Switzerland
April 24, 2015
Bees play a key role in our ecosystem and in the world’s food supply. Thanks to a large collaborative effort, the genomes of two important pollinating bumblebees have been sequenced and compared with those of other bees, laying the foundations for the identification of biological factors essential for their conservation.
Two research articles published in the journal Genome Biology present the first genome sequences and analyses of two key bumblebee species: the European buff-tailed bumblebee, Bombus terrestris, and the North American common eastern bumblebee, Bombus impatiens. The research focused on identifying similarities and differences between these transatlantic cousins, using bees from Thurgau, Switzerland, and Michigan, USA. The studies also compared them with their more distant relatives, the honeybees, to understand their different social colony lifestyles and how they fight off infections.
Both studies involved large international collaborations and included researchers from the SIB Swiss Institute of Bioinformatics, the University of Geneva Medical School, and ETH Zurich’s Institute of Integrative Biology. The projects were coordinated by Dr. Ben Sadd from Illinois State University, Dr. Seth Barribeau from ETH Zurich and East Carolina University, Dr. Kim Worley from the Baylor College of Medicine, and Prof. Paul Schmid-Hempel from ETH Zurich.
Bees: critical but threatened links in the food chain
Bees play an invaluable role in maintaining biodiversity and in pollinating the crops that feed the world. The marked population decline of some species is a serious threat to our agro-ecosystem and it is therefore essential to improve our understanding of their biology and to investigate how they respond to environmental threats.
Despite their often slow and apparently bumbling flights from flower to flower, bumblebees are anything but lazy. With over 250 bumblebee species globally, these important insects perform the laborious task of pollinating flowers in both wild and agricultural settings. A large number of fruits and vegetables would be missing from our plates had a bumblebee not done its job. “Bumblebees are intriguing creatures to study,” explained Dr. Sadd, “but growing threats to their health are affecting bee populations around the world, making it especially critical to improve our understanding of their biology.”
Protective immunity and social living
Most bumblebees do not live in isolation, but in colonies of tens to hundreds of related individuals founded each year by a single queen bee after the winter’s hibernation. They therefore exhibit a level of social organisation that is intermediate between solitary insects, such as houseflies, and the highly social honeybees, which have colonies of many thousands of individuals with queens that live for several years. Such social living requires a large degree of cooperation and organisation, especially because dense colonies of many genetically similar individuals make the threat of infections particularly acute.
“The catalogue of genes involved in immune defence responses is well conserved among different bee species regardless of their level of social organisation,” explained Dr. Robert Waterhouse from the University of Geneva and the SIB Swiss Institute of Bioinformatics, “but it is much smaller than in solitary insects such as flies and mosquitoes that often live in more pathogen-rich environments.” Nevertheless, variations in evolutionary signatures of selection amongst immune genes from bumblebees and honeybees may point to different pressures exerted by the distinct pathogens that threaten these bees.
Interestingly, exposing young Swiss bumblebees from mature colonies to various bacteria showed generally elevated responses of immune genes in females compared with males. “This,” said Dr. Barribeau, “suggests a greater investment in protective immunity by the females, which will one day start their own colonies, than by the males, whose role is essentially just for reproduction.”
Research impact
The genomes of these Swiss and American bumblebees provide the first insights into the genetics behind the differences in their behaviours and responses to their environments. “These genomic resources,” said Dr. Barribeau, “help us to understand what it is that makes these bumblebees particularly at risk from challenges to their well-being, such as diseases and pesticides.”
The sequencing of these bumblebee genomes constitutes a great leap forward for the study of bee biology and the understanding of the organisation of insect societies. The published findings represent many years of work by numerous scientists; but this is only the beginning of a new era of bumblebee research, as these genomes will facilitate many future high-throughput functional studies to advance our knowledge of these engaging and essential insects and thus ensure their conservation.
References
Sadd BM, et al. The genomes of two key bumblebee species with primitive eusocial organization.
Genome Biol 2015.
Barribeau SM, et al. A depauperate immune repertoire precedes evolution of sociality in bees. Genome Biol 2015;16:628.
