Selection and hybridization shaped the rapid spread of African honey bee ancestry in the Americas
Creators
- 1. University of California, Davis
 - 2. National Agricultural Technology Institute
 
Description
Abstract Recent biological invasions offer 'natural' laboratories to understand the genetics and ecology of adaptation, hybridization, and range limits. One of the most impressive and well-documented biological invasions of the 20th century began in 1957 when Apis mellifera scutellata honey bees swarmed out of managed experimental colonies in Brazil. This newly-imported subspecies, native to southern and eastern Africa, both hybridized with and out-competed previously-introduced European honey bee subspecies. Populations of scutellata -European hybrid honey bees rapidly expanded and spread across much of the Americas in less than 50 years. We use broad geographic sampling and whole genome sequencing of over 300 bees to map the distribution of scutellata ancestry where the northern and southern invasions have presently stalled, forming replicated hybrid zones with European bee populations in California and Argentina. California is much farther from Brazil, yet these hybrid zones occur at very similar latitudes, consistent with the invasion having reached a climate barrier. At these range limits, we observe genome-wide clines for scutellata ancestry, and parallel clines for wing length that span hundreds of kilometers, supporting a smooth transition from climates favoring scutellata -European hybrid bees to climates where they cannot survive winter. We find no large effect loci maintaining exceptionally steep ancestry transitions. Instead, we find most individual loci have concordant ancestry clines across South America, with a build-up of somewhat steeper clines in regions of the genome with low recombination rates, consistent with many loci of small effect contributing to climate-associated fitness trade-offs. Additionally, we find no substantial reductions in genetic diversity associated with rapid expansions nor complete dropout of scutellata ancestry at any individual loci on either continent, which suggests that the competitive fitness advantage of scutellata ancestry at lower latitudes has a polygenic basis and that scutellata -European hybrid bees maintained large population sizes during their invasion. To test for parallel selection across continents, we develop a null model that accounts for drift in ancestry frequencies during the rapid expansion. We identify several peaks within a larger genomic region where selection has pushed scutellata ancestry to high frequency hundreds of kilometers past the present cline centers in both North and South America and that may underlie high-fitness traits driving the invasion. Author Summary Crop pollination around the world relies on native and introduced honey bee populations, which vary in their behaviors and climatic ranges. Scutellata -European hybrid honey bees (also known as 'Africanized' honey bees) have been some of the most ecologically successful; originating in a 1950s experimental breeding program in Brazil, they rapidly came to dominate across most of the Americas. As a recent genetic mixture of multiple imported Apis mellifera subspecies, scutellata -European hybrid honey bees have a patchwork of ancestry across their genomes, which we leverage to identify loci with an excess of scutellata or European ancestry due to selection. We additionally use the natural replication in this invasion to compare outcomes between North and South America (California and Argentina). We identify several genomic regions with exceptionally high scutellata ancestry across continents and that may underlie favored scutellata -European hybrid honey bee traits (e.g. Varroa mite resistance). We find evidence that a climatic barrier has dramatically slowed the invasion at similar latitudes on both continents. At the current range limits, scutellata ancestry decreases over hundreds of kilometers, creating many bee populations with intermediate scutellata ancestry proportions that can be used to map the genetic basis of segregating traits (here, wing length) and call into question the biological basis for binary 'Africanized' vs. European bee classifications.