Kiến thức cơ bản về di truyền học ong mật

Bài viết này mô tả những kiến ​​thức cơ bản về di truyền học trong một đàn ong mật.

Con người và nhiều sinh vật khác là lưỡng bội, vì vậy con đực và con cái nhận nhiễm sắc thể từ cả bố và mẹ. Ngược lại, ong mật có hệ thống đơn bội. Khái niệm đơn bội có thể gây nhầm lẫn khi mới được giới thiệu. Bằng cách hiểu cách đơn bội ảnh hưởng đến sinh sản của ong mật, người nuôi ong có thể hiểu rõ hơn ảnh hưởng của các đặc điểm di truyền và cải thiện nỗ lực nhân giống.

Đơn bội

Ong mật có khả năng xác định giới tính đơn bội. Đặc điểm này phổ biến ở nhiều loài côn trùng và có ở ong, ong bắp cày và kiến. Từ đơn bội dùng để chỉ một sinh vật nhận một bộ nhiễm sắc thể duy nhất. Các cá thể đơn bội phát triển từ trứng chưa thụ tinh và là ong đực hoặc ong đực. Từ lưỡng bội dùng để chỉ một sinh vật nhận hai bộ nhiễm sắc thể, một từ mỗi bố mẹ. Các cá thể lưỡng bội phát triển từ trứng đã thụ tinh và trở thành con cái; Ong chúa hoặc ong thợ. Ong mật có 16 nhiễm sắc thể khác nhau, vì vậy những cá thể phát triển từ trứng đã thụ tinh sẽ có 2 bộ 16 nhiễm sắc thể (2 x 16 = tổng số 32 nhiễm sắc thể), trong khi những cá thể phát triển từ trứng chưa thụ tinh sẽ có một bộ 16 nhiễm sắc thể (1 x 16 = tổng số 16 nhiễm sắc thể; Hình 1).

Đơn bội thể ở ong mật. Ong cái có hai bộ nhiễm sắc thể (2n) và là lưỡng bội, trong khi ong đực chỉ có một bộ nhiễm sắc thể (n) và là đơn bội. Do đó, ong cái có mẹ và bố trong khi ong đực chỉ có mẹ. Hình ảnh do Michael Hill vẽ

Mối quan hệ

Một ong chúa có 16 cặp nhiễm sắc thể - một bộ trong số đó đến từ mẹ và một bộ đến từ bố. Khi ong chúa đẻ trứng, một nhiễm sắc thể của mỗi cặp được đưa vào trứng. Nhiễm sắc thể nào của mỗi cặp được đưa vào là ngẫu nhiên. Vì vậy, trung bình, trứng nhận được một nửa số nhiễm sắc thể của ong chúa và có 50% quan hệ họ hàng với ong chúa.

Một con ong đực có 16 nhiễm sắc thể, và chỉ có một bộ nhiễm sắc thể. 100% nhiễm sắc thể của ong đực đến từ ong chúa, vì ong chúa phát triển từ một trứng chưa thụ tinh. Tuy nhiên, vì ong chúa có 32 nhiễm sắc thể, mỗi ong đực không phải là bản sao của ong chúa và những con ong đực anh em sẽ không giống hệt nhau.

Khi tinh trùng của ong đực thụ tinh với trứng của ong chúa, con cái lưỡng bội (sẽ phát triển thành con cái) chia sẻ 100% gen của bố và 50% (trung bình) gen của mẹ. Do đó, con cái (chị em cùng cha khác mẹ) chia sẻ 75% vật chất di truyền của chúng và có 75% quan hệ họ hàng (Hình 2). Do đó, con cái của cùng một bố được gọi là "chị em siêu cấp". Những con ong thợ có bố khác nhau có 25% quan hệ họ hàng, vì tất cả các nhiễm sắc thể từ bố sẽ khác nhau. Ở người, anh chị em ruột (cùng cha cùng mẹ) trung bình chia sẻ một nửa (50%) DNA của nhau, vì vậy mối quan hệ họ hàng trong đàn ong mật là một chủ đề thú vị để khám phá. Thật vậy, các nghiên cứu từ Đại học Bang Pennsylvania đã phát hiện ra rằng gen của ong cha chi phối hành vi ích kỷ ở ong thợ, vì ong chúa thường giao phối với hơn 10 con ong đực, do đó gen của ong cha chỉ được chia sẻ bởi một nhóm nhỏ trong đàn (xem Galbraith và cộng sự, 2016). Ngược lại, gen được thừa hưởng từ ong chúa chi phối hành vi vị tha (xem Bresnahan và cộng sự, 2024).