About SIB
SIB Swiss Institute of Bioinformatics is an academic not-for-profit foundation recognized of public utility. It federates bioinformatics activities throughout Switzerland. Its mission is to provide world-class core bioinformatics resources and expertise to the national and international life science research community. It has a long-standing tradition of producing state-of-the-art software and carefully annotated databases, such as UniProtKB/Swiss-Prot, the world’s most widely used source of information on proteins. SIB also provides leading educational services, data analysis support and bioinformatics research.
SIB includes 56 world-class research and service groups, which bring together more than 650 scientists in the fields of genomics, transcriptomics, proteomics, evolution, population genetics, systems biology, structural biology, biophysics and clinical bioinformatics, located in the Swiss cantons of Basel, Bern, Fribourg, Geneva, Ticino, Vaud and Zurich.
SIB’s expertise is widely appreciated and life scientists all over the world use its services.
Les génomes des bourdons créent le buzz dans le domaine de la pollinisation
Les abeilles jouent un rôle clé dans notre écosystème et dans la production alimentaire mondiale. Des scientifiques de divers pays ont collaboré étroitement pour séquencer le génome de deux importantes espèces de bourdons pollinisateurs et les comparer avec ceux d'autres abeilles, posant ainsi les bases à l’identification de facteurs biologiques essentiels à leur conservation.
Deux articles de recherche publiés dans le revue Genome Biology présentent les premières séquences et analyses du génome de deux espèces-clés de bourdons: le bourdon terrestre ou Bombus terrestris, l’espèce la plus commune en Europe, et le bourdon fébrile ou Bombus impatiens, communément présent en Amérique du Nord. Les recherches ont porté sur l'identification des similitudes et des différences entre ces deux cousins transatlantiques, et ont été menées sur des populations de bourdons provenant du Canton de Thurgovie en Suisse et de l’Etat du Michigan aux USA. Ces bourdons ont été également comparés avec des parents plus éloignés, les abeilles à miel, dans le but de comprendre leurs différents modes de vie sociale au sein de leurs colonies ainsi que la manière dont ces espèces combattent les infections.
Les deux études ont été conduites dans le cadre de grandes collaborations internationales auxquelles se sont associés des chercheurs du SIB Institut Suisse de Bioinformatique, la Faculté de Médecine de l’Université de Genève, et l'Institut de Biologie Intégrative de l'ETH Zurich. Les projets ont été coordonnés par le Dr. Ben Sadd de l'Illinois State University, le Dr. Seth Barribeau de l'ETH Zurich et de l'East Carolina University, le Dr. Kim Worley du Baylor College of Medicine, et le Prof. Paul Schmid-Hempel de l'ETH Zurich.
Abeilles: membres essentiels de la chaîne alimentaire en danger
Les abeilles jouent un rôle inestimable dans le maintien de la biodiversité et dans la pollinisation des cultures qui nourrissent le monde. Le déclin marqué de la population de certaines espèces est une grave menace pour notre agroécosystème. Il est donc essentiel d'améliorer notre compréhension de la biologie de ces insectes et étudier la manière dont ils répondent aux dangers environnementaux.
Malgré leurs vols de fleur en fleur souvent lents et d’apparence maladroite, les bourdons sont tout sauf paresseux. Avec plus de 250 espèces de bourdons dans le monde, ces insectes importants effectuent la tâche laborieuse de polliniser les fleurs aussi bien dans la nature sauvage que sur les terrains agricoles. Un grand nombre de fruits et légumes manquerait dans nos assiettes si les bourdons n’accomplissaient pas leur travail. "Les bourdons sont des créatures fascinantes à étudier", explique le Dr. Sadd, "mais des menaces grandissantes pour leur santé affectent leurs populations à travers le monde, ce qui rend particulièrement urgent l’amélioration de notre compréhension de leur biologie."
Immunité protectrice et vie sociale
La plupart des bourdons ne vivent pas isolés, mais dans des colonies de dizaines à des centaines d’individus apparentés, fondées par une seule reine chaque année après la période d’hibernation hivernale. Ils présentent donc un niveau d'organisation sociale intermédiaire entre celle des insectes solitaires, comme les mouches, et les très sociales abeilles à miel, qui ont des colonies de plusieurs milliers d’individus avec des reines qui vivent pendant plusieurs années. Une telle vie sociale nécessite un grand degré de coopération et d'organisation, en particulier parce que des colonies denses en individus génétiquement semblables rendent le danger d’infections particulièrement aigu.
