Den biologiska mångfalden i världen är starkt hotad. I ett ekologiskt perspektiv, d.v.s. för mångfalden som ingående i ett ekologiskt system, är hotet värre än enskilda arters risk för utrotning. Exempelvis är 90 % av världens blommande växter (träd, buskar och örter) beroende av pollinerare. Insekter som humlor, honungsbin, solitära bin, getingar, fjärilar och flugor ingår i detta system och spelar en avgörande roll för ekosystemen. Att insekternas krav på livsmiljö uppfylls är en förutsättning för fortlevnad. När vi människor påverkar ett ekosystem medför detta en risk att vi samtidigt omöjliggör för delar av ekosystemet att fungera. På sikt riskerar hela ekosystem att kollapsa. Att förstå hur en eller flera arter ingår i ett ekosystem och är beroende av hela systemet för sin fortplantning och fortlevnad är avgörande. Först på senare år har de insekters fortplantning, som så mycket av våra ekosystem är beroende av, studerats mer i detalj.
 
Insekternas, inklusive honungsbinas, fortlevnad 
Klassen insekter (Insecta) ingår i ordningen steklar (Hymenoptera) och omfattar över 900 000 beskrivna arter (80 % av alla världens arter). Av dessa finns över 200 000 arter av myror, bin, getingar samt växtsteklar och alla har samma typ av könsdifferentiering - haplodiploid med könsbestämning där hanar är haploida (en uppsättning kromosomer) och honor är diploida (två uppsättningar kromosomer). Hanar utvecklas ur obefruktade ägg (partenogenes) och honor ur befruktade ägg. Honorna kan kontrollera befruktning genom att frigöra lagrade spermier till ett ägg i äggläggningsröret. Honorna kan dessutom själva bestämma sin avkommas könsfördelning.
 
Det är fascinerande kunskaper som uppenbarar sig även om det återstår väldigt mycket att förstå. Tyvärr är kunskaperna om hur de ekologiska systemen fungerar ett mycket eftersatt område. Kunskap och förståelse för ekosystemens fysiologiska processer är avgörande för att undvika de hot mot vår miljö som vi står inför och som vi människor är orsak till.
 
Pollinerare
Pollinerare, inklusive honungsbin, är hotade av oss människor och huvudsakligen är det från två håll - bekämpningsmedel och minskat levnadsutrymme. Bekämpningsmedelsföretag, lantbruk och bekämpningsmedelsförespråkare står för ett av de effektivaste sätten att förstöra världens ekosystem. Insekticider, som är nervgifter typ stridsgaser, försvagar och dödar viktiga insekter. Även andra bekämpningsmedel försvagar och dödar, men på ett mer "osynligt" sätt. De rubbar i olika grad insekternas endokrina system (hormonsystemen) och därmed deras normala funktionsdugliga utveckling. Därför är det viktigt att förstå insekternas, inklusive honungsbinas, fysiologi. Om de känsliga fortplantningssystemen rubbas förstörs insekternas möjligheter att fortleva. Honungsbina och andra pollinerare av klassen insekter fortplantar sig genom ett system som är mycket annorlunda från exempelvis däggdjur och många andra djur. När det gäller honungsbin är det mest fascinerande att dieten anses avgöra bisamhällets framtida fortlevnad. Inte som mat utan som avgörande för om en äggläggande drottning ska kunna utvecklas och födas. Utan denna diet blir samhället utan drottning och kan inte leva vidare utan dör. Störs denna avgörande process i en större skala tar vi död på dessa viktiga pollinerare. Tänk på bekämpningsmedel och gränsvärden för oss människor. Tänk sedan dessa gränsvärden och små men viktiga bin.
 
Honungsbinas fortplantning
Honungsbin är spridda över i stort sätt hela världen men hur de ingår i ekosystemens balans för sin fortlevnad är fortfarande dåligt klarlagt trots att vi uppskattat binas honung under tusentals år.
 
Honungsbin är ovipara insekter d.v.s. fortplantar sig genom att lägga ägg. De utvecklar sig genom holometabolism eller, som det också heter, fullständig metamorfos (ägg-larv-puppa-färdig individ). Honungsbin lever i stora eusociala (mycket välorganiserade) samhällen bestående av 1 drottning och hennes avkomma, 20 000 till 90 000 arbetsbin av honkön och ett hundratal till tusen drönare av hankön.
 
Att honungsbin är haplodiploida betyder att honorna, som består av drottning och arbetare, utvecklas ur befruktade (diploida) ägg, medan hanarna, drönarna, utvecklas ur obefruktade (haploida) ägg - lagda av en drottning.
 
Fullständig metamorfos betyder att hon- och hanlarver genomgår en serie utvecklingsstadier, som börjar i en cell i en vaxkaka, med ägg, som övergår till larv, som förpuppas. Ur puppan i cellen kommer ett fullt utvecklat, vuxet bi (imago). Arbetsbiet av honkön genomgår en beteendeutveckling som innefattar en serie av arbetsuppgifter som ändras med växande ålder - temporär polyetism. Bina utför ett flertal olika arbetsuppgifter i samhället. Under de första 2-3 veckorna av sitt vuxna liv arbetar de exempelvis med att städa samt att mata och sköta avkomman - putsbi, ambi, husbi, byggbi och vaktbi. Därefter byts dessa sysslor till att flyga ut och samla in föda, nektar och pollen, under de återstående 5 - 7 veckorna av arbetsbiets liv under blomningssäsongen - dragbi. Ordningen på arbetsuppgifterna är mycket flexibel och beror på samhällets behov. Ett bi kan både hoppa över eller gå tillbaka till olika uppgifter. Uppgifterna är vanligtvis i ordningen - städa celler, täcka celler, sköta larver, sköta drottningen, ta emot nektar, städa upp skräp, packa pollen, sköta vaxbygget, ventilera, vakta och slutligen samla in föda.
 
