Evidence for convergent nucleotide evolution and high allelic turnover rates at the complementary sex determiner (csd) gene of western and Asian honey bees

Our understanding of the impact of recombination, mutation, genetic drift and selection on the evolution of a single gene is still limited. Here we investigate the impact of all of these evolutionary forces at the complementary sex determiner (csd) gene which evolves under a balancing mode of selection. Females are heterozygous at the csd gene and males are hemizygous; diploid males are lethal and occur when csd is homozygous. Rare alleles thus have a selective advantage, are seldom lost by the effect of genetic drift and are maintained over extended periods of time when compared to neutral polymorphisms. Here, we report on the analysis of 17, 19 and 15 csd alleles of Apis cerana, Apis dorsata and Apis mellifera honey bees respectively. We observed great heterogeneity of synonymous (pi S) and nonsynonymous (pi N) polymorphisms across the gene, with a consistent peak in exon 6 and 7. We propose that exons 6 and 7 encode the potential specifying domain (csd-PSD) which has accumulated elevated nucleotide polymorphisms over time by balancing selection. We observed no direct evidence that balancing selection favors the accumulation of nonsynonymous changes at csd-PSD (pi N/pi S ratios are all < 1, ranging from 0.6 to 0.95). We observed an excess of shared nonsynonymous changes, which suggests that strong evolutionary constraints are operating at csd-PSD resulting in the independent accumulation of the same nonsynonymous changes in different alleles across species (convergent evolution). Analysis of a csd-PSD genealogy revealed relatively short average coalescence times (~6 million years), low average synonymous nucleotide diversity (pi S < 0.09) and a lack of trans-specific alleles which substantially contrasts with previously analyzed loci under strong balancing selection. We excluded the possibility of a burst of diversification after population bottlenecking and intragenic recombination as explanatory factors, leaving high turn-over rates as the explanation for this observation. By comparing observed allele richness and average coalescence times with a simplified model of csd-coalescence, we found that small long term population sizes (i.e. Ne <104), but not high mutation rates, can explain short maintenance times, implicating a strong impact of genetic drift on the molecular evolution of highly social honey bees

Male reproductive organs of Apis dorsata

Based on an examination of a large number of everted copulatory organs of Apis dorsata drones, a new description of the structure is given (fig 1 c), which differs from previous publications. The result is of significance for classification within the genus Apis

Rediscovery of Apis vechti Maa, 1953: The Saban Honey Bee

The species Apis Vechti (MAA, 1953) the Sabah honey bee is organized as a valid species. Additional to the description of MAA (1953) species-specific characters associated with the endophallus, hind leg tibial hair of the drone and worker bee fore-wing venation are described

Paternity skew in seven species of honeybees (Hymenoptera: Apidae: Apis)

Honeybees (Apis) show an extremely polyandrous mating system. In general honeybee queens mate with at least ten drones. The reproductive success of the drones is usually biased giving rise to speculations of a first or last male advantage. Especially for A. andreniformis and A. florea a first male advantage was hypothesized due to the peculiar anatomy of their male genitalia. We reanalyzed data from the literature by using a sample size calibration method to survey the differences and similarities in paternity skew among species in the genus Apis. The paternity skew among seven honeybee species differed significantly, particularly due to the rare patrilines. The sorting algorithm, i.e. the ranking of the patrilines, had, however, a considerable effect on the paternity skew pattern. The frequent patrilines appeared to be similarly distributed in all tested species. As a consequence the proposed first male advantage in the dwarf honeybees is not supported by empirical data

Numbers of spermatozoa in queens and drones indicate multiple mating of queens in Apis andreniformis and Apis dorsata.

Drones of Apis dorsata had an average of 2.46·106 spermatozoa in their vesiculae seminales. Two queens had 3.67·106 spermatozoa in their spermathecae. In A adreniformis, drones had an average of 0.13·106 and the spermathecae of 2 queens contained 0.98 and 1.09·106 spermatozoa. In both A dorsata and A andreniformis the spermathecae of queens contained more spermatozoa than the vesiculae seminales of a single drone of either species. Therefore, we conclude that multiple mating occurs in both species as is the case for A mellifera, A cerana and A florea

