A linguagem química dos insetos

No interior das colônias, abelhas e formigas se reconhecem e se organizam por meio de compostos que recobrem seus corpos

CARLOS FIORAVANTI | ED. 260 | OUTUBRO 2017

Revista Pesquisa FAPESP

Podcast: Fabio Santos do Nascimento

00:00 / 09:55

Como os insetos sociais – abelhas, vespas, formigas e cupins – se reconhecem, organizam-se e dividem as tarefas na completa escuridão de suas colônias? Em 2003, ao planejar sua pesquisa de pós-doutorado na Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo (FFCLRP-USP), o biólogo Fábio Santos do Nascimento verificou que as análises genéticas e os estudos de comportamento não ofereciam uma resposta satisfatória para essa pergunta.

Em busca de alternativas, ele começou a estudar um grupo de compostos químicos produzidos pelos insetos, os hidrocarbonetos cuticulares (HCCs), que chamavam a atenção também de grupos de pesquisa dos Estados Unidos e da Europa.

Nascimento e o químico Norberto Peporine Lopes, professor da Faculdade de Ciências Farmacêuticas de Ribeirão Preto (FCFRP) da USP, logo observaram que os HCCs indicam se a abelha, vespa, formiga ou cupim é macho ou fêmea, operária ou rainha. Cada indivíduo, espécie e colônia apresenta sutis variações na composição dos HCCs que as diferenciam. Esses compostos se mostraram fundamentais também para a divisão de tarefas entre as castas e a coesão das colônias. 

Ao liberar HCCs, as rainhas indicam que estão férteis e inibem o ímpeto de acasalamento das operárias, de acordo com um estudo do grupo da USP publicado em junho de 2017 na revista Nature Ecology & Evolution. “É a sinalização química induzida pelas rainhas que mantém as operárias dedicadas à limpeza e à guarda do ninho ou à busca de alimentos”, conta Nascimento, contratado em 2009 como professor da FFCLRP. As equipes de Ribeirão Preto verificaram também que as rainhas de abelhas Melipona scutellaris espalham HCCs sobre os compartimentos em que depositam seus ovos, sinalizando que as operárias não devem mexer ali.

Produzidos por glândulas subcutâneas, os HCCs formam a cera amarelada que reveste o esqueleto externo dos insetos. São substâncias formadas apenas por átomos de carbono e hidrogênio organizados em longas estruturas lineares com ligações simples ou duplas entre os carbonos. “A posição das ligações duplas entre os átomos de carbono varia segundo a espécie ou o gênero dos insetos”, diz Lopes. “E a variação nas estruturas dessas moléculas permite o reconhecimento de indivíduos da mesma colmeia e torna possível o dialeto entre eles.” Em 2003, quando começou a trabalhar com Nascimento, seus equipamentos de análise química caracterizavam hidrocarbonetos com até 40 carbonos, mas agora uma nova técnica de espectrometria de massa adotada em seu laboratório permite a identificação de compostos de cadeia ainda mais longa, com 60 carbonos, que também se mostraram diferentes entre machos e fêmeas e entre rainhas e operárias.

Contato revelador
 
Essa forma de comunicação depende do contato físico entre os insetos. Uma formiga, por exemplo, reconhecerá que outra formiga é da mesma espécie ou da mesma colônia tocando seu corpo – principalmente a cabeça – com as antenas, dotada de poros ou receptores próprios para a identificação dos HCCs. Por essa razão é que os mais de mil HCCs já identificados são chamados de feromônios superficiais ou de contato. Essa classificação os diferencia dos feromônios sexuais, liberados no ar pelas fêmeas aptas a procriar.

“Nas colmeias, os insetos sociais se comunicam principalmente através de sinais químicos”, informa Lopes. “Fora da colônia, a primeira forma de comunicação entre as espécies é a visual. Se um inseto da mesma espécie ou de outra tentar invadir o formigueiro, as formigas vão reconhecê-lo como inimigo e o atacarão de imediato.” Quando há luz, as vespas Polistes satan se reconhecem também por meio de sinais peculiares em suas faces, de acordo com um estudo conduzido pela bióloga Ivelize Tannure Nascimento, da USP de Ribeirão Preto, e publicado em 2008 na Proceedings of the Royal Society B.