Bisamhällets kön och kaster
Samhället har två kön, hanar och honor, men också vad som kallas tre kaster - drottning, arbetsbi och drönare. De två könen har endast honligt ursprung. Det finns inga kromosomer som specifikt identifierar hankönet. De tre kasterna har distinkta fysiologiska och funktionella skillnader. Drönare har till uppgift att befrukta drottning med spermier, så att drottningen ska kunna lägga befruktade ägg som blir till arbetsbin (och drönare ur obefruktade ägg). Arbetsbin ser till att skaffa föda till kommande generationer - och - ser till att det finns en drottning som kan lägga ägg som blir till nya arbetsbin. Drönaren kommer ur icke befruktade ägg som normalt drottningen lägger (men som även kan läggas av en obefruktad drottning eller av arbetsbin i brist på drottning). En ny drottning kommer ur befruktade ägg, som allt tyder på att arbetsbina bestämmer, och ser till, ska bli en ny drottning. Är det drottningen eller arbetsbina som bestämmer antalet drönare?
 
Men vad är det som gör att arbetsbin, drottning och drönare kan komma från en och samma kromosomuppsättning?
 
Målet med honungsbinas fortplantningssystem är att producera en fungerande äggläggande drottning som i sin tur kan producera 10-tusentals arbetsbin och ett hundratal drönare. Arbetsbina styr hela denna process genom att vid behov utveckla ett befruktat ägg till en ny drottning. Så länge den i samhället befintliga drottningen sköter sin syssla att lägga tusentals ägg, upp till 2000 ägg per dag under blomningssäsongen, är allt frid och fröjd. Om hon tacklar av så föder arbetsbina upp en ny drottning ur ett av de befruktade äggen. Den gamla drottningen dödas antingen av arbetsbina eller av den nya drottningen.
 
Om arbetsbina blir för trångbodda, d.v.s. har samlat ihop allt de får plats med, kan halva styrkan av arbetsbin sticka iväg med drottningen - svärma. De resterande bina måste då föda upp en ny drottning om de ska fortleva. Detta måste göras från ägg lagda av den utflugna drottningen.
 
Drönarnas syssla
Drönarna behövs för att befrukta en ny drottning. Det sker inte i kupan utan den nya drottningen flyger ut och sänder samtidigt ut luktsignaler som gör att drönarna, som helst ska komma från flera olika samhällen för att förhindra inavel, flyger ut. Drönarna har stora ögon för att kunna se var drottningen flyger. Väl sedd, flyger de fram till drottningen och så många som kan befruktar henne. Väl befruktad flyger hon tillbaka till kupan. Drottningen förvarar drönarnas spermier i en särskild "behållare" och befruktar äggen efterhand som de utvecklas. Sedan sker en första selektion av befruktade, diploida, ägg. De ägg som har identiska genpar (för könsbestämning) blir hanar, men dessa äts upp av arbetsbina vilket förhindrar inavel. De ägg som har olika genpar blir honor - arbetsbin.
 
Sannolikheten för att ett befruktat ägg ska bli ett arbetsbi är 0.99999 eller högre d.v.s. i  det närmaste 100 % eftersom det står en drottning mot sammanlagt 100 000-tals bin under de 3-5 år som drottningen kan vara en aktiv äggläggare. Egentligen är sannolikhet en ointressant aspekt eftersom arbetsbina (kollektivt?) bestämmer när ett ägg ska producera en ny drottning. Man kan tänka på att drottningen utvecklas som en larv i en enda cell bland flera tusen andra larver som ska bli arbetsbin - i samma vaxkaka.
 
Det kan alltså bara vara en drottning i ett samhälle som lägger ägg, vilket hon gör i upp till högst 5 år. Förutom befruktade, diploida ägg, som blir arbetsbin, lägger drottningen även färre men rätt antal obefruktade, haploid ägg - vid rätt tidpunkt. Dessa ägg utvecklas till drönare d.v.s. hanar. Det får inte bli för många drönare, som tär på matförrådet. De bidrar ju bara i bästa fall till att befrukta en ny drottning. Inför vintern när ingen näring samlas in körs drönarna helt enkelt ut ur kupan. Arbetsbina behöver all näring för att hålla drottningen och sig själva varma och vid liv. Drönare kan ju alltid produceras när drottningen så vill.
 
Könsbestämning
De flesta insekter (ca 80 %) har som vi människor (och andra däggdjur) X- och Y-kromosomer, som bestämmer könet - XX för hon- och XY för hankön. Så icke bin, getingar och myror. Arbetsbina och drottningen är av honkön med diploida XX-kromosomer d.v.s. ett par könskromosomer. Drönarna däremot har "bara" en haploid X-kromosom alltså ingen Y-kromosom.
 
Hos diploida organismer, typ människa, bestämmer hanen kommande kön, eftersom könscellerna antingen är Y eller X, som kan bli hane eller hona genom kombinationen XY eller XX. Honan har alltid X i sina könsceller.
 
Hos bina är det lite knepigare. Drönaren har bara en könskromosom, X från honorna, och därmed en "moder" men ingen "fader". När drönaren befruktar drottningen kan hennes befruktade ägg bara bli XX. Drottningen har därför XX precis som arbetsbina. Både drottningen och alla arbetsbina har samma uppsättning gener. Hur kan det då bli antingen drottning eller arbetsbi? Slump? Nej, absolut inte - vad som blir vad är väl planerat och genomfört - av arbetsbina!
 
Drönaren och drottningen
Vad är egentligen drönaren för figur och vad är egentligen drottning för figur? Drönaren borde vara enklare att förstå än drottningen. Vem ger upphov till drönarna och varför? När drottningen i ett samhälle bestämmer sig för (eller blir beordrad) att lägga obefruktade, haploida ägg, utvecklas drönare. Även arbetsbin kan lägga ägg men bara haploida. Eftersom arbetsbin inte är befruktade är deras ägg haploida och det blir "automatiskt" drönare. Varför och när haploida ägg läggs är en annan fråga? Hur som helst så utvecklas könsorgan av hankön hos drönaren så att en drottning kan befruktas med könsceller - spermier. Drönaren är alltså av hankön utan direkt hanbestämmande kromosomer. Det fungerar uppenbarligen ändå.
 
Om ett samhälle saknar drottning eller har en obefruktad drottning kan bara haploida ägg läggas. Följden blir att inga arbetsbin utvecklas utan bara drönare. Samhället dör ut; för vem ska jobba - inte drönaren i alla fall.
 
