pokles výnosů si stěžují například kalifornští pěstitelé mandloní. K opylení sadů o celkové rozloze 220 000 hektarů (zhruba rozloha Lucemburska) potřebují celkem 1,4 milionu včelstev. To není jednoduchá záležitost. Američtí pěstitelé mandloní proto ve velkém importují včelstva z Austrálie. Americká včelstva jsou pro opylení mandloní časně zjara příliš slabá, v důsledku napadení chorobami a cizopasníky. Cena za nájem včelstva pro opylení mandloní už stoupla z 30 dolarů na pětinásobek.
Plochy mandloňových sadů by se v Kalifornii měly do roku 2012 rozrůst o 50%. Rentabilita jejich produkce bude do značné míry limitována dostupností včelstev pro opylení. Poslední zpráva vypracovaná vědci z National Research Council sice konstatuje, že v USA zatím nedošlo k „opylovací krizi“, ale její propuknutí bezprostředně hrozí.
Nenormální trubci
Pozoruhodné informace přineslo čtení včelího genomu o určení pohlaví včel. Z neoplozených vajíček se líhnou trubci s jednou sadou šestnácti včelích chromozomů. Samičky se vyvíjejí z oplozených vajíček a nesou v každé buňce těla dvě kompletní sady chromozomů. Pohlaví ale není určeno počtem chromozomových sad. Určuje jej gen csd („complementary sex dermination“, tedy „doplňkové určení pohlaví“).
Gen csd se vyskytuje v několika desítkách variant. Samičky, dělnice nebo matky, musí mít v každé buňce dvě různé varianty tohoto genu. Trubec má naopak jen jeden výtisk genu csd.
Zajímavý je osud včelích larev, které vznikly oplozením vajíčka spermií, ale zdědily od rodičů stejnou variantu genu csd. Líhnou se z nich trubci, které však dělnice okamžitě zabijí. Tento fakt komplikuje šlechtění včel.
Při výběru matek a trubců s určitými dědičnými vlastnostmi se zmenšuje spektrum variant nejrůznějších genů včetně genu csd. Stoupá tak pravděpodobnost, že při oplození budou vznikat jedinci s dvěma shodnými variantami genu csd. V takovém včelstvu klesá počet dělnic, protože na jejich úkor vznikají vybíjení „nenormální“ trubci. Včelstvo slábne a nakonec zanikne.
Pokud nedochází ke šlechtění, udržují si včely široké spektrum variant genu cds. Šance na zplození nenormálních trubců je velmi nízká a včelstvo prosperuje.
Odkud pocházejí včely?
Včela medonosná patří k desítce druhů sdružených pod jediný rod Apis. Devět z nich žije v Asii. Jen jediný, včela medonosná (Apis mellifera), sahá svým původním rozšířením mimo asijský kontinent. Je doma na rozsáhlém území sahajícím od subsaharské Afriky až do střední Asie a severní Evropy.
Samotný druh včela medonosná se dělí na více než dvě desítky poddruhů. Ty lze z genetického hlediska rozčlenit do čtyř odlišných skupin. Základem je africká skupina A, zastoupená např. včelami poddruhů Apis mellifera intermissa, Apis mellifera scutellata a Apis mellifera lamarckii. K nim mají překvapivě blízko včely západní a severní Evropy řazené do skupiny M a zastoupené poddruhy Apis mellifera mellifera (tzv. včela tmavá) nebo Apis mellifera iberiensis.
Podobně blízko má k africkým včelám medonosným i skupina O včel z Blízkého východu (např. Apis mellifera syriaca, kavkazská včela Apis mellifera. caucasica a Apis mellifera anatoliaca). Východoevropská skupina včel označovaná jako C a reprezentovaná poddruhem včely italské (Apis mellifera ligustica) a včely kraňské (Apis mellifera cranica) má blíže k včelám skupiny O než k včelám zbývajících dvou skupin.
Z toho lze usoudit, že se včela medonosná dostala do Evropy ve dvou po sobě jdoucích vlnách. První vlna zřejmě putovala přes Blízký východ a dala vznik plemenům včel z východoevropské skupiny C. Druhá putovala z Afriky přímo a stala se základem pro plemena skupiny M.
Geny zabijáckých včel
Včelaři jednotlivé poddruhy včely medonosné často křížili a vytvořili tak hybridní populace. Zřejmě nejznámějším případem je „afrikanizace“ včel v Jižní Americe.
V roce 1956 byly do Brazílie dovezeny matky náležející africkému poddruhu Apis mellifera scutellata. Tyto včely byly cíleně kříženy s importovanými včelami evropského původu. Vznikla včela, pro kterou je typické agresivní chování při obraně hnízda. Několik včelstev uniklo do volné přírody a podniklo jednu z nejznámějších živočišných invazí. Africké včely, přezdívané někdy jako „zabijácké včely“, se šíří Amerikou. Napadly už i lidi, kterým způsobily těžkou újmu na zdraví nebo je dokonce zabily.
Geny těchto včel znesnadňují chov včel pro hospodářské účely, především pro opylení kulturních plodin a pro získávání medu či dalších včelích produktů (např. mateří kašičky nebo propolisu).
Genetiky zajímalo, jaké genetické změny stály v pozadí vzniku „zabijáckých včel“. Jasněji máme až po přečtení včelího genomu. Původní americké včely vznikly křížením nejméně devíti poddruhů. Původní americké včely tedy nesou směsku znaků typických pro včely západoevropské, blízkovýchodní i východoevropské. Zabijácké včely sice nesou velký podíl genů zděděných po africké včele, ale zároveň si zachovaly i značný podíl „krve“ včel evropského a blízkovýchodního původu.
Afrikanizované včely však přitom vytlačily některé geny evropských včel ze své dědičné informace. Postihlo to především geny pocházející od východoevropských včel skupiny C. Geny západoevropských včel náležející do skupiny M si afrikanizované včely podržely. Důvod pro rozdílný osud genů dvou různých evropských včelích populací není jasný. Ztráta genů východoevropských včel skupiny C se může podílet na agresivním chování včel, protože kraňská včela náležející do této skupiny je proslulá svými „hodnými“ geny.