© LÉO RAMOS CHAVES

A formiga Dinoponera australis reconhece, por meio de compostos químicos captados pela antena, se outra da mesma espécie é macho ou fêmea

Dois dias depois de saírem do ovo, as vespas já produzem o HCC característico da colônia, por causa do contato com os outros integrantes do grupo. A composição dessas substâncias pode mudar, em resposta, por exemplo, à variação na dieta. Sob a orientação de Nascimento, o biólogo Lohan Valadares dividiu uma colônia de saúvas em dois grupos e alimentou um com folhas e pétalas de rosa e outro com folhas de extremosa (Lagerstroemia sp.), árvore de flores rosa usada na arborização urbana. Depois, ele colocou as formigas de um grupo em outro. As que chegavam eram hostilizadas. As análises indicaram que o cheiro das formigas tinha mudado depois da alteração da dieta. “Como o perfil químico dos hidrocarbonetos cuticulares se alterou, as formigas que faziam parte de uma mesma colônia deixaram de se reconhecer”, comenta Nascimento.

A habilidade de produzir esses compostos deve ter surgido antes mesmo de os insetos começarem a viver em colônias, há cerca de 100 milhões de anos. Os biólogos Ricarda Kather e Stephen Martin, da Universidade de Salford-Manchester, Inglaterra, examinaram o perfil químico dos HCCs de 241 espécies de insetos, incluindo 164 de hábitos sociais, da ordem Hymenoptera — a maior desse grupo, com 130 mil espécies. Como detalhado em um estudo de 2015 na Journal of Chemical Ecology, espécies solitárias apresentaram um perfil de HCCs tão complexo quanto o das sociais.

Outro grupo da Inglaterra indicou que as antenas – ao menos as das formigas Iridomyrmex purpureus – não apenas recebiam, mas também transmitiam sinais químicos, desse modo ampliando a conclusão do psiquiatra e entomologista suíço Auguste-Henri Forel (1848-1931). No final do século XIX, Forel mostrou que as antenas funcionavam como órgãos capazes de captar sinais químicos ao remover as antenas de quatro espécies de formigas e observar que os insetos se desorientavam e amontoavam-se, independentemente da espécie.

Formigas desnorteadas
 
Sem HCCs, do mesmo modo, os insetos ficam desnorteados e a organização social se quebra. No laboratório de comportamento e evolução da Universidade Rockefeller, nos Estados Unidos, a equipe do biólogo Daniel Kronauer desativou o gene orco, responsável pela produção de receptores dos HCCs, em formigas da espécie Ooceraea biroi, originária do Japão. Assim que saíam da fase larval e tornavam-se adultas, as formigas geneticamente alteradas mostravam de imediato um comportamento incomum para a espécie: não andavam mais em linha, mas se moviam sem direção, a esmo, como detalhado em um artigo de dezembro de 2016 na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Os pesquisadores observaram também mudanças nas estruturas cerebrais das formigas, o que indicou que os insetos precisariam dos receptores de odor para o cérebro se desenvolver corretamente.

Os HCCs explicam comportamentos intrigantes dos insetos sociais – e não só o fato de viverem se tocando com as antenas. “Depois de se sujarem ou saírem da água, as formigas se limpam ou se enxugam com as pernas como forma de recuperar a camada de hidrocarbonetos que cobre seu corpo. De outro modo, os guardas da colônia não os reconheceriam e não os deixariam entrar”, exemplifica Nascimento. Outro mistério resolvido se refere ao fato de as abelhas operárias da espécie Melipona scutellaris decapitarem as rainhas virgens com sete dias, quando poderiam atrair os machos interessados na cópula. Tocando o corpo – principalmente a cabeça – das rainhas virgens, as operárias percebem que o HCC delas é diferente do das rainhas fecundas. A percepção dessa diferença induz à matança, concluiu o biólogo Edmilson Souza, professor da Universidade Federal de Viçosa, em Minas Gerais. Não haveria grandes danos à colmeia porque as rainhas das colônias de abelhas sem ferrão como a uruçu produzem com frequência ovos que originam rainhas.