Drottningen
Hur en drottning utvecklas är lite knepigt. Ingen vet idag hur detta i detalj går till. Drottningen är ju inget tredje kön utan en larv till ett arbetsbi som samhället utser och bestämmer ska bli en drottning. Finns det något i generna, i DNA, som bestämmer könsfördelningen? Det finns inget som tyder på detta. Däremot finns gener för utveckling av drottning, arbetsbi alternativt drönare. Arbetsbin påstås så att säja var "default-stadium" för utveckling av diploida ägg. Något måste trigga larven (alltså något som ger något annat än "default-stadium") att bli en drottning och detta något påstås vara vad larven föds upp på - dieten alltså. Hypotesen börjar med det som kallas drottninggelé. Drottninggelé är en sammansättning av bearbetat nektar, pollen och honung som ägget läggs i och som larven matas med av arbetsbin - drottninggélen är bl.a. rik på socker men är detta orsaken? Drottninglarven växter fort och mycket, och det viktigaste är att könsorgan utvecklas. Det gör det även hos arbetsbin men i mycket mindre omfattning. Hur utvecklas könsorgan? Ett arbetsbi är färdigt 21 dagar efter äggläggningen, medan drottningen är färdig efter 16 dagar. Både arbetsbi och drottning är ägg i tre dagar innan de kläcks. De är också larver under lika lång tid - 5 dagar. Därefter läggs locket på - d.v.s. cellen förseglas med ett vaxlock. Då är drottningbiets cell betydligt större än arbetsbiets. Arbetsbiet är puppa i 12 dagar och på den 13:e kryper det vuxna biet ut. Drottningen är bara puppa i 7 dagar och kryper ut på den 8:e - dubbelt så stor som arbetsbiet. Den första tiden som larv är avgörande för drottningens utveckling.
 
Drottningen är det största biet (150-250 mg), med en stor bukdel som har väl utvecklade reproduktionsorgan: äggstockar med 200-400 äggledare och en "behållare" vid dessa äggledare (receptaculum seminis eller spermatheca) i vilken spermier förvaras. Drottningen ska utföra sin viktigaste uppgift - befrukta och lägga ägg.
 
Arbetsbiet
Arbetare är mindre än drottningen (80-110 mg) och har specialiserade morfologiska och fysiologiska egenskaper som hypofaryngeal körtel, mandibular körtel, vaxkörtel, skyddande käkar and pollensäckar, som behövs för arbetsbiets olika typer av sociala roller (sköta avkomman, bygga "boet", samla in nektar och pollen, göra vax, göra honung, göra drottninggéle etc.). Arbetare har också äggstockar, ett par med 20 äggledare var, vilket är betydligt mindre utvecklat än drottningens. De saknar "behållare" för spermier och kan alltså inte bli parade eller befrukta äggen. Arbetarna lägger som regel inga ägg när det finns en drottning i samhället.

 

Figur 1. Från äggläggning, larvstadier, puppa till färdigt bi
 
Drottninggéle
Drottninggéle är en tjock mjölkvit lösning producerad av ambin (bin som är 5 - 15 dagar gamla). Drottninggélen består av ämnen som utsöndras ur olika körtlar av arbetsbin och består av 9 - 18 % proteiner. En blandning av proteiner produceras av hypofaryngeala körteln. Drottninggélens pH ligger mellan 3.6 - 4.2 och har en vattenhalt av 60 - 70 %. Det totala sockerinnehållet, främst fruktos och glykos, ligger mellan 10 - 16 %. Den innehåller också små mängder lipider, vitaminer, salt och fria aminosyror. Sammansättningen varierar över säsongen och de ekologiska förhållandena.
 
De hypofaryngeala körtlarna är ett par långa organ med många säckliknande utväxter utmed organen. Körtlarna finns i de främre delarna av arbetsbiets huvud.
 
Den vanligaste typen av protein i drottninggéle, 82 - 90 %, består av MRJP (passande nog en förkortning av Major Royal Jelly Protein). Det har identifierats 9 olika typer av MRJP. Den först identifierade typen, MRJP1, har kallats "queen maker" i tron att detta är den kastdifferentierande faktorn, vilket har falsifierats i senare forskning. Den har fått många andra namn ex. apalbumin och royalactin. Förutom förekomst i hypofaryngel-körteln har MRJP1 också detekterats i cytoplasman i hjärnceller - både hos ambin och andra arbetsbin - men också i honung. MRJP1 har getts många egenskaper, som ex. att öka livslängd, vara antioxidant och vara antitumoral m.m.
 
De tre första dagarna tros larverna vara bipotentiella d.v.s. de kan antingen utvecklas till arbetare eller till drottningar. Efter tredje larvstadiet blir de larver, som ska bli drottningar (i drottningceller) och arbetare (i arbetareceller) matade med olika diet; drottninglarver fortsätter att ta emot stora mängder av högkvalitativ föda (drottninggéle) medan arbetarelarverna föds upp på näringsmässigt enklare arbetargéle (bibröd). Huvudproblemet för forskningen är att förklara hur arbetsbin (vanligtvis sterila) respektive drottning, som kan lägga upp till 2000 ägg per dag utvecklas från olika diet och matningsupplägg. Genom att placera arbetarelarver i drottningceller kan biodlare föda upp typiska drottningar, om detta görs vid senast tredje larvstadiet. Om äldre larver föds upp, exempelvis från fjärde larvstadiet, kommer drottningen att få minskad kroppsstorlek, färre äggledare och mindre spermabehållare (spermatheca). Händer detta i bisamhället?
 
Det anses uppenbart att drottninggéle har en stark inverkan på larvernas kastdifferentiering. Detta tror forskningen uppnås genom epigenetisk (förändringar av genuttryck som är oberoende av DNA) modifiering av DNA och reglering av genuttryck. Men hur drottninggéle avgör denna biologiska uppdelning i drottning eller arbetsbi är en gåta som forskningen inte har lyckats att övertygande lösa trots otaliga undersökningar och tester. Ett flertal experiment har utförts för att undersöka om drottninggéle har liknande effekter hos andra organismer än honungsbin för utveckling, mognad och livslängd - med blandad framgång.
 