"Le catalogue des gènes impliqués dans les réponses de défense immunitaire est bien conservé parmi les différentes espèces d’abeilles, indépendamment de leur niveau d'organisation sociale," explique le Dr. Robert Waterhouse, chercheur à l'Université de Genève et au SIB Institut Suisse de Bioinformatique, "mais il est beaucoup plus petit que chez les insectes solitaires comme les mouches et les moustiques qui vivent souvent dans des environnements plus riches en pathogènes." Néanmoins, les variations dans les signatures évolutives de sélection parmi les gènes immunitaires des bourdons et abeilles à miel pourraient indiquer différentes pressions exercées par les agents pathogènes distincts qui menacent ces abeilles.
Fait intéressant, en exposant de jeunes bourdons suisses issus de colonies matures à diverses bactéries, des réponses généralement élevées de gènes immunitaires ont été observées chez les femelles par rapport à celles des individus mâles. "Ceci," a déclaré le Dr. Barribeau, “suggère un plus grand investissement dans l'immunité protectrice chez les femelles, qui seront un jour amenées à fonder leurs propres colonies, par rapport aux mâles, dont le rôle est essentiellement reproductif."
Impact sur la recherche
Les génomes de ces bourdons suisses et américains jettent une première lumière sur la génétique responsable des différences dans leurs comportements et dans leurs réponses à leurs environnements. ”Ces ressources génomiques," dit le Dr. Barribeau, "nous aident à comprendre ce qui rend ces bourdons particulièrement à risque contre les dangers mettant en péril leur bien-être, comme les maladies et les pesticides."
Les séquençages des génomes de ces bourdons constituent un grand bond en avant dans l'étude de la biologie des abeilles et dans la compréhension de l'organisation sociale chez les insectes. Les résultats publiés représentent plusieurs années de travail par de nombreux scientifiques; mais il ne s’agit que du début d'une nouvelle ère pour la recherche sur les bourdons. Leurs génomes faciliteront de nombreuses futures études fonctionnelles à haut débit, qui permettront de faire progresser nos connaissances sur ces insectes intéressant et indispensables, et d’en assurer ainsi leur conservation.
Hummel-Genome wecken das Interesse an der Bestäubung
Bienen spielen eine Schlüsselrolle in unserem Ökosystem und der weltweiten Lebensmittelversorgung. Dank einer grossangelegten gemeinsamen Initiative wurden nun die Genome zweier wichtiger bestäubender Hummelarten sequenziert und mit den Genomen anderer Bienen verglichen, um einen Grundstein zur Identifizierung wichtiger Faktoren zur Erhaltung dieser Arten zu legen.
Zwei wissenschaftliche Publikationen in der Fachzeitschrift Genome Biology präsentieren die ersten zwei kompletten Genomsequenzen zweier Hummelarten: das der europäischen dunklen Erdhummel, Bombus terrestris, und das der nordamerikanischen gemeinen östlichen Hummel, Bombus impatiens. Die Forschung konzentrierte sich auf das Aufspüren von Ähnlichkeiten und Unterschieden zwischen diesen transatlantischen Verwandten. Untersucht wurden Hummeln aus dem Thurgau, Schweiz, und aus Michigan, USA. Die Studien verglichen die Hummeln auch mit ihrer weiter verwandten Art, der Honigbiene, um das unterschiedliche Sozialleben in der Kolonie und die Art, wie sie Infektionskrankheiten bekämpfen, besser zu verstehen.
Beide Studien waren grossangelegte, internationale Initiativen, darunter auch Forscher des SIB Schweizerischen Instituts für Bioinformatik, der medizinischen Fakultät der Universität Genf, und dem Institut für Integrative Biologie der ETH Zürich. Die Projekte wurden von Dr. Ben Sadd der Illinois State University, Dr. Seth Barribeau der ETH Zürich und der East Carolina University, Dr. Kim Worley vom Baylor College of Medicine, und von Prof. Paul Schmid-Hempel der ETH Zürich koordiniert.
Bienen: wichtige, aber gefährdete Glieder der Nahrungskette
Bienen spielen eine unschätzbare Rolle in der Erhaltung der Biodiversität und in der Bestäubung der Nutzpflanzen die unsere Weltbevölkerung ernähren. Der starke Rückgang einiger Spezies ist eine ernstzunehmende Bedrohung für unser Agroökosystem, und es ist deshalb unbedingt erforderlich, unser Verständnis ihrer Lebensweise zu verbessern und zu untersuchen, wie sie auf bedrohliche Umwelteinflüsse reagieren.