Ao unirem biologia e química, esses estudos estão complementando os trabalhos sobre genética das abelhas, iniciados pelo geneticista paulista Warwick Kerr na década de 1950, e os de biologia do comportamento de insetos sociais, com a bióloga Vera Imperatriz Fonseca, a partir da década de 1970, e exigem uma visão multidisciplinar dos pesquisadores. “Aqui no laboratório”, conta Nascimento, “todo aluno e pesquisador, mesmo sendo biólogo, tem de ser um pouco químico, aprender a usar o cromatógrafo e a interpretar os resultados que produzirem”.

© RHAINER GUILLERMO FERREIRA / UFSCAR

Uma rede de canais, as traqueias…

As asas vivas de uma libélula
Encontrada no Cerrado e conhecida como morpho por sua semelhança com um gênero de borboletas predominantemente azuis, a libélula Zenithoptera lanei pode ter se tornado o primeiro caso de um inseto adulto com asas constituídas por tecido vivo – e não morto, como se pensava.

O biólogo Rhainer Guillermo Ferreira, professor da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), identificou por meio de imagens de microscopia eletrônica uma rede de canais – as traqueias – em meio às membranas das asas de um azul intenso dessa espécie.

© ANA COTTA / WIKIMEDIA

…contribui para o azul das asas da Zenithoptera lanei

Como detalhado em um artigo publicado em setembro de 2017 na revista Biology Letters, as traqueias têm um diâmetro variando de 3 a 200 nanômetros e devem abastecer com oxigênio as células que produzem uma cera espessa que recobre as asas. Segundo Ferreira, a cera deve refletir a radiação ultravioleta, o que ao mesmo tempo acentua a cor azul das asas e protege o inseto do excesso de luz solar. “Uma das indicações de que as células das asas estão vivas é que o azul perde o brilho rapidamente depois que a libélula morre”, diz ele.

A rede de traqueias deve também contribuir para a sustentação das asas e para o controle da temperatura desses insetos. “Por enquanto, essa espécie é a única com esse tipo de estrutura”, afirma. “Examinamos outras 40 espécies de libélulas e não encontramos nada parecido.”

Projetos
 
1. Avaliação dos mecanismos exógenos e endógenos que influenciam a variabilidade dos hidrocarbonetos cuticulares em insetos sociais neotropicais (nº 15/25301-9); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Regular; Pesquisador responsável Fábio Santos do Nascimento; Investimento R$ 191.870,92.

2. Metabolismo e distribuição de xenobióticos naturais e sintéticos: Da compreensão dos processos reacionais à geração de imagens teciduais (nº 14/50265-3); Modalidade Projeto Temático; Pesquisador responsável Norberto Peporine Lopes; Investimento R$ 1.137.805,87.

Artigos científicos

KATHER, R. e MARTIN, S. J. Evolution of Cuticular Hydrocarbons in the Hymenoptera: a Meta-Analysis. Journal of Chemical Ecology. v. 41, n. 10, p. 871-883, 2015.

McKENZIE, S. K. et al. Transcriptomics and neuroanatomy of the clonal raider ant implicate an expanded clade of odorant receptors in chemical communication. PNAS. v. 113, n. 49, p. 14091-6, 2016.

NUNES, T. M. et al. Evolution of queen cuticular hydrocarbons and worker reproduction in stingless bees. Nature Ecology & Evolution. v. 1, 0185, 2017

TANNURE-NASCIMENTO, I.C. et al. The look of royalty: visual and odour signals of reproductive status in a paper wasp. Proceedings of the Royal Society B. v. 275, p. 2555-61, 2008.

GUILLERMO-FERREIRA, R. et al. The unusual tracheal system within the wing membrane of a dragonfly. Biology Letters. v. 13 (5), 20160960, 2017.

Abelhas sem ferrão têm guardas especializadas para defender suas colmeias

24 de março de 2017

Elton Alisson | Agência FAPESP – Assim como as formigas e os cupins, diversas espécies de abelhas sem ferrão no Brasil possuem guardas ou soldados especializados para defender suas colônias de eventuais ataques de inimigos naturais.

Surgimento de colônias com indivíduos mais robustos e com maior porte do que as operárias coincidiu com o aparecimento de espécies de abelhas “ladras”, aponta estudo (foto: abelha jataí (Tetragonisca angustula)/Wikimedia Commons)

O surgimento dessas abelhas guardiãs – que são mais robustas, têm maior porte e, em alguns casos, apresentam coloração diferente das abelhas operárias mais comuns – começou nos últimos 25 milhões de anos e coincidiu com o aparecimento de abelhas “ladras”, que representam uma grande ameaça para muitas espécies de abelhas sem ferrão.

