Os hidrocarbonetos cuticulares têm importante papel no processo de reconhecimento dos membros da colônia de insetos sociais. Muitos estudos têm mostrado variações qualitativas e quantitativas nestes compostos entre os insetos adultos. Contudo, abordagens referentes à modulação do perfil destes compostos durante a formação da cutícula são escassas, e se restringem aos estágios larval de holometábolos e de ninfas de hemimetábolos. O principal objetivo dessa pesquisa foi caracterizar o perfil de hidrocarbonetos cuticulares e a expressão de genes potencialmente relacionados à sua biossíntese durante o processo de formação e maturação da cutícula adulta. Os perfis de hidrocarbonetos foram caracterizados por meio de GC/MS e mostraram diferenças quantitativas marcantes que significativamente discriminaram as cutículas pupal, adulta-farata e adulta. Em paralelo, sequências de enzimas que catalisam a desaturação (desaturases) ou elongação (elongases) de lipídeos, disponíveis no banco de dados do NCBI, foram utilizadas para o desenho de primers e estudo da expressão gênica por meio de RT-qPCR. Cinco genes de desaturases, e oito genes de elongases mostraram variação de expressão estatisticamente significante no tegumento de abelhas adultas em comparação com pupas e adultas-faratas. Testes de correlação entre os perfis de expressão gênica e de hidrocarbonetos cuticulares evidenciaram os genes potencialmente envolvidos com a biossíntese destes compostos para a formação e maturação da cutícula. Estes resultados corroboram a hipótese de que nos insetos sociais, a cutícula só amadurece completamente por ocasião do início da atividade de forrageamento. Associando estes dados a análises de evolução molecular das desaturases e elongases, pudemos sugerir as etapas da via de síntese de hidrocarbonetos catalisadas por estas enzimas, e assim eleger genes candidatos a futuro silenciamento mediado por RNA de interferência para pesquisa de função. / Cuticular hydrocarbons are important for recognition of nestmates in social insect colonies. Many studies have shown qualitative and quantitative variations in the cuticular hydrocarbons between adult insects. However, approaches on developmental profiles of these compounds during cuticle formation and differentiation are scarce, and restricted to larval stages of holometabolous and nymphs of hemimetabolous. The main objective of this work was to characterize the cuticular hydrocarbons profiles and the expression of genes potentially involved in the biosynthesis of these compounds during the synthesis and differentiation of the adult cuticle in the honeybee. The hydrocarbons profiles were characterized using GC/MS and showed remarkable quantitative differences, thus discriminating the pupal, pharate-adult and adult cuticles from each other. In parallel, we used annotated sequences of enzymes catalyzing lipid desaturation (desaturases) or elongation (elongases), available in NCBI data bank, for primers design and gene expression analysis using RT-qPCR. Five desaturase genes and eight elongase genes showed statistically significant expression changes in the integument of adult bees in comparison to pupae and pharate-adults. Correlation tests supported roles of some of the desaturase and elongase genes in hydrocarbons biosynthesis for incorporation into adult cuticle. In addition, these results go along with the hypothesis that in social insects the cuticle is just completed when the insect starts forager activity. Taken together, these data and an analysis on the molecular evolution of desaturases and elongases allowed suggesting the steps in the pathway of cuticular hydrocarbons biosynthesis that are catalyzed by these enzymes, and also allowed to elect candidate genes for further functional studies using gene silencing mediated by RNAi.