Förutom att drottninglarven föds upp på utomordentlig näringsrik diet, innehåller drottninggélen även ett "tvåkomponentlim" som gör att larven kan hållas på plats i drottningcellen. Men för att fungera måste pH ligga runt 4, vilket åstadkoms med hjälp av utsöndring och blandning av pH-justerande ämnen från ambiets huvudkörtlar när drottninggélen produceras - mandibular körtel, som huvudsakligen producerar fettsyror och hypofaryngeal körtel, som tillför proteiner. Drottningcellen är placerad vertikalt med öppningen neråt och för att inte larven ska trilla ut bildar ett protein, MRJP1 (major royal jelly protein 1), tillsammans med en peptid (peptider, som består av aminosyror och bygger upp proteiner), apisimin, ett nätverk av ?fibrer? som håller larven på plats i cellen. (MRJP1 och apisimin förkommer inte bara i drottninggéle utan produceras även hos dragbin).
 
Drottninggélen som helhet har tillgivits en stor mängd goda egenskaper som exempelvis antiåldrande, antioxidant, antidiabetisk, antitumoral, antiinflammatorisk, antihyperkolesterolisk, antihistopatologisk, antimutagen, antallergen och antimikrobiotisk förutom innehåll av fria aminosyror och vitaminer. Drottninggéle är en av de mest attraktiva produkterna inom hälsoprodukter, alternativmedicin och functional food (nyttomat eller mervärdesmat) och den kosmetiska industrin. Huruvida alla goda egenskaper ger önskade effekter är kanske inte tillräckligt visat. Det är fråga om låga kvantiteter.
 
Fortplantningens kromosomer och gener
För att utvecklingen av drottning, arbetsbi och drönare ska komma till stånd krävs gener som kan hantera de fysiologiska egenskaper som skiljer respektive kast och kön åt. Alla dessa gener finns uppenbarligen i biets kromosomuppsättning. Eftersom varje kön och kast har samma uppsättning gener krävs något som startar respektive utveckling - omkopplare. Man kan tänka sig att om omkopplaren för arbetsbi sätts på så utvecklas arbetsbin ur diploida befruktade ägg. Finns det bara haploida obefruktade ägg sätts omkopplare inte på och drönare utvecklas. Denna omkopplare bestämmer alltså hon- eller hankön - "på" eller "av" för respektive kön. Vilken är omkopplaren? Den omkopplare som primärt bestämmer kön kallas "the complementary sex determiner" (csd).
 
För drottningens utveckling skulle då omkopplaren också behöva sättas på eftersom hon liksom arbetsbina är av honkön. Men en drottning utvecklas som ett stort undantag till utveckling av arbetsbin även om de båda under de första tre dagarna som larver behandlas lika. Det märkliga är att trots pollinerarnas uppenbara betydelse för 90 % av världens blommande växter så vet ingen vad som ställer omkopplaren i rätt läge annat än att dubbel eller enkel uppsättning kromosomer ger det ena eller det andra. Är det något som har att göra med kvalitet och kvantitet hos den mat som arbetsbin förser en blivande drottning respektive arbetsbin med eller är det enskilda ämnen i maten? Eller är det något annat? Dessutom tycks undantaget vara väl planerat av samhället. Samhället behöver en (säger en) fungerande drottning för att fortleva. Fler tolereras inte. Fler behövs inte.
 
Intrikata kunskaper om honungsbinas gener
Den gen som primärt bestämmer könstillhörighet kallas alltså csd (complementary sex determiner). Under naturliga förhållanden befruktas drottningen av flera drönare. Detta gynnar stor variation  mellan olika csd-alleler (många genvarianter) från olika drönare vilket motverkar inavel.
 
Det finns olika kombinationsmöjligheter för den gen, csd, som bestämmer hon- och hankön. Csd kan ha olika alleler (genvarianter) i kromosompar (diploida) eller bara en i en enkel kromosomuppsättning (haploid). Ett genpar från olika kromosomuppsättningar ger honkön medan den ensamma genen ger hankön. Om ett genpar skulle komma från diploida ägg som innehåller samma gener i ett genpar d.v.s. vara identiska, kopplar genen över till hankön trots att ägget är befruktat till diploid kromosomuppsättning. Orsakas till identiskt lika gener i ett genpar kan vara att en drottning parats av drönare med samma genuppsättning som drottningen. Dessa larver upptäcker arbetsbina och äter upp dem innan de hinner utvecklas vilket förhindrar inavel.
 
Risken för förekomst av identiska csd-alleler (csd-genvarianter) i ett genom (samtliga arvsanlag - samtliga gener) minskas genom s.k. polyandri, när drottningen befruktas av flera drönare. Den viktigaste faktorn för att upprätthålla optimal reproduktion är en stor mångfald av csd-alleler (genvarianter) i en bipopulation.
 
Men frågan är hur skillnader i aminosyrasekvensen i csd-proteinet, som genen ger upphov till, kan reglera den omkopplare som bestämmer vad som blir hon- respektive hankön? Vidare måste den signal som bestämmer honkön också kunna bestämma utvecklingen av två kaster - drottning eller arbetsbin.
 
Differentiering av drottning, arbetsbin och drönare innehåller två avgörande utvecklingsprocesser: könsbestämning och kastdifferentiering. Denna process har utvecklats under så där en 60 miljoner år och varit väldigt framgångsrik med tanke på de sociala insekternas (bin och myror) utbredning i världen.
 
Nästa steg bland generna som bestämmer könstillhörighet
Den aktiva csd-genen antas styra kön men antas också styra andra gener som bestämmer vidare utveckling av honkön. Csd-genen påverkar utvecklingen av den honspecifika delen av den s.k. fem-genen (feminizer-genen) genom att styra dess RNA-splitsningen (hopsättning av aktiva gener från DNA). Fem-genen har kopplats till storleksutvecklingen (polyfenism) mellan de olika könen och kasterna hos honungsbina.
 
Fem-genen antas krävas för storlekspolyfenismen "liten" - d.v.s. ett arbetsbi. Uppfattningen är att fem-genen måste slås "på" för att storlekspolyfenism ska kunna genomföras. Tidigare undersökningar har visat att fem-genen krävs för hela utvecklingen av honor som aktiveras av en primär signal från csd-genen. Om fem-genen också ger instruktioner för storlekspolyfenismen "stor", d.v.s. drottning, vet ingen.
 