As descobertas foram feitas por um grupo de pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP), campus de Ribeirão Preto, em colaboração com colegas da Embrapa Amazônia Oriental, em Belém (PA), e da Johannes Gutenberg University Mainz, da Alemanha.

Resultado de dois projetos apoiados pela FAPESP – o primeiro coordenado por Eduardo Andrade de Almeida e o segundo por Fábio Santos do Nascimento, ambos professores do Departamento de Biologia da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras da USP de Ribeirão Preto –, o estudo foi publicado na revista Nature Communications.
“As abelhas guardas também apresentam um comportamento diferente das operárias”, disse Almeida à Agência FAPESP.

“Elas não saem do ninho para buscar alimento, como as abelhas forrageadoras, voam próximas à entrada da colônia e são as primeiras a se engajar em uma luta caso venha a ocorrer uma invasão por abelhas parasitas”, afirmou.
Um estudo anterior, publicado em 2012, já havia apontado que as colônias de uma espécie de abelha sem ferrão – a jataí (Tetragonisca angustula) – são defendidas por um grupo de abelhas guardas que são, aproximadamente, 30% maiores e têm forma diferente de suas companheiras de ninho. E que o tamanho do corpo maior dessas abelhas guardas em comparação com as operárias está diretamente ligado à capacidade de combate.

Com base nessa constatação, os pesquisadores decidiram avaliar se a diferenciação das abelhas operárias relacionada com as tarefas que desempenham na colônia está difundida entre outras espécies de abelhas sem ferrão – que representam o maior grupo de abelhas sociais, com mais de 500 espécies descritas, das quais mais de 300 são encontradas no Brasil.

Para isso, eles compararam características morfológicas, como o tamanho, de abelhas guardas e forrageiras de 28 espécies de abelhas sem ferrão mais comuns no Brasil, e ecologicamente variadas – com diferentes tipos de habitat, hábitos de nidificação, métodos de forrageamento e tamanhos de colônia, que podem variar de algumas centenas a dezenas de milhares de operárias.

As análises indicaram que em 10 das 28 espécies analisadas as abelhas guardas foram significativamente maiores do que as forrageiras. As espécies com abelhas guardas maiores apresentaram uma variação entre 10% e 30% no tamanho em comparação com as abelhas operárias.
As três espécies com maior grau de diferenciação de tamanho foram as jataís Tetragonisca angustula e Tetragonisca fiebrigi e a moça-branca (Frieseomelitta longipes).

As abelhas guardas de várias espécies do gênero de abelhas sem ferrão Frieseomelitta não apenas são maiores, como também possuem uma coloração mais escura do que as operárias, constataram os pesquisadores.

“Observamos que a diferença entre abelhas operárias e guardas é muito mais comum entre espécies de abelhas sem ferrão do que se imaginava e que a evolução das abelhas guardas com tamanho corporal maior parece estar relacionada ao risco de ataque por abelhas parasitas”, disse Almeida.
“Isso muda algumas interpretações de como teria sido a evolução de comportamentos sociais de espécies de abelhas sem ferrão e as relações entre elas dentro dos ninhos, por exemplo”, apontou.

Pressão evolutiva

A fim de identificar quando se iniciou a diferenciação das abelhas e quais fatores contribuíram para desencadear esse processo, os pesquisadores fizeram testes baseados em análises filogenéticas (da história evolutiva) das 28 espécies de abelhas sem ferrão incluídas no estudo.

Os resultados das análises indicaram que o ancestral comum dessas espécies de abelhas sem ferrão tinha operárias com tamanho similar e que o aumento do tamanho das guardas teria evoluído pelo menos cinco vezes de forma independente nos últimos 20 a 25 milhões de anos.

