Heterocronia na maturação cuticular e imunidade primária e secundária em operárias adultas de Apis mellifera (Apidae: Apini)

Abstract

A cutícula e a matriz peritrófica em insetos funcionam como barreiras primárias atuando como primeiras linhas de defesa contra patógenos. Defesas imunes secundárias mediadas por células e por substâncias antimicrobianas são utilizadas quando as primárias não são suficientes. Entre elas estão os peptídeos antimicrobianos (AMPs) e a enzima lisozima que atuam diretamente contra os microrganismos invasores. Como os insetos podem regular plasticamente suas defesas conforme o risco de infecção, estudos sobre como a imunidade das abelhas sociais responde às diferentes pressões de patógenos ao longo de sua vida e das diferentes atividades realizadas são importantes para a melhoria de estratégias de manejo desses polinizadores. O objetivo do presente trabalho foi avaliar componentes das respostas imunes primária e secundária de operárias adultas de Apis mellifera nutridoras e campeiras com diferentes idades, e quando assumindo precocemente funções externas à colônia. As quantidades de melanina na cutícula tegumentar, de quitina na matriz peritrófica e a expressão de cpr14 foram usadas para medir barreira primária. As expressões de abaecina, defensina, himenoptaecina e lisozima foram usadas para medir a diferença na resposta imune secundária. A expressão de malvolio foi usada para detectar estímulo precoce para realização de atividades externas à colônia. As amostras consistiram de nutridoras e campeiras ou guardas obtidas de minicolônias compostas por operárias da mesma idade realizando tarefas diferentes (“single-cohort colony”) e de minicolônias com transição natural entre as tarefas conforme a idade. Campeiras tiveram maior quantidade de melanina na cutícula que nutridoras, mas não quando o efeito da idade foi anulado, indicando a aquisição gradual deste pigmento no tegumento de abelhas adultas de A. mellifera e corroborando a heterocronia na diferenciação cuticular do tegumento. A quantidade de quitina na matriz peritrófica foi semelhante tanto entre as operárias de diferentes idades e funções, quanto entre aquelas de mesma idade e diferentes funções, sugerindo que a resposta imune primária exercida pela matriz peritrófica não difere entre as fases da vida adulta da operária. A expressão de cpr14 foi similar entre nutridoras e campeiras e entre operárias com diferentes funções e mesma idade. Expressão de mvl variou entre operárias de mesma idade e funções diferentes, mostrando que a expressão desse gene está relacionada ao início das atividades de forrageio e aceleração da maturação comportamental. As expressões dos AMPs foram diferentes entre operárias com diferentes funções e mesma idade indicando que a atividade das operárias estimula a expressão gênica para substâncias efetoras contra microrganismos. A expressão de lisozima foi semelhante entre os grupos em todas as etapas experimentais. Como a complexidade estrutural da cutícula do tegumento é alcançada apenas em operárias mais velhas, as colônias ficam mais vulneráveis quando operárias nutridoras assumem precocemente atividades de forrageio. A expressão diferenciada do gene mvl, acelerando a mudança de função das operárias, e dos genes para defesa imune naquelas assumindo precocemente funções externas à colônia, evidenciam investimento em mecanismos de defesa secundária quando a defesa primária da cutícula ainda não está completamente desenvolvida. Palavras-chave: Quitina da matriz peritrófica. Melanina cuticular. Peptídeos antimicrobianos. Expressão gênica.

The cuticle and peritrophic matrix in insects function as primary barriers acting as first lines of defense against pathogens. Secondary immune defenses mediated by cells and antimicrobial substances are used when the primary ones are not sufficient. Among them are antimicrobial peptides (AMPs) and the enzyme lysozyme that act directly against invading microorganisms. As insects can plastically regulate their defenses according to the risk of infection, studies how the immunity of social bees responds to the different pressures of pathogens along their lives and the different activities carried out are important to improve management strategies for these pollinators. The aim of the present study was to evaluate components of the primary and secondary immune responses of adult workers of Apis mellifera at different ages and performing tasks, and when early assuming functions external to the colony. The amounts of integumentary melanin, chitin in the peritrophic matrix and the expression of cpr14 were used to measure primary barrier. The gene expressions abaecin, defensin, himenoptaecin and lysozyme were used to measure the difference in secondary immune response. The expression of malvolio was used to detect early stimulus to activities outside the colony. Normally age (nurse and foragers) and precocious (guards and foragers) workers were obtained from single-cohort and normally minicolonies. Foragers had a greater amount of melanin in the cuticle than nurses ones, but not when the effect of age was canceled, indicating the gradual acquisition of this pigment in the tegument of adult bees of A. mellifera and corroborating the heterochrony in the cuticular differentiation of the tegument. The amount of chitin in the peritrophic matrix was similar both among workers of different ages and functions, and among those of the same age and different functions, suggesting that the primary immune response exerted by the peritrophic matrix does not differ between the stages of the worker's adult life. The expression of cpr14 was similar between nurturers and field workers and between workers with different functions and the same age. Expression of malvolio varied among workers of the same age and different functions, showing that the expression of this gene is related to the beginning of foraging activities and acceleration of behavioral maturation. The expressions of AMPs were different among workers with different functions and the same age, indicating that the activity of bees stimulates the expression of effector substances against microorganisms. Lysozyme expression was similar between groups at all experimental stages. As the structural complexity of the cuticle of the integument is reached only in older bees, colonies are more vulnerable when nurse workers take on foraging activities early. The differentiated expression of the mvl gene, accelerating the change in function, and of the defense genes in workers, assuming early functions external to the colony, show investment in secondary defense mechanisms when the primary cuticle defense is not yet fully developed. Keywords: Peritrophic matrix chitin. Cuticular melanin. Antimicrobial peptides. Age polyethism.