Mối quan hệ họ hàng trong đàn ong mật

Ở người, giới tính đực hay cái được xác định bởi nhiễm sắc thể X và Y. Ở ong mật, giới tính được xác định bởi gen xác định giới tính bổ sung (csd). Gen là các đoạn DNA trên nhiễm sắc thể. Các phiên bản khác nhau của gen được gọi là alen. Gen csd có hơn 20 loại hoặc alen khác nhau. Khi một con ong thừa hưởng một alen duy nhất của gen csd, chúng sẽ trở thành ong đực. Ong chúa và ong thợ nhận được một phiên bản gen csd từ ong mẹ và một phiên bản khác từ ong bố. Hai alen nhận được gần như luôn khác nhau, vì vậy điều này báo hiệu rằng ong sẽ phát triển thành ong cái.

Nói một cách đơn giản, nếu ong có hai phiên bản khác nhau của gen csd, nó sẽ trở thành ong cái. Nếu chỉ có một phiên bản, nó sẽ là ong đực. Trong trường hợp ong bố và ong mẹ có cùng một alen csd - điều này có thể xảy ra nếu ong đực và ong chúa có quan hệ họ hàng gần do cận huyết - hai bản sao giống hệt nhau của gen csd có thể được di truyền từ cả bố và mẹ, tạo ra ong đực lưỡng bội. Khi một quả trứng nở ra với những đặc điểm này, ong thợ sẽ cảm nhận được điều này và sẽ tiêu diệt ấu trùng. Dấu hiệu rõ ràng nhất của điều này là kiểu đẻ trứng theo kiểu "shot", trong đó nhiều ô đẻ trứng trống rỗng (Hình 3).

Sản xuất trứng: Giảm phân và Tái tổ hợp

Quá trình sinh trứng, quá trình tạo ra trứng, diễn ra trong buồng trứng của ong chúa. Trứng được tạo ra bởi một quá trình gọi là giảm phân. Giảm phân còn được gọi là phân chia giảm, vì một tế bào có 16 cặp nhiễm sắc thể được tạo thành hai tế bào (trứng) với một bộ 16 nhiễm sắc thể mỗi tế bào. Mỗi trứng chứa một bộ 16 nhiễm sắc thể từ ong chúa, nhưng không phải tất cả đều giống nhau. Chúng có thể là bất kỳ tổ hợp nào của 32 nhiễm sắc thể mà ong chúa thừa hưởng từ bố mẹ. Ví dụ, một trứng có thể có nhiễm sắc thể 1 và 2 từ bố ong chúa, còn trứng kia có nhiễm sắc thể 1 từ bố ong chúa và nhiễm sắc thể 2 từ mẹ ong chúa.

Quá trình giảm phân cũng bao gồm một số sự pha trộn gen thông qua một quá trình gọi là trao đổi chéo hay tái tổ hợp. Trao đổi chéo mô tả một quá trình xảy ra trong quá trình giảm phân, trong đó các nhiễm sắc thể từ bố mẹ ong chúa xếp hàng và trao đổi các đoạn DNA tạo ra các alen pha trộn. Ong mật có tỷ lệ trao đổi chéo cao nhất trong số các loài động vật, nhấn mạnh động lực tiến hóa hướng đến sự đa dạng di truyền.

Những quả trứng do ong chúa tạo ra không giống hệt nhau - do sự phân ly độc lập của các nhiễm sắc thể và sự tái tổ hợp - và do đó có sự đa dạng di truyền giữa các quả trứng của cùng một ong chúa.

Sinh trứng ở ong mật. Mười sáu cặp nhiễm sắc thể tách ra, với một số DNA trao đổi chéo, tạo ra nhiễm sắc thể mới. Trứng thu được có sự đa dạng di truyền cao và chứa một bộ 16 nhiễm sắc thể.