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تقدم الغزوات البيولوجية الحديثة مختبرات "طبيعية" لفهم علم الوراثة والإيكولوجيا للتكيف والتهجين وحدود النطاق. بدأت واحدة من الغزوات البيولوجية الأكثر إثارة للإعجاب والموثقة جيدًا في القرن العشرين في عام 1957 عندما انتشر نحل العسل Apis mellifera scutellata من المستعمرات التجريبية المدارة في البرازيل. هذه السلالة الفرعية المستوردة حديثًا، موطنها الأصلي جنوب وشرق إفريقيا، تم تهجينها مع سلالة نحل العسل الأوروبية التي تم إدخالها مسبقًا وتنافسها. توسعت أعداد نحل العسل الهجين الأوروبي بسرعة وانتشرت في معظم أنحاء الأمريكتين في أقل من 50 عامًا. نستخدم أخذ عينات جغرافية واسعة وتسلسل جينوم كامل لأكثر من 300 نحلة لرسم خريطة لتوزيع أسلاف السكوتيلاتا حيث توقفت الغزوات الشمالية والجنوبية حاليًا، مما شكل مناطق هجينة متماثلة مع مجموعات النحل الأوروبية في كاليفورنيا والأرجنتين. كاليفورنيا أبعد بكثير عن البرازيل، ومع ذلك تحدث هذه المناطق الهجينة عند خطوط عرض متشابهة للغاية، بما يتفق مع الغزو الذي وصل إلى حاجز مناخي. عند حدود النطاق هذه، نلاحظ سلاسل على نطاق الجينوم لأصل scutellata، وسلالات متوازية لطول الجناح الذي يمتد لمئات الكيلومترات، مما يدعم الانتقال السلس من المناخات التي تفضل scutellata - النحل الهجين الأوروبي إلى المناخات حيث لا يمكنهم البقاء على قيد الحياة في فصل الشتاء. لا نجد أي مواقع ذات تأثير كبير تحافظ على تحولات أسلاف شديدة الانحدار بشكل استثنائي. بدلاً من ذلك، نجد أن معظم المواضع الفردية لها سلالات متوافقة في جميع أنحاء أمريكا الجنوبية، مع تراكم سلالات أكثر انحدارًا إلى حد ما في مناطق الجينوم ذات معدلات إعادة التركيب المنخفضة، بما يتفق مع العديد من المواضع ذات التأثير الصغير التي تساهم في مقايضات اللياقة البدنية المرتبطة بالمناخ. بالإضافة إلى ذلك، لا نجد أي تخفيضات كبيرة في التنوع الجيني المرتبط بالتوسعات السريعة ولا التسرب الكامل لأصل السكوتيلاتا في أي موقع فردي في أي من القارتين، مما يشير إلى أن ميزة اللياقة التنافسية لأصل السكوتيلاتا في خطوط العرض المنخفضة لها أساس متعدد الجينات وأن النحل الهجين السكوتيلاتا الأوروبي حافظ على أحجام سكانية كبيرة أثناء غزوه. لاختبار الانتقاء المتوازي عبر القارات، نطور نموذجًا فارغًا يفسر الانجراف في ترددات النسب أثناء التوسع السريع. نحدد عدة قمم داخل منطقة جينية أكبر حيث دفع الانتقاء أصل السكوتيلات إلى التردد العالي على بعد مئات الكيلومترات من مراكز كلين الحالية في كل من أمريكا الشمالية والجنوبية والتي قد تكمن وراء سمات اللياقة البدنية العالية التي تقود الغزو. ملخص المؤلف يعتمد تلقيح المحاصيل في جميع أنحاء العالم على مجموعات نحل العسل الأصلية والمقدمة، والتي تختلف في سلوكياتها ونطاقاتها المناخية. Scutellata - كان نحل العسل الهجين الأوروبي (المعروف أيضًا باسم نحل العسل "الأفريقي ") من أكثر النحل نجاحًا من الناحية البيئية ؛ نشأت في برنامج تربية تجريبي في الخمسينيات في البرازيل، وسرعان ما سيطرت على معظم الأمريكتين. كمزيج وراثي حديث من سلالات Apis mellifera المستوردة المتعددة، فإن نحل العسل الهجين الأوروبي لديه خليط من النسب عبر جينوماته، والتي نستفيد منها لتحديد المواقع مع وجود فائض من scutellata أو النسب الأوروبي بسبب الانتقاء. بالإضافة إلى ذلك، نستخدم التكرار الطبيعي في هذا الغزو لمقارنة النتائج بين أمريكا الشمالية والجنوبية (كاليفورنيا والأرجنتين). نحدد العديد من المناطق الجينية ذات الأسلاف العالية بشكل استثنائي عبر القارات والتي قد تكمن وراء سمات نحل العسل الهجين الأوروبية المفضلة (مثل مقاومة عث الفاروا). نجد أدلة على أن الحاجز المناخي قد أبطأ الغزو بشكل كبير عند خطوط عرض مماثلة في كلتا القارتين. في حدود النطاق الحالية، يتناقص سلف سكوتيلا على مدى مئات الكيلومترات، مما يخلق العديد من مجموعات النحل ذات النسب الوسيطة لأسلاف سكوتيلا التي يمكن استخدامها لرسم الأساس الجيني لفصل الصفات (هنا، طول الجناح) والتشكيك في الأساس البيولوجي لتصنيفات النحل الثنائية "الأفريقية" مقابل الأوروبية.Translated Description (French)
Résumé Les invasions biologiques récentes offrent des laboratoires « naturels » pour comprendre la génétique et l'écologie de l'adaptation, de l'hybridation et des limites de portée. L'une des invasions biologiques les plus impressionnantes et les mieux documentées du XXe siècle a commencé en 1957, lorsque les abeilles à miel Apis mellifera scutellata ont essaimé des colonies expérimentales gérées au Brésil. Cette sous-espèce nouvellement importée, originaire d'Afrique australe et orientale, s'est hybridée avec et a surpassé les sous-espèces d'abeilles mellifères européennes précédemment introduites. Les populations de scutellata - Les abeilles mellifères hybrides européennes se sont rapidement développées et se sont répandues dans une grande partie des Amériques en moins de 50 ans. Nous utilisons un large échantillonnage géographique et le séquençage du génome entier de plus de 300 abeilles pour cartographier la distribution de l'ascendance des scutellés