Forskningsresultat indikerar att fem-genen är omkopplargen nummer två efter csd-genen. När aktiv, d.v.s."på" reglerar den hela utvecklingsprogrammet för honor men inte för hanar.
 
Hos heterozygoter styr csd-genen tillsammans med en annan gen, Am-tra2-genen (Apis Mellifera Transformer-2 sex-determining), den honspecifika splitsingen av fem-genen, som ger upphov till den honspecifika splitsingen av A-dsx-genen. Om csd-genen är inaktiv (i homo- eller hemiallela ägg) resulterar detta i hanspecifik fem-splitsing, som i sin tur resulterar i ett transkript av genen som innehåller en stoppkod. Translationen (bildning av protein från mRNA) d.v.s. genaktiviteten för honspecifika egenskaper avslutas i förtid och en s.k. Am-dsx-gen (Apis Mellifera doublesex-gen) splitsas till hanspecifikt d.v.s. utveckling av hanspecifika egenskaper påbörjas.
 
Trots att utvecklingsstegen för både könsbestämning och kastdifferentiering måste vara sammankopplade för utveckling av honungsbinas morfologiska och fysiologiska egenskaper är kopplingen mellan dessa steg dåligt känd. Forskning har visat att de könbestämmande generna också måste spela en roll för kastdifferentieringen. Indikationer finns för interaktion mellan könsbestämning och kastdifferentiering som involverar fem- och Am-dsx-generna, men många frågetecken kvarstår.
 
Kastdifferentiering - en rörig historia om tillväxt- och utvecklingssignaler
Fler än 4500 gener är olika uttryckta mellan drottning och arbetare i larvstadiet vilket stöder uppfattningen att flera olika genuttryck kontrollerar kastdifferentierigen. Generellt är det accepterat att yttre signaler för kastdifferentiering kommer från näringen medan även olika interna mekanismer är inblandade. Men hur integrerar honungsbina externa signaler med interna genetiska signaler? Till att börja med vilka är de yttre signalerna i näringen? Den som visste det.
 
Alla dessa egenskaper måste finnas i honungsbinas DNA oberoende om de blir drottning, arbetsbi eller drönare.
 
Kastdifferentieringen som respons på näringsstatus kräver ett genetiskt program som måste kopplas "på" av fem-genen. Näringsstatus avgör en s.k. dimorfisk (två alternativ) utveckling av reproduktiva organ hos fertila drottningar respektive hos sterila arbetare. Arbetsbin har 5 dagar längre utvecklingstid än drottningar. De har lägre kroppsvikt, två små äggstockar som innehåller få äggledare. De har en bakbensstruktur anpassad för polleninsamling och transport. De har flera andra egenskaper som skiljer sig från drottningens.
 
Drottningarna har 5 dagar kortare utvecklingstid - högre kroppsvikt, två stora äggstockar med många äggledare och saknar strukturer for polleninsamling och många andra av arbetsbiets egenskaper.
 

Figur 2. Gener som styr könsbestämningen hos bin - complementary sex determiner-genen (csd) och feminizer-genen.
 
Hormoner involverade i kastdifferentieringen
Förutom näring och epigentisk modifiering (förändring av DNA-sekvensen genom påverkan som ålder, diet och kemikalier) har flera studier påvisat att olika hormon är involverade i kastdifferentieringen. Ett hormon som antas spela en stor roll i differentieringen kallas "juvenile hormone" (ungdomshormon) och förkortas kort och gott JH.
 
Andra hormon är "insulin/insulin-like growth factor 1 (IIGFS)" (en tillväxtfaktor som hittats även i bakterier, nematoder, bananflugor, gnagare och människor och som kopplas till livslängd), "target of rapamycin (TOR)" (en tillväxtfaktor som hittats även i däggdjur och som kopplas till celltillväxt och cellutveckling) samt "epidermal growth factor receptor (EFGR)" (även funnet hos gnagare och människor och är kopplat till aktiviteter i cellerna - celldelning, cellöverlevnad, tillväxt och utveckling). Dessa hormon förmedlar de initiala signalerna till JH ("juvenile hormone") som spelar en avgörande roll vid kastdifferentieringen. Jämfört med arbetsbin är koncentrationen av JH i drottninglarver 26 gånger högre än i arbetsbilarver under 4:e och 5:e utvecklingsstadiet (alltså före förpuppstadiet). (Tillsätts syntetisk JH till arbetsbilarver utvecklas drottninglika egenskaper. Men i vilken grad som diet ensamt bestämmer skillnaden i könskörtlarnas storlek mellan drottning och arbetsbin är oklart.)
 
Insulin/insulin-like-growth-factor-1-(IIGFS)- aktivitet och target of rapamycin-(TOR)-aktivitet påstås kunna känna av näringsstatusen hos larverna. Dessa aktiviteter har föreslagits kunna koppla samman näringsstatus med olika genuttryck för arbetare och drottningar. Genaktiviteternas inblandning i näringsstatus är kända hos många djurarter. Därmed skulle näringen spela den primära rollen, d.v.s. "trigga" kastdifferentieringen. Forskning har lett till slutsatsen att inverkan av näringsintag på JH är huvudfaktorn för kastdifferentieringen. Fokus ligger därför på att förstå den molekylära kopplingen mellan näringsstimuli och hormonell modulering som resulterar i kastdifferentiering.
 
Initialt pekar studier på att de två konservativa eukaryota näringsavkännarsystemen (evolutionsmässigt mycket gamla system) IIGFS och TOR är huvudregulatorer för honungsbinas kastbestämning. Båda systemen är kända för att i många olika djurslag samordna genetiska stimuli och stimuli från omgivningen, för att reglera celltillväxt, metabolism, reproduktion och livslängd.
 
Ungdomshormonet JH
JH produceras i corpora allata (CA) (parvisa eller sammansmälta ganglieliknande kroppar i insekthuvuden). CA är en endokrin körtel som reglerar tillväxt, metamorfos och reproduktiva organ hos leddjur d.v.s. djur inkluderande insekter och spindlar. Det är ett av de viktigaste hormon som är inblandat i reglering av metamorfosen hos insekter med fullständig metamorfos - holometabolism. Insekternas metamorfos triggas endast när JH är metaboliserat av JHE (enzymet juvenile hormone esterase). (Vissa insekticider misstänks påverka metamorfosen genom att påverka nivåerna av JH under insekternas larvstadium). Men vad är kopplingen mellan JH, kastutveckling och initiering av kastutveckling? Återstår att visa.
 