Os hidrocarbonetos cuticulares têm importante papel no processo de reconhecimento dos membros da colônia de insetos sociais. Muitos estudos têm mostrado variações qualitativas e quantitativas nestes compostos entre os insetos adultos. Contudo, abordagens referentes à modulação do perfil destes compostos durante a formação da cutícula são escassas, e se restringem aos estágios larval de holometábolos e de ninfas de hemimetábolos. O principal objetivo dessa pesquisa foi caracterizar o perfil de hidrocarbonetos cuticulares e a expressão de genes potencialmente relacionados à sua biossíntese durante o processo de formação e maturação da cutícula adulta. Os perfis de hidrocarbonetos foram caracterizados por meio de GC/MS e mostraram diferenças quantitativas marcantes que significativamente discriminaram as cutículas pupal, adulta-farata e adulta. Em paralelo, sequências de enzimas que catalisam a desaturação (desaturases) ou elongação (elongases) de lipídeos, disponíveis no banco de dados do NCBI, foram utilizadas para o desenho de primers e estudo da expressão gênica por meio de RT-qPCR. Cinco genes de desaturases, e oito genes de elongases mostraram variação de expressão estatisticamente significante no tegumento de abelhas adultas em comparação com pupas e adultas-faratas. Testes de correlação entre os perfis de expressão gênica e de hidrocarbonetos cuticulares evidenciaram os genes potencialmente envolvidos com a biossíntese destes compostos para a formação e maturação da cutícula. Estes resultados corroboram a hipótese de que nos insetos sociais, a cutícula só amadurece completamente por ocasião do início da atividade de forrageamento. Associando estes dados a análises de evolução molecular das desaturases e elongases, pudemos sugerir as etapas da via de síntese de hidrocarbonetos catalisadas por estas enzimas, e assim eleger genes candidatos a futuro silenciamento mediado por RNA de interferência para pesquisa de função. / Cuticular hydrocarbons are important for recognition of nestmates in social insect colonies. Many studies have shown qualitative and quantitative variations in the cuticular hydrocarbons between adult insects. However, approaches on developmental profiles of these compounds during cuticle formation and differentiation are scarce, and restricted to larval stages of holometabolous and nymphs of hemimetabolous. The main objective of this work was to characterize the cuticular hydrocarbons profiles and the expression of genes potentially involved in the biosynthesis of these compounds during the synthesis and differentiation of the adult cuticle in the honeybee. The hydrocarbons profiles were characterized using GC/MS and showed remarkable quantitative differences, thus discriminating the pupal, pharate-adult and adult cuticles from each other. In parallel, we used annotated sequences of enzymes catalyzing lipid desaturation (desaturases) or elongation (elongases), available in NCBI data bank, for primers design and gene expression analysis using RT-qPCR. Five desaturase genes and eight elongase genes showed statistically significant expression changes in the integument of adult bees in comparison to pupae and pharate-adults. Correlation tests supported roles of some of the desaturase and elongase genes in hydrocarbons biosynthesis for incorporation into adult cuticle. In addition, these results go along with the hypothesis that in social insects the cuticle is just completed when the insect starts forager activity. Taken together, these data and an analysis on the molecular evolution of desaturases and elongases allowed suggesting the steps in the pathway of cuticular hydrocarbons biosynthesis that are catalyzed by these enzymes, and also allowed to elect candidate genes for further functional studies using gene silencing mediated by RNAi.

Diferenças no timing da melanização e esclerotização do exoesqueleto são evidentes quando se compara a morfologia externa de abelhas de hábitos sociais e as solitárias. A esta diferença convencionamos chamar de heterocronia da maturação cuticular, o termo heterocronia significando variações no tempo relativo, ou ritmo, de um evento ontogenético em relação ao ancestral ou entre taxons. Propusemos que as abelhas sociais, que após a ecdise permanecem na colônia por vários dias, alcançariam a maturidade de alguns sistemas orgânicos, entre eles o tegumento, muito mais tarde que as espécies de abelhas solitárias que ao emergir partem imediatamente para atividades extra-nidais. Neste contexto, o objetivo deste trabalho consistiu em testar esta hipótese utilizando o tegumento em maturação das espécies de abelhas sociais, Apis mellifera e Frieseomelitta varia, e da espécie solitária Centris analis, em estudos comparativos de expressão gênica, ultraestrutura e quantificação de hidrocarbonetos cuticulares (CHCs). Para isto utilizamos sequenciamento de mRNA (RNA-seq), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e