O período é considerado recente em relação à idade de diversificação das abelhas sem ferrão como um todo – iniciado há 80 milhões de anos – e coincide com o surgimento das abelhas do gênero parasita Lestrimelitta – conhecidas como abelhas ladras –, apontaram os pesquisadores.
“O surgimento das espécies desse gênero, que apresentam um comportamento muito especializado de invadir os ninhos de outras abelhas para saqueá-los, pode ter exercido uma pressão evolutiva sobre as espécies alvos dos ataques favorecendo o desenvolvimento de mecanismos de defesa – neste caso, as abelhas guardas – para se protegerem”, estimou Almeida.

Entre as 28 espécies de abelhas sem ferrão estudadas, 10 são alvos conhecidos de Lestrimelitta, cujos ataques frequentemente destroem as colônias.

As espécies de abelhas sem-ferrão alvos das abelhas ladras são quatro vezes mais propensas a ter guarda com maior tamanho em comparação às que não são vítimas frequentes, apontaram os pesquisadores.

“À medida que essas espécies de abelhas sem ferrão alvos das abelhas ladras passam a sofrer menos ataques ou que conseguem interceptá-los, elas passam a ter a chance de aumentar sua descendência, o que representa uma vantagem evolutiva”, avaliou Almeida.

O artigo “Repeated evolution of soldier sub-castes suggests parasitism drives social complexity in stingless bees” (doi: 10.1038/s41467-016-0012-y), de Christoph Grüter e outros, pode ser lido na revista Nature Communications em www.nature.com/articles/s41467-016-0012-y.
 

Um enxame ordenado 

Sequenciamento do DNA de abelhas ajuda a decifrar o desenvolvimento desses insetos

RAFAEL GARCIA | ED. 233 | JULHO 2015

© EDUARDO CESAR

Em Apis mellifera, a abelha produtora do mel comercializado, as tarefas são bem repartidas na colônia.

Alguém que se perder pelo campus da Universidade de São Paulo (USP) de Ribeirão Preto e se deixar atrair pela beleza de um prédio ladeado por quatro espelhos d’água e um arbusto de amor-agarradinho na entrada pode levar um susto. Junto a esse belo jardim há um gramado com uma centena de caixas de madeira apoiadas em pequenos pedestais, como se fossem altares. O curioso que se aproximar um pouco mais vai perceber que entrou no meio de um apiário a céu aberto. É ali, literalmente no meio de uma revoada de abelhas nativas sem ferrão, que os biólogos Zilá Simões, Klaus Hartfelder e Márcia Bitondi tentam entender como a estrutura social e o comportamento desses insetos estão codificados no DNA. As colônias de Apis mellifera (a abelha com ferrão comumente usada na produção de mel) ficam numa área separada, onde não há risco de algum desavisado entrar sozinho.

Os três pesquisadores são o núcleo central do Laboratório de Biologia do Desenvolvimento de Abelhas (LBDA), uma rede de pesquisadores presente em diversas instituições paulistas (ver Pesquisa FAPESP nº 130). O grupo participou dos consórcios que mapearam o genoma da Apis mellifera e mais recentemente o da abelha mandaçaia, a Melipona quadrifasciata, e prepara agora o sequenciamento de uma outra espécie brasileira, a marmelada-amarela (Frieseomelitta varia). Isso sem contar as dezenas de estudos sobre funções específicas de genes de desenvolvimento de abelhas.

Na década que se seguiu à publicação do primeiro genoma de abelhas, em um artigo na revista Nature, em 2006, o grupo passou a se beneficiar do mesmo conjunto de ferramentas que surgiu com o trabalho no genoma humano e que mudou o cenário de pesquisa biomédica. Além de obter a sequência completa do DNA dos insetos, os pesquisadores dispõem agora de ferramentas e know-how para gerar e analisar transcriptomas. O termo é uma referência à análise de genes que estão sendo transcritos – ou seja, ativos na produção de proteínas – em diferentes tecidos das abelhas.