Näringsdikotomin (uppdelning av en helhet i två separata delar där de två inte kan finnas samtidigt) orsakas av skillnader i koncentrationen av JH i larverna. JH är det hormon som transkriptionsreglerar kastdifferentieringen i honungsbinas larver. Drottningavsedda larver har högre koncentration under 4:e och 5:e larvstadiet.
 
Könsdifferentieringens logik
Forskningens uppfattning är att drönare utvecklas som "default", d.v.s. när ingen omkopplare är "på". Det betyder samtidigt att alla morfologiska och fysiologiska egenskaper för hankön är "default" i biets DNA-program. Om inte den könsdifferentierande omkopplaren kan slås "på" blir det bara drönare, vilket innebär att inga nya bin kommer att kunna utvecklas. Bina dör ut i brist på befruktade ägg som kan utvecklas. För att det ska bli honor måste omkopplaren kunna slås "på". Honor kan sedan utvecklas till antingen arbetare eller drottningar, men det sker i nästa omkoppling.
 
När en drottningen lägger haploida d.v.s. obefruktade ägg är detta i sig "default" för hankön. Drönare-omkopplaren står alltså i position "av". När drottningen lägger diploida, befruktade ägg slås omkopplaren "på" och ägget kan antingen utvecklas till en ny drottning eller en ny arbetare. Om en drottning lägger befruktade ägg där könsomkopplargenen har identiska gener utvecklas hanar. Dessa äts upp av arbetare innan de hinner utvecklas till vuxna bin. Men uppenbarligen måste något ställa omkopplaren i position ?av?.
 
Kastdifferentieringens logik
De diploida äggen ska antingen utvecklas till drottning eller arbetare. Vad forskningen vet så är det inte drottningen som bestämmer vilket ägg som ska bli det ena eller det andra. Gör arbetsbina detta? Vilket kommer först drottningcellen, drottningägget eller drottninglarven? Hur denna process, på molekylärt plan, går till har inte kunna klarläggas ännu. Många hypoteser har lagts fram, men alla har kunnat falsifieras som felaktiga.
 
Om den befintliga drottningen i ett samhälle tacklar av d.v.s. lägger för få ägg eller rent av dör, måste en ny drottning utvecklas. Hur bestäms detta i samhället? Det är bara en drottning som behövs. Ett färre antal s.k. drottningceller konstrueras av arbetsbina i samhället. Några byggbin bygger alltså drottningceller och några bin utfordrar larven så att det blir en drottning. Utfordringen görs av ett fåtal ambin (?) och består av s.k. drottninggéle. Utfodringen görs under hela larvstadiet tills cellen förseglas när larven övergår i puppstadie. 7 dagar senare kryper en ny drottning ut ur cellen. Men vad är det i drottninggélen som kopplar om till "drottningläge"? Det vet ännu ingen.
 
Är det så att drottningutveckling är kastomkopplarens "default-läge" och att den näringsrika drottninggélen endast behövs för att drottning ska snabbt utvecklas till ett större bi?
 
Är det arbetsbina som behöver kastomkopplaren i position "på" för att utvecklas till arbetare med alla de egenskaper som ett arbetsbi behöver - många fler än drottningens.
 
Köns- och kastordningens logik
Den genetiska informationen är lagrad i DNA. DNA innehåller instruktioner för hur cellernas struktur ska byggas upp och hur biokemiska processer ska drivas. Varje cell innehåller en fullständig och identisk genetisk information. Men eftersom olika celler fungerar olika, används endast en del av DNA-informationen för varje cell. I honungsbiets DNA ligger information om hur en drottning, en arbetare och en drönare ska tillverkas. DNA måste taggas för vilken av dessa som ska tillverkas. De gener som ska användas måste transkripteras (föras över) från DNA till pre-mRNA. pre-mRNA måste splitsas (delas upp så att bara det som behövs behålls) till "moget" mRNA. mRNA ska ge information om hur proteiner ska tillverkas genom översättning av 3 baspar åt gången, codon, i den genetiska sekvensen som bygger ihop proteiner. Varje codon motsvarar varje aminosyra som ska ingå i det protein som ska byggas upp. Från denna process byggs organismen upp och drivs. Drottningen har sin organisation, arbetarbiet sin och drönaren sin.
 
Frågan är då: När måste DNA taggas för att tillverka en drottning, ett arbetsbi eller en drönare? Kan det ske successivt? Är alla ägg lika? Är alla larver lika de tre första dagarna efter "äggkläckning"?
 
Vad vet forskningen om honungsbinas DNA och hur det används för att tillverka drottning, arbetsbi och drönare? Vad som är viktigt är att användningen av DNA inte nödvändigtvis har att göra med hur det sätts igång för en drottning, ett arbetsbi eller en drönare.
 
Drottninggélen - den avgörande faktorn?
Enligt expertisen är drottninggéle (royal jelly) den faktor som är avgörande för binas fortlevnad. Utan den ingen drottning. Utan drottning inga bin. Utan bin ingen honung men heller inga pollinerande bin.
Tillägg:
 
Splitsning
En förändring av mRNA som sker efter transkriptionen. En gen består av en till hundratals exoner som utgör den funktionella koden för hur olika protein (eller RNA) ska tillverkas. Exonerna skiljs åt av introner som är icke-kodande bitar av DNA. Under splitsningen klipps intronerna bort och exonerna sätts samman till en sammanhängande enhet, ett så kallat transkript. Splitsningen för en del gener genererar flera olika transkript där olika kombinationer av exoner ingår. Det kallas för alternativ splitsning. Splitsning kallas för splicing på engelska.
Azevedo, S. & Hartfelder, K. (2008). The insulin signaling pathway in honey bee (Apis mellifera) caste development - differential expression of insulin-like peptides and insulin receptors in queen and worker larvae. Journal of insect physiology. 54. 1064-71. 10.1016/j.jinsphys.2008.04.009.
 
Beye, M. et al. (2003). The Gene csd Is the Primary Signal for Sexual Development in the Honeybee and Encodes an SR-Type Protein. Cell. 114. 419-29. 10.1016/S0092-8674(03)00606-8.
 