Reproductive isolation among species of the genus Apis

In the 1960s, research on reproductive isolation in honeybees started with the pioneering work on Apis cerana and A. mellifera of F. Ruttner. Since then, the number of recognised Apis species increased from four to nine, and data on reproductive isolation played a key role in this development. In this paper, we discuss the behavioural mating barriers (mating season, mating place, sexual signals, daily mating periods), copulatory barriers (size, genitalia, mating sign) and physiological barriers (sperm transfer, sperm storage) and postzygotic barriers (fertilisation, development, hybrids). Allopatric A. mellifera and allopatric populations of the other species had a uniform mating period during the afternoon hours. Sympatric honeybee species were separated mainly by different daily mating periods. The mating period differed between populations of the same species from different regions. The sequence of the mating periods, however, described from Sri Lanka, Thailand and Sabah (Borneo) followed the same pattern and showed a taxonomic and size correlation: the dwarf bees ( A. andreniformis and/or Apis florea) occupied the first position shortly after noon. The next mating period was occupied by cavity-dwelling bees and at sunset, A. dorsata drones flew out for mating. In addition, in the honeybee species that have been studied, various non behavioural mating barriers have been demonstrated.L'isolement reproductif parmi les espèces du genre Apis . Les études sur l'isolement reproductif des abeilles du genre Apis ont commencé relativement tard par rapport aux autres animaux ou aux plantes. Cela est dû principalement au fait que les colonies d'abeilles qui étaient importées d'Afrique ou du Bassin méditerranéen vers l'Europe appartenaient à la même espèce (Apis mellifera L.), et se croisaient donc avec les abeilles déjà présentes. Ce n'est qu'en 1965 que F. Ruttner, après avoir importé de Chine des colonies d'A. cerana Fabricius, put ouvrir un nouveau chapitre de la recherche apidologique par des travaux expérimentaux sur les barrières reproductives entre races d'abeilles. Traditionnellement les barrières reproductives ont été classées selon un ordre chronologique par rapport à la fécondation en obstacles prézygotiques et postzygotiques. Afin de mieux prendre en compte les particularités biologiques du processus compliqué de l'accouplement multiple chez le genre Apis, nous avons divisé la phase prézygotique en trois sous-groupes (Tab. I) et utilisé les définitions suivantes : Barrières comportementales. - Les barrières comportementales empêchent le contact physique entre la reine et les mâles. Les barrières à la copulation interviennent pendant la copulation et empêchent le transfert du sperme. Les barrières physiologiques bloquent la voie au sperme entre les oviductes de la reine et la spermathèque, et plus tard la pénétration dans l'œuf. Les barrières postzygotiques perturbent le développement normal et conduisent à la mort ou à l'infertilité des hybrides. Barrières reproductives liées au comportement. - La formation des essaims de multiplication et les accouplements n'ont lieu en règle générale qu'à la belle saison. En conséquence, les espèces sympatriques produisent des mâles et des reines toujours en même temps ; il n'y a donc pas de divergence dans la saison d'accouplement qui puisse agir comme barrière reproductive entre espèce d'Apis. Un schéma général des lieux de rassemblements de mâles (LRM) de trois espèces (Fig. 1) a été déduit des observations faites en trois lieux différents à Bornéo. La question de savoir dans quelle mesure la séparation spatiale trouvée entre les LRM spécifiques à chaque espèce est valable comme barrière reproductive a été étudiée à l'aide de leurres (Fig. 2). On a pu montrer que les mâles pouvaient être attirés sur un LRM d'une espèce étrangère et y copuler avec des leurres spéciaux (Fig. 3). Les différents LRM ne peuvent donc pas jouer pleinement le rôle de barrière reproductive entre espèces du genre Apis. Les mâles réagissent aux extraits de reines d'espèces étrangères, et les mâles de différentes espèces copulent avec un même leurre, imprégné que d'une phéromone (9-ODA) (Fig. 3). On ne peut donc attribuer qu'une importance nulle ou faible au bouquet phéromonal des reines en tant que barrière reproductive. Des périodes d'accouplement différentes au cours de la journée viennent en première position parmi les barrières reproductives liées au comportement. Le tableau II résume les résultats des recherches sur ce point et montre des différences dans les périodes d'accouplement au sein d'une même espèce. Néanmoins, la succession chronologique des périodes d'accouplement spécifiques à chaque espèce est dans l'ensemble semblable au Sri Lanka, en Thaïlande et à Bornéo. Les abeilles naines (A. andreniformis et/ou A. florea) arrivent en première position, au moment où le soleil est au zénith, ou juste après. La période suivante est occupée par les abeilles qui nidifient dans des cavités. Et peu avant le coucher du soleil, les mâles d'A. dorsata sortent pour effectuer leur bref vol nuptial. Il se dégage de l'ensemble un schéma uniforme, et la position de la période d'accouplement propre à une espèce semble n'être corrélée qu'avec la taille de l'insecte, que ce soit entre groupes taxonomiques ou au sein d'un même groupe. Il est encore prématuré de spéculer sur les mécanismes à l'origine de cette succession chronologique, mais une particularité du comportement d'accouplement des mâles pourrait jouer un rôle. La réaction des mâles est dirigée vers les reines qui, chez toutes les espèces du genre Apis, sont plus grosses que les mâles. Aussi les mâles des plus petits