Ao analisar os resultados, os pesquisadores conseguem enxergar a rede de interação entre os genes transcritos, vendo quais influenciam a expressão de outros genes e quais estão ligados a aspectos de interesse. Em um estudo recente, por exemplo, o grupo conseguiu identificar o papel de genes envolvidos no desenvolvimento de abelhas operárias. Essa casta possui nas pernas traseiras uma estrutura específica para transportar pólen, a corbícula, que é ausente em abelhas-rainhas. Como cada larva pode se desenvolver em rainha ou operária, conforme o alimento que recebe, só os transcriptomas revelam como elas se diferenciam. Com técnicas de genômica e bioinformática, os cientistas de Ribeirão Preto conseguiram identificar genes do tipo Hox – que controlam a parte principal do desenvolvimento do corpo –, importantes na formação das corbículas, e descreveram a descoberta em um artigo na revista PLoS One, em 2012. Um desses genes, o Ubx, tinha um nível de expressão 25 vezes maior durante a fase de pupa nas abelhas operárias, em comparação com as rainhas, e se revelou uma chave essencial para a diferenciação de castas.

© JULIANA RAMOS MARTINS

Câmaras nutridoras alimentam ovócito em ovaríolo de rainha…

Os Hox pertencem a uma grande família de genes muito visada por pesquisadores da biologia do desenvolvimento por determinar quais estruturas do corpo derivam de cada segmento de um embrião. Em alguns casos, porém, é preciso olhar partes mais sutis do genoma para entender como as funções são distribuídas em uma colônia. Em um estudo subsequente publicado no mesmo periódico, em 2013, Hartfelder e colaboradores descrevem algumas sequências reguladoras, chamadas RNAs não codificadores longos, que influenciam o tamanho dos ovários das abelhas. Essas moléculas, junto com microRNAs, são peças-chave no processo de diferenciação de castas, por exemplo por provocarem a destruição de muitas células dos ovários de operárias. Isso faz com que o sistema reprodutivo das rainhas seja muito maior, característica fundamental para a produção constante de ovos.

Transcriptomas

Com o objetivo de fazer esse tipo de estudo, o LBDA já conseguiu produzir com seus colaboradores mais de 100 transcriptomas de diferentes tecidos do inseto, em diferentes momentos da vida. O desafio é entender em detalhes como o desenvolvimento de castas está programado no DNA e é desencadeado pela dieta – notavelmente, as abelhas-rainhas são alimentadas com mais geleia real do que as operárias em momentos-chave de seu desenvolvimento.

E não é de hoje que a compreensão do desenvolvimento das abelhas é considerada um desafio. A organização desses insetos contraria um princípio da biologia segundo o qual a evolução não é capaz de criar animais longevos que tenham também alta taxa de reprodução. Seria preciso abrir mão de uma característica em prol da outra. A abelha-rainha, porém, vive tipicamente mais que um ano (muito para um inseto) e tem alta taxa de reprodução, chegando a botar até meio milhão de ovos ao longo da vida. Isso é possível graças à divisão de funções com as abelhas operárias, que vivem algo em torno de um mês sem se reproduzir.
Esse tipo marcante de divisão de trabalho na colônia foi o alvo de um estudo internacional do qual o LBDA fez parte – principal motivo pelo qual o laboratório de Ribeirão Preto analisou o DNA da mandaçaia. Existe um espectro de socialização quando se analisam todas as espécies de abelhas, algumas com divisão de castas mais acentuada (eussociais), enquanto na maioria as fêmeas vivem solitárias. O grupo comparou os genomas de 10 tipos diferentes de abelhas e descobriu que quanto mais eussocial e hierarquizada é uma espécie, mais sequências reguladoras de genes existem no DNA, conforme mostra artigo publicado no mês passado na Science. No caso de Apis mellifera, quando a rainha morre, as operárias produzem outra rainha, alimentando uma larva com geleia real. Em espécies menos eussociais, operárias chegam a competir com a rainha pela reprodução, enquanto nas espécies não sociais todas as fêmeas se reproduzem. Na mandaçaia, uma abelha nativa altamente social, a divisão de funções é muito clara, mas as operárias participam da reprodução da colônia produzindo machos.
A rede de interação entre esses trechos de DNA – que não contêm propriamente receitas de proteínas, mas influenciam a atividade de outros trechos – é tão abundante que Zilá já aposta na criação de um novo termo para defini-la: reguloma. “Essa palavra ainda não é usada, mas o estudo disso na prática já começou a ser feito”, diz a cientista.