cromatografia de gás e espectrometria de massas (CG/MS). Os perfis de expressão de genes da via de melanização/esclerotização cuticular (ebony e tan) diferenciaram as espécies sociais da solitária, assim como a expressão de genes com função na via de metabolismo de quitina (Cda5, Idgf4 e chitooligosacchariodolytic-domain-like) e de genes codificadores de proteínas estruturais da cutícula (CPR14, CPR17, CPR18, CPR25, CPR23, CPR26, Apd-3 e Apd-like). Genes com função na regulação da maturação cuticular (FTZ-F1, E74, Hr46 e Hr4) se mostraram co-expressos nas espécies sociais e os perfis de expressão destes genes, exceto Hr46, e de outros reguladores (Ethr, Hr38, Rickets e Ptx-1) também diferenciaram as espécies sociais da solitária. Ressaltamos em nossas análises os genes do ciclo circadiano, cuja expressão tem relação com a deposição de quitina cuticular, além de genes de vias de pigmentação não melanínicas. As análises de MET, abrangendo outras três espécies de abelhas (Bombus brasilienses: primitivamente eussocial; Euglossa cordata: facultativamente social; Tetrapedia diversipes: solitária), mostraram diferenças consistentes entre a ultraestrutura e espessura das cutículas das espécies sociais e solitárias, o que reforçou nossos resultados de RNA-seq. A quantificação absoluta dos CHCs diferenciou as abelhas sociais da solitária, consistente com a hipótese de heterocronia da maturação cuticular e com os perfis de expressão de genes envolvidos na biossíntese de CHCs. Assim, além de desvendar transcriptomas de tegumento de três espécies de abelhas, a comparação da expressão gênica aliada à análise de ultraestrutura da cutícula e quantificação de CHCs levaram à caracterização de diferenças no processo de maturação cuticular entre as espécies sociais e solitárias / Differences in the timing of exoskeleton melanization and sclerotization processes are evident when comparing the external morphology of social and solitary bee species. Such differences may constitute a relevant example of cuticular maturation heterochrony, this term referring to a genetic change in timing of an ontogenetic process relative to an ancestor or between taxons. We proposed that social bees, which remain protected inside the colony for many days before initiating outside nest activities, would reach the maturity of some organic systems, such as the integument (epidermis and cuticle), later than solitary bees, which start such activities immediately after ecdysis. We tested this hypothesis in a comparative study of the developing integument of eusocial bees, Apis mellifera and Frieseomelitta varia, and the solitary bee Centris analis. Using RNA-seq, we verified that the expression profiles of genes involved in cuticular melanization and sclerotization (ebony and tan), chitin deposition and organization (Cda5, Idgf4, chitooligosacchariodolytic-domain-like), and cuticle formation (CPR14, CPR17, CPR18, CPR25, CPR23, CPE26, Apd-3, Apd-like) were positively, correlated between the two eusocial species, but not between the eusocial and the solitary species. Some of the genes with roles in regulating exoskeleton maturation (FTZ-F1, E74, Hr46, Hr4) were co-expressed only in the eusocial species. The expression profiles of these genes (except Hr46) and other regulatory genes (Ethr, Hr38, Rickets, Ptx-1) were also positively correlated exclusively in the eusocial bees. We also highlighted the expression of genes involved in non-melanin pigment production and the expression of circadian rhythm genes that could be related to chitin layers deposition. Transmission electron microscopy analysis of the integument of the two eusocial and the solitary bee species, in addition to other three bee species (the primitively eusocial Bombus brasilienses; the facultatively social Euglossa cordata; the solitary bee Tetrapedia diversipes), showed differences in cuticle ultrastructure and thickness, thus supporting the RNA-seq data. In agreement with our hypothesis, CHC quantifications were consistent with the expression levels of genes involved in CHC biosynthesis, thus differentiating the superficial cuticle layer of the eusocial and solitary species. Together, the integument transcriptomes, ultrastructure, and CHC quantification allowed us to characterize differences in the timing of cuticle maturation in social and solitary bees