espèces pourraient essayer de copuler avec les mâles des plus grosses en les prenant pour des reines et les empêcher ainsi d'avoir accès aux reines. Mais de telles considérations ne reposent pas encore sur des bases expérimentales, et il est tout autant possible que ce ne soit pas la taille corporelle elle-même qui soit décisive, mais des facteurs physiologiques liés à la taille, pour que les espèces les plus petites volent en premier. Notre hypothèse en est arrivée au test à grande échelle, puisque A. florea a été récemment introduite accidentellement en Afrique, où ses populations s'étendent. Elles vont peut-être atteindre l'aire de répartition naturelle d'A. mellifera scutellata et parvenir à une coexistence sympatrique. Dans ce cas, nous prédisons que les mâles d'A. florea accompliront leurs vols de fécondation avant ceux d'A. mellifera. Barrières reproductives liées à la copulation. - Des différences de taille aussi bien que des différences de structure des organes copulateurs peuvent empêcher la copulation. Les deux situations se rencontrent chez les abeilles naines et les abeilles géantes. Les abeilles qui nidifient dans les cavités se distinguent elles aussi nettement des espèces sus-mentionnées. Mais au sein des groupes ce type de barrières n'est pas total. Les organes de copulation des abeilles géantes A. laboriosa et A. dorsata ont la même structure et les rapports de taille sont semblables. Chez les deux espèces d'abeilles naines (A. florea, A. andreniformis) les organes de copulation, bien qu'ayant des différences nettes dans la pilosité et la forme, sont bâtis sur le même principe, si bien qu'une copulation semblerait possible. Mais puisque les sexués volent à des heures différentes, il n'y a aucune possibilité de le tester. Cela vaut également pour toutes les espèces sympatriques. L'importation d'A. cerana en Europe a permis d'étudier les interactions interspécifiques lors de l'accouplement. Au début de nombreuses reines d'A. cerana ont été perdues. Une reine d'A. cerana, qui était rentrée du vol de fécondation mais n'avait pas pondu d'œufs, a été mutilée par le signe de fécondation d'un mâle d' A. mellifera qui était resté enfoncé dans l'oviducte. Visiblement le signe de fécondation de l'espèce étrangère n'avait pu être ôté. Cela pourrait être valable pour des accouplements entre autres espèces car les signes de fécondation sont construits différemment (Fig. 5). Barrières reproductives liées à la physiologie. - La variation selon l'espèce du nombre de spermatozoïdes des mâles semble empêcher une insémination suffisante. Ainsi une reine d'A. mellifera devrait s'accoupler avec 120 mâles d'A. cerana pour avoir une quantité de sperme équivalent à celui transféré par 12 mâles d'A. mellifera. Le tableau IV donne le nombre de spermatozoïdes transféré par un mâle de chaque espèce. Le pourcentage de spermatozoïdes qui atteint la spermathèque varie également d'une espèce à l'autre (Tab. IV). La physiologie du tractus génital et de la spermathèque semble par contre semblable. Après insémination artificielle, les spermatozoïdes sont parvenus jusqu'à présent dans la spermathèque dans tous les cas et sont restés viables durant la période testée (de trois jours à cinq semaines) (Tabs. VI et VII). Barrières postzygotiques. - Des essais de croisement entre espèces n'ont été menés à ce jour que sur une échelle réduite. Lors de croisements dans les deux sens entre A. cerana et A. mellifera, des œufs ont bien été fécondés, mais l'embryon est mort 48 h plus tard pendant la formation de la blastula. Lors de croisements entre deux reines d'A. cerana avec des mâles d'A. koschevnikovi, quelques hybrides se sont développés et ont donné des ouvrières. Une reine a donné naissance à des gynandromophes ayant un aspect de mâles, que l'on pouvait reconnaître principalement au grand écartement de leurs yeux (Tab. VIII). Les autres hybrides possédaient de nombreuses caractéristiques des ouvrières. En conclusion, nous discutons le rôle qu'a joué la recherche sur les barrières reproductives dans la reconnaissance de nouvelles espèces d'abeilles et dans la détermination des distances taxonomiques. La démonstration des différentes périodes de vol des mâles a été d'une importance décisive dans la reconnaissance d'A. koschevnikovi, d'A. nuluensis et d'A. nigrocincta. Par contre, les "barrières post-accouplement ", tels que la forme de l'endophallus, le transfert de sperme et la viabilité des hybrides, conviennent mieux pour estimer la distance taxonomique

Mating flight duration of Apis mellifera queens: As short as possible, as long as necessary

Polyandry in queen honey bees (Apis mellifera) prolongs the duration of nuptial flights which increases costs and risks. Under conditions of limited drone numbers the hypothesis was tested whether or not there is a threshold for successful mating during mating flight. In 29 queens we found a significant negative correlation between mating flight duration and number of spermatozoa in the spermatheca (Pearson r = -0.38, $P$ = 0.04). This negative correlation supports the idea that queens continuously get information on her mating success during flight and return to the colony as soon as they have met a sufficient number of drones. In case of normal availability of drones queens fly from 10 to 30 minutes, so we compared 2 groups of queens (flight duration less than 30 versus more than 30 minutes). Sperm numbers differed significantly between the two groups (3.0 $\pm$ 0.77 and 1.1 $\pm$ 1.04 million, Wilcoxon, $P$ < 0.001). These results further indicate that queens monitor mating success during flight

EINFLUSS DER KOPULATION AUF DEN BEGINN DER EIABLAGE BEI DER BIENENKÖNIGIN (APIS MELLIFICA L.)

International audienc