© JULIANA RAMOS MARTINS

… e musculatura (em vermelho) cobre intestino de operária. Em azul, os núcleos das células

Bioinformática
Dominadas as ferramentas de genômica, a quantidade de informações geradas pelos pesquisadores do LBDA é tão grande que não é mais possível trabalhar da mesma forma que antes. O que laboratórios de ponta de biologia de abelhas estão fazendo hoje é essencialmente aquilo que o geneticista americano Eric Lander (um dos pais do Projeto Genoma Humano) chamou de “fazer ciência sem partir de hipóteses”, deixando muitos biólogos contrariados. Com a genômica, os cientistas podem olhar para o funcionamento molecular de um organismo sem precisar de concepção inicial sobre qual gene faz o quê, escolhendo os genes a serem estudados por meio de algoritmos que analisam as redes de interação entre eles.
Não está claro se a metodologia da genômica é fundamentalmente diferente de outras áreas da ciência, mas certamente a maneira de trabalhar dos geneticistas mudou muito. “Uma das peças fundamentais hoje é ter bons bioinformatas, não vivemos mais sem eles”, diz Márcia. “E um laboratório sozinho não consegue fazer isso. É preciso congregar a expertise de vários laboratórios.”
Na USP de Ribeirão Preto, a demanda por esse tipo de pesquisador foi suprida por projetos de pós-graduação com parte do treinamento dada no próprio Departamento de Genética, mas o conhecimento de ciência da computação teve de ser buscado fora. Assim foi a trajetória de Daniel Guariz Pinheiro, graduado no Instituto de Matemática e Estatística (IME) da USP, que fez um estágio de pós-doutorado no Departamento de Genética de Ribeirão. Hoje ele é professor na Unesp de Jaboticabal e o principal bioinformata na rede de colaboração do LBDA.
Além de trabalhar nos transcriptomas, uma das funções do bioinformata é organizar os genomas que são usados como base dos estudos, porque as máquinas de sequenciamento obtêm fragmentos de DNA que precisam ser enfileirados de maneira correta. “A bioinformática entra então para montar esse quebra-cabeça, ligando as partes para que se obtenha a sequência genômica completa”, diz Guariz, que atuou no trabalho publicado na Science. “Já estamos em mais de 99%, especialmente no caso da Apis mellifera.”
Um dos trabalhos de destaque com participação dos cientistas do LBDA foi uma colaboração internacional liderada pela Universidade de Uppsala, na Suécia, para o qual foram sequenciados genomas de 140 abelhas melíferas ao redor do mundo, pertencentes a diferentes populações. O mapa da diversidade genética da Apis mellifera, publicado em 2014 na revista Nature Genetics, sugere uma origem diferente para a espécie. Acreditava-se que ela teria surgido na África, mas o estudo aponta para uma dispersão a partir da Ásia, local onde também vivem hoje as outras abelhas do gênero Apis.
Intervenção
Nem só de trabalho no computador vivem os biólogos de Ribeirão Preto, porém. Uma de suas atividades essenciais é fazer experimentos para comprovar hipóteses levantadas pela genômica. Usando uma técnica chamada de interferência de RNA, os pesquisadores do LBDA conseguem desligar a expressão de genes específicos em abelhas para estudar sua funcionalidade.
Esse tipo de pesquisa básica também tem implicações práticas, com as reduções acentuadas das populações de diversas espécies de abelhas nas quais viroses e pesticidas são apontados como os principais culpados. Além do impacto ecológico desses fatores que ainda vêm sendo estudados, é preciso considerar os prejuízos para a agricultura de frutas, grãos e outras plantas que dependem de abelhas para polinização (ver texto ao lado). Duas espécies cujos genomas foram recentemente sequenciados e analisados com participação do LBDA são abelhas do gênero Bombus, o mesmo das mamangavas brasileiras, de alta importância para serviços ambientais de polinização. O resultado do trabalho foi publicado em junho na revista Genome Biology. Os pesquisadores descobriram que as Bombus, cuja socialidade é muito menos complexa, têm muitos genes que se acreditava exclusivos de Apis. O padrão de expressão de RNAs se mostrou marcadamente diferente entre esses dois gêneros, porém, reforçando a ideia de que é no reguloma que está a chave para entender o comportamento desses animais.
Para encontrar a melhor forma de lidar com as reduções de populações de abelha, dizem os pesquisadores, a pesquisa genômica poderá prover auxílio em suas três esferas: comparando espécies de abelhas, colônias de uma mesma espécie e indivíduos de uma mesma colônia (esta última por meio do estudo de transcriptomas). O grupo de Ribeirão Preto desenvolveu a expertise para trabalhar de todas essas formas.