là où les invasions du nord et du sud sont actuellement au point mort, formant des zones hybrides répliquées avec les populations d'abeilles européennes en Californie et en Argentine. La Californie est beaucoup plus éloignée du Brésil, mais ces zones hybrides se produisent à des latitudes très similaires, compatibles avec l'invasion ayant atteint une barrière climatique. À ces limites de portée, nous observons des clines à l'échelle du génome pour l'ascendance des scutellés, et des clines parallèles pour la longueur des ailes qui s'étendent sur des centaines de kilomètres, soutenant une transition en douceur des climats favorisant les scutellés - les abeilles hybrides européennes vers des climats où elles ne peuvent pas survivre à l'hiver. Nous ne trouvons pas de loci à effet important maintenant des transitions d'ascendance exceptionnellement raides. Au lieu de cela, nous constatons que la plupart des loci individuels ont des clines d'ascendance concordantes à travers l'Amérique du Sud, avec une accumulation de clines un peu plus raides dans les régions du génome avec de faibles taux de recombinaison, ce qui correspond à de nombreux loci à faible effet contribuant aux compromis de remise en forme associés au climat. De plus, nous ne trouvons aucune réduction substantielle de la diversité génétique associée à des expansions rapides ni à l'abandon complet de l'ascendance des scutellés à n'importe quel lieu individuel sur l'un ou l'autre continent, ce qui suggère que l'avantage de forme physique compétitif de l'ascendance des scutellés aux latitudes inférieures a une base polygénique et que les abeilles hybrides scutellées - européennes ont maintenu de grandes tailles de population pendant leur invasion. Pour tester la sélection parallèle entre les continents, nous développons un modèle nul qui tient compte de la dérive des fréquences d'ascendance au cours de l'expansion rapide. Nous identifions plusieurs pics au sein d'une région génomique plus grande où la sélection a poussé l'ascendance des scutellés à une fréquence élevée des centaines de kilomètres après les centres de clines actuels en Amérique du Nord et du Sud et qui peuvent être à la base des traits de haute condition physique à l'origine de l'invasion. Résumé de l'auteur La pollinisation des cultures dans le monde repose sur des populations d'abeilles mellifères indigènes et introduites, dont les comportements et les plages climatiques varient. Scutellata - Les abeilles mellifères hybrides européennes (également connues sous le nom d'abeilles mellifères « africanisées ») ont été parmi les plus réussies sur le plan écologique ; issues d'un programme d'élevage expérimental des années 1950 au Brésil, elles ont rapidement dominé la plupart des Amériques. En tant que mélange génétique récent de plusieurs sous-espèces importées d'Apis mellifera, les abeilles mellifères hybrides scutellata -European ont un patchwork d'ascendance à travers leurs génomes, que nous exploitons pour identifier les loci avec un excès de scutellata ou d'ascendance européenne en raison de la sélection. Nous utilisons en outre la réplication naturelle dans cette invasion pour comparer les résultats entre l'Amérique du Nord et l'Amérique du Sud (Californie et Argentine). Nous identifions plusieurs régions génomiques avec une ascendance exceptionnellement élevée de scutellés sur tous les continents et qui peuvent être à la base de traits d'abeilles mellifères hybrides scutellés - européens favorisés (par exemple, la résistance aux acariens Varroa). Nous trouvons des preuves qu'une barrière climatique a considérablement ralenti l'invasion à des latitudes similaires sur les deux continents. Aux limites actuelles de l'aire de répartition, l'ascendance des scutellés diminue sur des centaines de kilomètres, créant de nombreuses populations d'abeilles avec des proportions intermédiaires d'ascendance des scutellés qui peuvent être utilisées pour cartographier la base génétique des traits de ségrégation (ici, la longueur des ailes) et remettre en question la base biologique des classifications binaires « africanisées » par rapport aux abeilles européennes.Translated Description (Spanish)