Sản xuất tinh trùng: Giảm phân không hoàn chỉnh

Quá trình sinh tinh, tức quá trình tạo ra tinh trùng, diễn ra trong tinh hoàn của ong đực. Tinh trùng được tạo ra thông qua quá trình giảm phân không hoàn chỉnh. Vì ong đực là đơn bội, nên tế bào mầm hoặc tinh trùng không trải qua giảm phân hoàn chỉnh. Các tế bào tham gia vào quá trình sản xuất tinh trùng đã là đơn bội, chỉ có một bộ 16 nhiễm sắc thể, do đó không cần phải giảm số lượng nhiễm sắc thể (thông qua giảm phân thực sự). Do đó, sự trao đổi chéo không thể xảy ra. Thay vào đó, một bản sao nhiễm sắc thể của ong đực được tạo ra. Mỗi tế bào tinh trùng do một ong đực tạo ra là một bản sao gần như giống hệt nhau và tất cả con cái của nó sẽ thừa hưởng 100% DNA của ong đực.

Sinh tinh ở ong mật. Mười sáu nhiễm sắc thể riêng biệt. Tinh trùng thu được giống hệt nhau về mặt di truyền và chứa một bộ 16 nhiễm sắc thể.

Kết luận

Sự ​​đa dạng di truyền là điều cần thiết cho quần thể ong thợ khỏe mạnh trong các đàn ong mật. Mặc dù sự đóng góp di truyền của mỗi ong đực là đồng nhất, ong chúa có thể giao phối với hàng chục ong đực khác nhau, tạo ra những con cái đa dạng từ nhiều ong đực khác nhau, giúp đàn ong phát triển mạnh mẽ. Hệ thống đơn bội này giúp đàn ong duy trì một quần thể mạnh mẽ, đa dạng, đồng thời đảm bảo ong đực có thể nhanh chóng truyền lại di truyền của ong mẹ cho các thế hệ tương lai.

Đối với những người nuôi ong mật, việc hiểu rõ những đặc điểm di truyền này là rất quan trọng. Cụ thể:

·        Mỗi ong chúa con được sinh ra đều độc nhất. Do đó, những ong chúa mới phải được kiểm tra các đặc điểm mong muốn và không thể tự động được coi là mong muốn ngay cả khi ong mẹ của chúng là một ong đặc biệt.

·        Một ong chúa con được giao phối mở sẽ lưu trữ tinh trùng từ nhiều ong đực trong túi tinh của nó. Do đó, quần thể ong thợ mà nó tạo ra rất đa dạng và có thể hoặc không thể hiện các đặc điểm mong muốn của một chương trình nhân giống.

·        Những con ong đực từ ong chúa sinh sản sẽ chứa 100% di truyền của ong chúa đó. Do đó, việc nhân giống ong đực từ những ong chúa này rất được khuyến khích. Điều này đúng ngay cả khi một ong chúa chưa từng giao phối được thả ra và được phép giao phối mở.

·        Do quá trình xác định giới tính ở ong mật, giao phối cận huyết có thể dẫn đến ong đực lưỡng bội không hoạt động và bị ong thợ loại bỏ trong quá trình phát triển, dẫn đến "lứa con bị bỏ rơi". Do đó, các chương trình nhân giống cần tránh việc giao phối giữa ong đực và ong cái có quan hệ họ hàng.

Tài liệu tham khảo

Bresnahan, S. T., Galbraith, D., Ma, R., Anton, K., Rangel, J., & Grozinger, C. M. (2023). Vượt ra ngoài xung đột: Lý thuyết quan hệ họ hàng về xung đột nội bộ gen dự đoán sự khác biệt cá thể trong hành vi vị tha. Sinh thái học Phân tử, 32, 5823–5837. Doi.org/10.1111/mec.17145

Galbraith, D. A., Kocher, S. D., Glenn, T., Albert, I., Hunt, G. J., Strassmann, J. E., Queller, D. C., & Grozinger, C. M. (2016). Kiểm định thuyết quan hệ họ hàng về xung đột nội bộ gen ở ong mật (Apis mellifera). Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, 113(4), 1020–1025. Doi.org/10.1073/pnas.1516636113

Tài liệu này dựa trên công trình được hỗ trợ bởi Viện Thực phẩm và Nông nghiệp Quốc gia, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, thông qua chương trình Nghiên cứu và Giáo dục Nông nghiệp Bền vững Đông Bắc, theo số giải thưởng phụ LNE22-447.