Diferenças no timing da melanização e esclerotização do exoesqueleto são evidentes quando se compara a morfologia externa de abelhas de hábitos sociais e as solitárias. A esta diferença convencionamos chamar de heterocronia da maturação cuticular, o termo heterocronia significando variações no tempo relativo, ou ritmo, de um evento ontogenético em relação ao ancestral ou entre taxons. Propusemos que as abelhas sociais, que após a ecdise permanecem na colônia por vários dias, alcançariam a maturidade de alguns sistemas orgânicos, entre eles o tegumento, muito mais tarde que as espécies de abelhas solitárias que ao emergir partem imediatamente para atividades extra-nidais. Neste contexto, o objetivo deste trabalho consistiu em testar esta hipótese utilizando o tegumento em maturação das espécies de abelhas sociais, Apis mellifera e Frieseomelitta varia, e da espécie solitária Centris analis, em estudos comparativos de expressão gênica, ultraestrutura e quantificação de hidrocarbonetos cuticulares (CHCs). Para isto utilizamos sequenciamento de mRNA (RNA-seq), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e cromatografia de gás e espectrometria de massas (CG/MS). Os perfis de expressão de genes da via de melanização/esclerotização cuticular (ebony e tan) diferenciaram as espécies sociais da solitária, assim como a expressão de genes com função na via de metabolismo de quitina (Cda5, Idgf4 e chitooligosacchariodolytic-domain-like) e de genes codificadores de proteínas estruturais da cutícula (CPR14, CPR17, CPR18, CPR25, CPR23, CPR26, Apd-3 e Apd-like). Genes com função na regulação da maturação cuticular (FTZ-F1, E74, Hr46 e Hr4) se mostraram co-expressos nas espécies sociais e os perfis de expressão destes genes, exceto Hr46, e de outros reguladores (Ethr, Hr38, Rickets e Ptx-1) também diferenciaram as espécies sociais da solitária. Ressaltamos em nossas análises os genes do ciclo circadiano, cuja expressão tem relação com a deposição de quitina cuticular, além de genes de vias de pigmentação não melanínicas. As análises de MET, abrangendo outras três espécies de abelhas (Bombus brasilienses: primitivamente eussocial; Euglossa cordata: facultativamente social; Tetrapedia diversipes: solitária), mostraram diferenças consistentes entre a ultraestrutura e espessura das cutículas das espécies sociais e solitárias, o que reforçou nossos resultados de RNA-seq. A quantificação absoluta dos CHCs diferenciou as abelhas sociais da solitária, consistente com a hipótese de heterocronia da maturação cuticular e com os perfis de expressão de genes envolvidos na biossíntese de CHCs. Assim, além de desvendar transcriptomas de tegumento de três espécies de abelhas, a comparação da expressão gênica aliada à análise de ultraestrutura da cutícula e quantificação de CHCs levaram à caracterização de diferenças no processo de maturação cuticular entre as espécies sociais e solitárias / Differences in the timing of exoskeleton melanization and sclerotization processes are evident when comparing the external morphology of social and solitary bee species. Such differences may constitute a relevant example of cuticular maturation heterochrony, this term referring to a genetic change in timing of an ontogenetic process relative to an ancestor or between taxons. We proposed that social bees, which remain protected inside the colony for many days before initiating outside nest activities, would reach the maturity of some organic systems, such as the integument (epidermis and cuticle), later than solitary bees, which start such activities immediately after ecdysis. We tested this hypothesis in a comparative study of the developing integument of eusocial bees, Apis mellifera and Frieseomelitta varia, and the solitary bee Centris analis. Using RNA-seq, we verified that the expression profiles of genes involved in cuticular melanization and sclerotization (ebony and tan), chitin deposition and organization (Cda5, Idgf4, chitooligosacchariodolytic-domain-like), and cuticle formation (CPR14, CPR17, CPR18, CPR25, CPR23, CPE26, Apd-3, Apd-like) were positively, correlated between the two eusocial species, but not between the eusocial and the solitary species. Some of the genes with roles in regulating exoskeleton maturation (FTZ-F1, E74, Hr46, Hr4) were co-expressed only in the eusocial species. The expression profiles of these genes (except Hr46) and other regulatory genes (Ethr, Hr38, Rickets, Ptx-1) were also positively correlated exclusively in the eusocial bees. We also highlighted the expression of genes involved in non-melanin pigment production and the expression of circadian rhythm genes that could be related to chitin layers deposition. Transmission electron microscopy analysis of the integument of the two eusocial and the solitary bee species, in addition to other three bee species (the primitively eusocial Bombus brasilienses; the facultatively social Euglossa cordata; the solitary bee Tetrapedia diversipes), showed differences in cuticle ultrastructure and thickness, thus supporting the RNA-seq data. In agreement with our hypothesis, CHC quantifications were consistent with the expression levels of genes involved in CHC biosynthesis, thus differentiating the superficial cuticle layer of the eusocial and solitary species. Together, the integument transcriptomes, ultrastructure, and CHC quantification allowed us to characterize differences in the timing of cuticle maturation in social and solitary bees