Resumen Las invasiones biológicas recientes ofrecen laboratorios "naturales" para comprender la genética y la ecología de la adaptación, la hibridación y los límites de rango. Una de las invasiones biológicas más impresionantes y bien documentadas del siglo XX comenzó en 1957 cuando las abejas melíferas Apis mellifera scutellata salieron de colonias experimentales gestionadas en Brasil. Esta subespecie recién importada, nativa del sur y este de África, se hibridó y superó a las subespecies de abejas melíferas europeas previamente introducidas. Poblaciones de scutellata: las abejas melíferas híbridas europeas se expandieron rápidamente y se extendieron por gran parte de las Américas en menos de 50 años. Utilizamos un amplio muestreo geográfico y la secuenciación del genoma completo de más de 300 abejas para mapear la distribución de la ascendencia scutellata donde las invasiones del norte y del sur se han estancado actualmente, formando zonas híbridas replicadas con poblaciones de abejas europeas en California y Argentina. California está mucho más lejos de Brasil, sin embargo, estas zonas híbridas se producen en latitudes muy similares, en consonancia con la invasión de haber alcanzado una barrera climática. En estos límites de rango, observamos clines de todo el genoma para la ascendencia scutellata, y clines paralelos para la longitud de las alas que abarcan cientos de kilómetros, lo que permite una transición suave de climas que favorecen a las abejas híbridas europeas scutellata a climas donde no pueden sobrevivir al invierno. No encontramos grandes loci de efecto que mantengan transiciones de ascendencia excepcionalmente pronunciadas. En cambio, encontramos que la mayoría de los loci individuales tienen clines de ascendencia concordantes en América del Sur, con una acumulación de clines algo más empinados en regiones del genoma con bajas tasas de recombinación, lo que es consistente con muchos loci de pequeño efecto que contribuyen a las compensaciones de aptitud asociadas al clima. Además, no encontramos reducciones sustanciales en la diversidad genética asociada con expansiones rápidas ni abandono completo de la ascendencia scutellata en ningún loci individual en ninguno de los continentes, lo que sugiere que la ventaja de aptitud competitiva de la ascendencia scutellata en latitudes más bajas tiene una base poligénica y que las abejas híbridas scutellata-europeas mantuvieron grandes tamaños de población durante su invasión. Para probar la selección paralela entre continentes, desarrollamos un modelo nulo que explica la deriva en las frecuencias de ascendencia durante la rápida expansión. Identificamos varios picos dentro de una región genómica más grande donde la selección ha empujado a la ascendencia scutellata a una alta frecuencia cientos de kilómetros más allá de los centros actuales del cline tanto en América del Norte como en América del Sur y que pueden ser la base de los rasgos de alta aptitud que impulsan la invasión. Resumen del autor La polinización de cultivos en todo el mundo se basa en poblaciones de abejas melíferas nativas e introducidas, que varían en sus comportamientos y rangos climáticos. Scutellata: las abejas melíferas híbridas europeas (también conocidas como abejas melíferas "africanizadas") han sido algunas de las más exitosas desde el punto de vista ecológico; se originaron en un programa de reproducción experimental de la década de 1950 en Brasil, y rápidamente llegaron a dominar la mayor parte de las Américas. Como una mezcla genética reciente de múltiples subespecies importadas de Apis mellifera, las abejas melíferas híbridas europeas scutellata tienen un mosaico de ascendencia en sus genomas, que aprovechamos para identificar loci con un exceso de scutellata o ascendencia europea debido a la selección. Además, utilizamos la replicación natural en esta invasión para comparar los resultados entre América del Norte y del Sur (California y Argentina). Identificamos varias regiones genómicas con una ascendencia de scutellata excepcionalmente alta en todos los continentes y que pueden ser la base de los rasgos favorecidos de scutellata - abeja melífera híbrida europea (por ejemplo, resistencia a los ácaros Varroa). Encontramos evidencia de que una barrera climática ha ralentizado drásticamente la invasión en latitudes similares en ambos continentes. En los límites actuales del rango, la ascendencia scutellata disminuye a lo largo de cientos de kilómetros, creando muchas poblaciones de abejas con proporciones intermedias de ascendencia scutellata que se pueden utilizar para mapear la base genética de los rasgos de segregación (aquí, la longitud del ala) y cuestionar la base biológica para las clasificaciones binarias de abejas "africanizadas" frente a las europeas.Files
      