© LÉO RAMOS

Scaptotrigona em flores de açaí, no Pará

Polinização por abelhas sustenta US$ 12 bilhões da agricultura brasileira
Há pelo menos duas décadas, os números de colmeias em diversas regiões do mundo têm sofrido reduções. O fenômeno, que ganhou o nome de Distúrbio do Colapso de Colônias (ou CCD, na sigla em inglês), é muito bem documentado na Europa e na América do Norte, onde há encolhimento de populações da ordem de até 50%, mas ainda pouco estudado no Brasil (ver Pesquisa FAPESP nº 137). O risco de a agricultura nacional sofrer grandes perdas com a falta de insetos para polinização, porém, é real, mostra um estudo recente liderado pela bióloga Tereza Cristina Giannini, da USP.
Ao lado de colegas da USP e da Universidade Federal do Ceará, ela analisou 141 plantas da agricultura brasileira e constatou que 85 delas dependem em algum grau da polinização por abelhas. O trabalho, publicado em maio na Journal of Economic Entomology estima que a receita dos cultivares que dependem de polinizadores cairia em 30%
(US$ 12 bilhões) se esses insetos sumissem do país. Metade desse valor se refere às plantações de soja. Café, tomate, algodão, cacau e laranja também poderiam ser grandemente afetados.
Mesmo entre os vegetais que não dependem totalmente de polinização cruzada, a transferência de pólen entre plantas diferentes afeta a qualidade dos frutos. “Aqui no Brasil, existe um trabalho muito consistente demostrando isso em morangos”, diz Tereza Cristina. “Os frutos ficam mais bem formados quando são polinizados por abelhas. Quando a polinização não ocorre, a polpa não cresce adequadamente e compromete a formação do morango.”
Agricultores brasileiros, porém, não têm ainda muita consciência da importância desses insetos além da produção de mel. É comum no meio agropecuário a noção de que a presença de abelhas é um serviço ambiental importante, mas mesmo assim poucos investem em manter colmeias para polinizar plantações. “O serviço de polinização oferecido pelas abelhas, porém, tem um valor muito superior ao dos conhecidos produtos da colmeia”, diz a bióloga.
No hemisfério Norte, várias causas têm sido apontadas para o CCD. As principais são o uso de inseticidas, a emergência de patógenos, a perda e a fragmentação de hábitat, as mudanças de clima, o manejo inadequado e a competição com espécies exóticas. No Brasil, porém, não se sabe ainda quais desses fatores representam maior ameaça.
Muitas das culturas estudadas pelo grupo de Tereza Cristina têm a Apis mellifera como polinizadora, mas também se destacam as abelhas sem ferrão, as abelhas solitárias do gênero Centris e as abelhas carpinteiras e mamangavas(Xylocopa e Bombus). Segundo Tereza Cristina, existe uma “necessidade urgente” de produção de pesquisas em biologia reprodutiva de plantas e insetos para entender a extensão do problema no país.

Projeto

Análise causal do desenvolvimento de Apis mellifera – genes reguladores e redes hierárquicas de expressão gênica na especificação de tecidos e órgãos (nº 2011/03171-5); Modalidade Projeto Temático; Pesquisadora responsável Zilá Luz Paulino Simões (FFCLRP-USP); Investimento R$ 1.029.830,00 (FAPESP).

Artigos científicos

WALLBERG, A. et al. A worldwide survey of genome sequence variation provides insight into the evolutionary history of the honeybee Apis mellifera. Nature Genetics. v. 46, n. 10, p. 1081-8. out. 2014

SADD, B. M. et al. The genomes of two key bumblebee species with primitive eusocial organization. Genome Biology. v. 16, n. 76. 24 abr. 2015.

GIANNINI, T. C. et al. The dependence of crops for pollinators and the economic value of pollination in Brazil. Journal of Economic Entomology. v. 108, n. 3, p. 1-9. 1º jun. 2015.

KAPHEIM, K. M. et al. Genomic signatures of evolutionary transitions from solitary to group living. Science. v. 348, n. 6239, p. 1139-43. 5 jun. 2015.