Obwohl sie einem das Gefühl vermitteln, oftmals langsam und tollpatschig von Blüte zu Blüte zu fliegen, sind Hummeln alles andere als faul. Weltweit über 250 Hummelarten übernehmen die arbeitsintensive Aufgabe, Blüten sowohl in freier Wildbahn als auch in der Landwirtschaft zu bestäuben. Eine grosse Zahl an Früchten und Gemüse wären nicht auf unseren Tellern würden die Hummeln nicht ihre Arbeit verrichten. „Hummeln sind faszinierende Geschöpfe zu studieren“, erklärt Dr. Sadd, „aber wachsende Bedrohungen ihrer Gesundheit gefährden weltweit ihre Bestände und machen ein besseres Verständnis ihrer Lebensweise zu einer noch wichtigeren Aufgabe.“
Schützende Immunität und Sozialleben
Die meisten Hummeln leben nicht als Einzelgänger, sondern in Kolonien von wenigen zehn bis zu hunderten von verwandten Einzeltieren, die jedes Jahr von einer einzigen Königin nach der Überwinterung gegründet werden. Sie besetzen damit mit ihrer Sozialstruktur eine Position zwischen den solitären Insekten wie der Hausfliege und den hochsozialen Honigbienen, die Kolonien bilden aus mehreren tausend Individuen und von Königinnen, die mehrere Jahre leben können. Ein solches Sozialleben erfordert ein Höchstmass an Organisation und Zusammenarbeit, besonders da in dichtgedrängten Kolonien von genetisch sehr ähnlichen Individuen die Gefahr der Ausbreitung von Infektionskrankheiten äusserst gross ist.
„Der Katalog an Genen, die für die Immunreaktionen verantwortlich sind, ist in den verschiedenen Bienenarten unabhängig ihrer Sozialstruktur beinahe derselbe“, erklärt Dr. Robert Waterhouse von der Universität Genf und dem SIB Schweizerisches Institut für Bioinformatik, „aber er ist bedeutend kleiner als in solitären Insekten wie Fliegen und Mücken, die oftmals in Umgebungen mit einer höheren Dichte an Krankheitserregern leben.“ Trotzdem mögen Variationen in den evolutionären Mustern der Auslese von Immungenen in Hummeln und Honigbienen Aufschlüsse geben über den unterschiedlichen Druck, den die Krankheitserreger auf die einzelnen Arten ausüben.
Werden junge Schweizer Hummeln aus ausgewachsenen Kolonien verschiedenen Bakterien ausgesetzt, löst dies interessanterweise eine höhere Reaktion an Immungenen in weiblichen Individuen aus. „Dies deutet auf eine höhere Investition in schützende Immunität auf Seite der Weibchen hin, die eines Tages eine eigene Kolonie gründen werden, im Gegensatz zu Männchen, deren Aufgabe im Wesentlichen auf die Fortpflanzung beschränkt ist“, meint Dr. Barribeau.
Auswirkungen der Forschung
Die Genome der Hummeln aus der Schweiz und aus Nordamerika ermöglichte einen ersten Einblick in die Genetik, die hinter den unterschiedlichen Verhaltensmustern und Reaktionen auf Umwelteinflüsse steht. „Diese genomischen Ressourcen werden uns helfen, besser zu verstehen, warum gerade diese Hummeln ein erhöhtes Gesundheitsrisiko auf Umwelteinflüsse wie Krankheiten und Pestizide aufweisen“, erweitert Dr. Barribeau.
Die Sequenzierung der Hummel-Genome ist ein bedeutender Schritt vorwärts in der Erforschung der Biologie von Bienen und zum Verständnis der Organisation dieser Insektengemeinschaften. Die publizierten Ergebnisse fassen mehrere Jahre Arbeit zahlreicher Forscher zusammen, aber dies ist erst der Anfang eines neuen Abschnitts der Hummel-Forschung. Diese Genome ermöglichen erst zukünftige funktionelle Hochdurchsatzstudien, die unser Wissen um diese faszinierenden und überlebenswichtigen Insekten erweitern und somit zu ihrer Erhaltung beitragen werden.
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