        2020.03.17.994632.full.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (16.5 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| 
          
          md5:b0598823a51deb678baf29307d085212
           | 
        
        16.5 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
 - شكل الاختيار والتهجين الانتشار السريع لأصل نحل العسل الأفريقي في الأمريكتين
 - Translated title (French)
 - La sélection et l'hybridation ont façonné la propagation rapide de l'ascendance des abeilles mellifères africaines dans les Amériques
 - Translated title (Spanish)
 - La selección y la hibridación dieron forma a la rápida propagación de la ascendencia africana de las abejas melíferas en las Américas
 
Identifiers
- Other
 - https://openalex.org/W3010660253
 - DOI
 - 10.1101/2020.03.17.994632
 
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1502627310
 - https://openalex.org/W1513618424
 - https://openalex.org/W1568954145
 - https://openalex.org/W1966486231
 - https://openalex.org/W1967648760
 - https://openalex.org/W1974546743
 - https://openalex.org/W1977842459
 - https://openalex.org/W2002831105
 - https://openalex.org/W2004865700
 - https://openalex.org/W2008345120
 - https://openalex.org/W2009195283
 - https://openalex.org/W2019657301
 - https://openalex.org/W2023829071
 - https://openalex.org/W2029432240
 - https://openalex.org/W2029478825
 - https://openalex.org/W2037400584
 - https://openalex.org/W2044984051
 - https://openalex.org/W2051306593
 - https://openalex.org/W2056979058
 - https://openalex.org/W2060872280
 - https://openalex.org/W2061257919
 - https://openalex.org/W2064214354
 - https://openalex.org/W2073138273
 - https://openalex.org/W2082765380
 - https://openalex.org/W2089559667
 - https://openalex.org/W2092203068
 - https://openalex.org/W2102619694
 - https://openalex.org/W2104453374
 - https://openalex.org/W2104976188
 - https://openalex.org/W2106112802
 - https://openalex.org/W2108234281
 - https://openalex.org/W2112776483
 - https://openalex.org/W2113401798
 - https://openalex.org/W2114145948
 - https://openalex.org/W2118662420
 - https://openalex.org/W2124022182
 - https://openalex.org/W2125425580
 - https://openalex.org/W2127519956
 - https://openalex.org/W2129034036
 - https://openalex.org/W2131543005
 - https://openalex.org/W2132111444
 - https://openalex.org/W2137582063
 - https://openalex.org/W2138803367
 - https://openalex.org/W2138832709
 - https://openalex.org/W2139293761
 - https://openalex.org/W2141065709
 - https://openalex.org/W2143079975
 - https://openalex.org/W2145023808
 - https://openalex.org/W2145491782
 - https://openalex.org/W2146505859
 - https://openalex.org/W2146771343
 - https://openalex.org/W2152758563
 - https://openalex.org/W2158217645
 - https://openalex.org/W2158751030
 - https://openalex.org/W2160258475
 - https://openalex.org/W2161362383
 - https://openalex.org/W2165107473
 - https://openalex.org/W2168359618
 - https://openalex.org/W2170551349
 - https://openalex.org/W2173425400
 - https://openalex.org/W2179267297
 - https://openalex.org/W2179891822
 - https://openalex.org/W2252515028
 - https://openalex.org/W2255967741
 - https://openalex.org/W2325236070
 - https://openalex.org/W2325695146
 - https://openalex.org/W2550462889
 - https://openalex.org/W2587526616
 - https://openalex.org/W2605045053
 - https://openalex.org/W2745714020
 - https://openalex.org/W2778207978
 - https://openalex.org/W2784167524
 - https://openalex.org/W2787231130
 - https://openalex.org/W2888329609
 - https://openalex.org/W2889025670
 - https://openalex.org/W2904003159
 - https://openalex.org/W2914039286
 - https://openalex.org/W2936740340
 - https://openalex.org/W2947941158
 - https://openalex.org/W2951640687
 - https://openalex.org/W2953232606
 - https://openalex.org/W2969328051
 - https://openalex.org/W2973699867
 - https://openalex.org/W2990427812
 - https://openalex.org/W3024064700
 - https://openalex.org/W3037070176
 - https://openalex.org/W4205274652
 - https://openalex.org/W4232343228
 - https://openalex.org/W4232799666
 - https://openalex.org/W4233632200
 - https://openalex.org/W4236236547
 - https://openalex.org/W4237691953
 - https://openalex.org/W4237884377
 - https://openalex.org/W4248296705