Biewer, M et al. (2016) Similar but not the same: insights into the evolutionary history of paralogous sex-determining genes of the dwarf honey bee Apis florea. Heredity vol. 116,1: 12-22. doi:10.1038/hdy.2015.60
 
Bíliková, K. et al. (2002) Apisimin, a new serine-valine-rich peptide from honeybee (Apis mellifera L.) royal jelly: purification and molecular characterization. FEBS letters vol. 528,1-3: 125-9. doi:10.1016/s0014-5793(02)03272-6
 
Bilodeau, L. (2020) Genetic diversity of the complementary sex determiner (csd) gene in two closed breeding stocks of Varroa -resistant honey bees. Apidologie 51:1125?1132
 
Bomtorin, A. et al. (2014). Juvenile Hormone Biosynthesis Gene Expression in the corpora allata of Honey Bee (Apis mellifera L.) Female Castes. PloS one. 9. e86923. 10.1371/journal.pone.0086923.
 
Buttstedt, A. et al. (2016). Royalactin is not a royal making of a queen. Nature. 537. E10-E12. 10.1038/nature19349.
 
Buttstedt, A. et al. (2018). How Honeybees Defy Gravity with Royal Jelly to Raise Queens. Current Biology. 28. 10.1016/j.cub.2018.02.022.
 
Caspermeyer, J. (2014) Everything you wanted to know about honeybee sex. Molecular biology and evolution vol. 31,2: 496. doi:10.1093/molbev/mst232
 
Chandrasekaran, S. et al. (2011) Behavior-specific changes in transcriptional modules lead to distinct and predictable neurogenomic states. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108. 18020-5. 10.1073/pnas.1114093108.
 
Charlesworth, D. (2008) Evolutionary Genetics: Changed Sex Determination in Honeybees,
Current Biology, Volume 18, Issue 14
 
Cho, S. et al. (2007). Sex-Specific Splicing of the Honeybee doublesex Gene Reveals 300 Million Years of Evolution at the Bottom of the Insect Sex-Determination Pathway. Genetics. 177. 1733-41. 10.1534/genetics.107.078980.
 
Cristino, A. et al. (2006). A comparative analysis of highly conserved sex-determining genes between Apis mellifera and Drosophila melanogaster. Genetics and molecular research : GMR. 5. 154-68.
 
Csiki, K. (2017) Kastsystem som bisyssla - Eusocialitet hos honungsbin ( A . mellifera). Independent Project in Biology, Självständigt arbete i biologi, 15 hp, vårterminen 2017, Institutionen för biologisk grundutbildning, Uppsala universitet
 
De Souza, D. A et al. (2018). Differences in the morphology, physiology and gene expression of honey bee queens and workers reared in vitro versus in situ. Biology open, 7(11), bio036616. https://doi.org/10.1242/bio.036616
 
De Souza, D. et al. (2018). Experimental improvement of honey bee (Apis mellifera) queen quality through nutritional and hormonal supplementation. Apidologie. 50. 10.1007/s13592-018-0614-y.
 
Elekonich, M. & Roberts, S. (2005). Honey bees as a model for understanding mechanisms of life history transitions. Comparative biochemistry and physiology. Part A, Molecular & integrative physiology. 141. 362-71. 10.1016/j.cbpb.2005.04.014.
 
Fine, J. & Corby-Harris, V. (2021). Beyond brood: the potential impacts of insect growth disruptors on the long-term health and performance of honey bee colonies. Apidologie. 52. 10.1007/s13592-021-00845-x.
 
Fingar, D. & Blenis, J. (2004). Target of rapamycin (TOR): An integrator of nutrient and growth factor signals and coordinator of cell growth and cell cycle progression. Oncogene. 23. 3151-71. 10.1038/sj.onc.1207542.
 
Gempe, T. & Beye, M. (2009) The complementary sex determination pathway. Nature Education 2(2):1
 
Gempe, T. et al. (2009) Sex determination in honeybees: two separate mechanisms induce and maintain the female pathway. PLoS biology vol. 7,10: e1000222. doi:10.1371/journal.pbio.1000222
 
Harper, K. et al. (2016). Complementary sex determination, inbreeding depression and inbreeding avoidance in a gregarious sawfly. Heredity. 117. 10.1038/hdy.2016.46.
 
Hasselmann, M. et al. (2008). Evidence for the evolutionary nascence of a novel sex determination pathway in honeybees. Nature. 454. 519-22. 10.1038/nature07052.
 
Hoff, M. (2009). Male or Female? For Honeybees, a Single Gene Makes All the Difference. PLoS biology. 7. e1000186. 10.1371/journal.pbio.1000186.
 
Huang, Z. & Robinson, G. (1995). Seasonal changes in juvenile hormone titers and rates of biosynthesis in honey bees. Journal of comparative physiology. B, Biochemical, systemic, and environmental physiology. 165. 18-28. 10.1007/BF00264682.
 
Jones, B.M. et al. (2020) Individual differences in honey bee behavior enabled by plasticity in brain gene regulatory networks. eLife vol. 9 e62850. 22 Dec., doi:10.7554/eLife.62850
 
Jones, B.M. et al. (2021). Convergent selection on juvenile hormone signaling is associated with the evolution of eusociality in bees. 10.1101/2021.04.14.439731.
 
Kamita, S.G. &  Hammock, B.D. (2010) Juvenile hormone esterase: biochemistry and structure. J Pestic Sci. August 31; 35(3): 265?274
 
Kaskinova, M. & Nikolenko, A. (2017). csd gene of honeybee: Genetic structure, functioning, and evolution. Russian Journal of Genetics. 53. 297-301. 10.1134/S1022795417010070.
 
Khan, K. A. et al. (2021) Queen cells acceptance rate and royal jelly production in worker honey bees of two Apis mellifera races. PloS one vol. 16,4 e0248593. 13 Apr. 2021, doi:10.1371/journal.pone.0248593
 
Krell R. (1996) Value-added products from beekeeping. Fao agricultural services bulletin no. 124. https://www.fao.org/3/w0076e/w0076e00.htm#con
 
Kucharski, R. et al. (2008). Nutritional Control of Reproductive Status in Honeybees via DNA Methylation. Science (New York, N.Y.). 319. 1827-30. 10.1126/science.1153069.
 
Kucharski, R. et al. (2015). EGFR gene methylation is not involved in Royalactin controlled phenotypic polymorphism in honey bees. Scientific reports. 5. 14070. 10.1038/srep14070.
 
Li, H. et al. (2021) Juvenile hormone and transcriptional changes in honey bee worker larvae when exposed to sublethal concentrations of thiamethoxam.Ecotoxicology and Environmental Safety Volume 225, 1 December 2021, 112744
 
Maleszka, R. (2018) ?Beyond Royalactin and a master inducer explanation of phenotypic plasticity in honey bees.? Communications biology vol. 1 8. 22 Jan. 2018, doi:10.1038/s42003-017-0004-4
 
Mao, W. & Schuler, M. & Berenbaum, M. (2015). A dietary phytochemical alters caste-associated gene expression in honey bees. Science Advances. 1. e1500795-e1500795. 10.1126/sciadv.1500795.
 
Mureşan, C. & Buttstedt, A. (2019). pH-dependent stability of honey bee (Apis mellifera) major royal jelly proteins. Scientific Reports. 9. 9014. 10.1038/s41598-019-45460-0.
 
Mutti, N. et al. (2011). IRS and TOR nutrient-signaling pathways act via juvenile hormone to influence honey bee caste fate. The Journal of experimental biology. 214. 3977-84. 10.1242/jeb.061499.
 
Nissen, I. et al. (2012) The Am-tra2 gene is an essential regulator of female splice regulation at two levels of the sex determination hierarchy of the honeybee. Genetics vol. 192,3: 1015-26. doi:10.1534/genetics.112.143925
 
Nowak, M. A., Tarnita, C. E., & Wilson, E. O. (2010). The evolution of eusociality. Nature, 466(7310), 1057?1062. https://doi.org/10.1038/nature09205
 
Pan, L.-X., et al. (2021). Caste-biased Expression of fem and Amdsx Genes in Apis mellifera ligustica (Hymenoptera: Apidae). Sociobiology, 68(2), e5654. https://doi.org/10.13102/sociobiology.v68i2.5654
 
Pirk, C. (2018). Honeybee Evolution: Royal Jelly Proteins Help Queen Larvae to Stay on Top. Current Biology. 28. R350-R351. 10.1016/j.cub.2018.02.065.
 
Rangel, J. et al. (2016). Honey Bee (Apis mellifera) Queen Reproductive Potential Affects Queen Mandibular Gland Pheromone Composition and Worker Retinue Response. PLOS ONE. 11. e0156027. 10.1371/journal.pone.0156027.
 
Ramanathan, A. et al. (2018). A review on Royal Jelly proteins and peptides. Journal of Functional Foods. 44. 255-264. 10.1016/j.jff.2018.03.008.
 
Reginato, R. & Cruz-Landim, C. (2003). Ovarian growth during larval development of queen and worker of Apis mellifera (Hymenoptera: Apidae): a morphometric and histological study. Brazilian journal of biology = Revista brasleira de biologia. 63. 121-7. 10.1590/S1519-69842003000100016.
 
Remolina, S. & Hughes, K. (2008). Evolution and mechanisms of long life and high fertility in queen honey bees. Age (Dordrecht, Netherlands). 30. 177-85. 10.1007/s11357-008-9061-4.
 
Roth, A. et al. (2019) A genetic switch for worker nutrition-mediated traits in honeybees. PLoS biology vol. 17,3 e3000171. 21 Mar. 2019, doi:10.1371/journal.pbio.3000171
 
Slater, G. et al. (2020). Diet quantity influences caste determination in honeybees (Apis mellifera). Proceedings. Biological sciences. 287. 20200614. 10.1098/rspb.2020.0614.
 
Tian, W. et al. (2018) Architecture of the native major royal jelly protein 1 oligomer. Nature Communications vol. 9, Article number: 3373
 
Tofilski, A. & Czekonska, K. (2004) Emergency queen rearing in honeybee colonies with brood of known age. Apidologie 35 (3) 275-282. DOI: 10.1051/apido:2004014
 
Torres-Acosta, M. et al. (2015). Economic Analysis of Royalactin Production Under Uncertainty: Evaluating the Effect of Parameter Optimization. Biotechnology progress. 31. 10.1002/btpr.2073.
 
Toth, A. & Zayed, A. (2021). The honey bee genome-- what has it been good for?. Apidologie. 52. 10.1007/s13592-020-00829-3.
 
van Wilgenburg, E. et al. (2006). Single locus complementary sex determination in Hymenoptera: An "unintelligent" design?. Frontiers in zoology. 3. 1. 10.1186/1742-9994-3-1.
 
Wojciechowski, M. et al. (2018) Phenotypically distinct female castes in honey bees
are defined by alternative chromatin states during larval development. Genome Res. Oct; 28(10): 1532?1542.
 
Wan, Derrick C et al. (2018) Honey bee Royalactin unlocks conserved pluripotency pathway in mammals. Nature communications vol. 9,1 5078. 4 Dec. 2018, doi:10.1038/s41467-018-06256-4
 
Wang, M. et al. (2021) RNA m⁶A Modification Functions in Larval Development and Caste
Differentiation in Honeybee (Apis mellifera) Cell Reports 34, 108580
 
Zareba, J. et al. (2017). Uneven distribution of complementary sex determiner (csd) alleles in Apis mellifera population OPEN. Scientific Reports. 7. 10.1038/s41598-017-02629-9.
 
Zayed, A. & Packer L . (2005) Complementary sex determination substantially increases extinction proneness of haplodiploid populations. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America vol. 102,30: 10742-6. doi:10.1073/pnas.0502271102
 
Zhang, H. et al. (2019) Volatiles from Different Instars of Honeybee Worker Larvae and Their Food. Insects. 2019 Apr; 10(4): 118
 
Zhu, K. et al. (2017) Plant microRNAs in larval food regulate honeybee caste development. PLoS Genet. 2017 Aug; 13(8): e1006946
 
https://entomologytoday.org/2013/12/31/five-amino-acid-differences-separate-males-from-female-honey-bees/
https://www.si.edu/spotlight/buginfo/bugnos