工蜂卵巢的可塑性及分子調(diào)控研究進(jìn)展

周建陽，宋華莉，唐紫寒，石 鵬，張小燕

（重慶師范大學(xué) 重慶市媒介昆蟲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶市動物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331）

1 前言

群居昆蟲通常具有明顯的勞動分工，一個雌性種姓負(fù)責(zé)繁衍后代，而其從屬種姓主要負(fù)責(zé)覓食和哺育后代[1]。繁殖種姓具有完善的生殖體系，主要擔(dān)任種群的繁衍工作。而從屬種姓的繁殖則受到發(fā)育過程中所建立的生理機(jī)制的限制[2]。這種繁殖的限制對群居社會的進(jìn)化至關(guān)重要。生殖僅限于一個雌性種姓，這種生理機(jī)制有助于維持社會群居昆蟲的和諧，促進(jìn)了獨(dú)立繁殖到群居動物的過渡[3-4]。

蜜蜂作為膜翅目群居昆蟲的典型代表，同樣具有嚴(yán)格的生殖勞動分工。蜂王具有完善的生殖體系，主要負(fù)責(zé)繁殖后代和維持蜂群秩序。工蜂由于幼蟲時期營養(yǎng)條件和發(fā)育空間的限制，卵巢沒有發(fā)育完全，并且卵巢的激活也受到蜂王的制約，因此通常被認(rèn)為不具備繁殖能力，但仍然保留著一定的繁殖潛力[5]。在蜜蜂中，工蜂的繁殖限制是有條件的，在失王等其他因素的影響下，工蜂卵巢會發(fā)生可塑性激活并產(chǎn)下未受精卵。工蜂卵巢可塑性激活通常受到基因差異表達(dá)、表觀遺傳修飾、激素分泌以及分子信號通路的調(diào)控。深入研究工蜂卵巢的可塑性影響因素及分子調(diào)控機(jī)制，對蜜蜂的繁殖育種工作具有重大的意義。

2 蜜蜂級型分化的調(diào)控

在蜂群中，存在2 個種姓的雌性蜂，分別是蜂王和工蜂。由于幼蟲時期發(fā)育條件的差異，導(dǎo)致了它們的級型分化。蜂王幼蟲在王臺中生長發(fā)育，并始終食用蜂王漿，最終發(fā)育為蜂王。工蜂幼蟲在工蜂房中生長發(fā)育，只在前3 日齡食用蜂王漿，之后便食用花粉和花蜜調(diào)制而成的蜂糧，最終發(fā)育為工蜂[6]。工蜂與蜂王無論是在形態(tài)上還是生理上均存在著較大的差異。首先，蜂王的體長和體重都明顯大于工蜂，工蜂的后足具有能攜帶花粉的花粉框結(jié)構(gòu)而蜂王沒有[7]。其次，蜂王與工蜂的發(fā)育歷期以及在巢內(nèi)擔(dān)任的工作均有較大的差異。工蜂區(qū)別于蜂王的另一顯著特征是工蜂的卵巢受到退化，每個卵巢僅含有少數(shù)幾根卵巢管，蜂王的卵巢含有大量卵巢管[8]。且工蜂卵巢管中卵細(xì)胞發(fā)育程度明顯低于蜂王[9]。

目前的研究普遍認(rèn)為，幼蟲時期的營養(yǎng)條件與發(fā)育空間是雌性蜜蜂級型分化的根本原因[10-11]。蜜蜂級型分化受到許多基因表達(dá)的調(diào)控[12]。如表皮生長因子受體基因[13]以及卵黃原蛋白基因等的表達(dá)調(diào)控[14-15]。這些基因的差異表達(dá)很可能參與級型差異相關(guān)組織發(fā)育的表達(dá)調(diào)控，如卵巢組織等[16]。研究表明：許多激素如保幼激素（JH） 和蛻皮激素（MH） 也參與了蜜蜂級型分化的調(diào)控，其中保幼激素能促進(jìn)雌性蜂幼蟲時期卵巢的發(fā)育[17-18]。蛻皮激素能夠促進(jìn)工蜂化蛹的時間提前[19]，從而實(shí)現(xiàn)對蜜蜂級型分化的調(diào)控作用。另外，表觀遺傳如DNA 甲基化也可能參與了蜜蜂級型分化的調(diào)控。蜂王與工蜂幼蟲時期DNA 的甲基化程度具有明顯差異[20-21]。DNA 的甲基化會對基因的轉(zhuǎn)錄活性產(chǎn)生影響，從而參與到蜜蜂級型分化的調(diào)控[22]?？偠灾?，蜜蜂幼蟲時期的營養(yǎng)條件與發(fā)育空間是蜜蜂級型分化的外部決定因子，外部因子是通過基因的表達(dá)、激素的分泌、表觀遺傳的改變等內(nèi)部因子起作用的[23]。從而造成雌性蜜蜂種姓的差異。

3 工蜂卵巢可塑性研究進(jìn)展

表型的可塑性是指生物體對環(huán)境的改變做出反應(yīng)而改變其表型的能力，有助于快速適應(yīng)變化的環(huán)境[24-25]。大多數(shù)生物的表型都具有一定的可塑性，它們能夠通過改變自己的生物學(xué)特征來適應(yīng)環(huán)境的改變[26-27]。蜜蜂表現(xiàn)出表型可塑性的顯著例子，成年工蜂在失王等條件的刺激下會迅速激活卵巢，起始卵子的發(fā)生[28-29]。這也是工蜂失王后對環(huán)境改變做出的積極響應(yīng)。

3.1 蜂王對工蜂卵巢可塑性的調(diào)控

在眾多影響因素中，蜂王對工蜂卵巢可塑性影響最為顯著。正常蜂群中，只有0.12%的卵是由工蜂產(chǎn)下的。失王后，很多工蜂的卵巢都可以發(fā)育起來，并且可以產(chǎn)下很多未受精卵[30-31]。研究發(fā)現(xiàn)，在中華蜜蜂中，有王群和無王群工蜂的卵巢發(fā)育程度的差距比較顯著。蜂王存在時，只有4.31%的工蜂卵巢能夠發(fā)育，且卵巢的發(fā)育等級處于低水平；蜂王不存在時，有32.8%的工蜂卵巢能夠發(fā)育起來，卵巢發(fā)育等級明顯高于有王群，并且在卵巢管中可以看到成熟的卵。研究還發(fā)現(xiàn)，工蜂在15日齡時卵巢發(fā)育程度最高[32]。也有研究表明，工蜂失王時間過長后卵巢會重新激活，隨后將產(chǎn)生卵子。蜂王老化或者短期失王，工蜂的卵巢也會發(fā)育起來，但發(fā)育的等級比較低[33]。

在把西方蜜蜂幼蜂介紹到東方蜜蜂蜂群的實(shí)驗(yàn)中，可以發(fā)現(xiàn)，東方蜜蜂的蜂王對西方蜜蜂的工蜂卵巢發(fā)育也具有一定的抑制作用[34]。蜂王主要通過信息素來調(diào)控工蜂的生命活動。其中，能抑制工蜂卵巢發(fā)育的信息素主要是蜂王信息素（QMP）。蜂王信息素是蜂王上顎腺信息素中的一種，它由蜂王上顎腺分泌，主要活性成分是反式-9- 氧代-2- 癸烯酸（9-ODA）[35-36]。9-ODA 對工蜂卵巢具有明顯的抑制作用[37-38]。蜂王產(chǎn)生的蜂王信息素可以通過蜂王與工蜂直接接觸、工蜂與工蜂之間的接觸以及氣流等傳遞方式傳遞給工蜂[39]。工蜂感受到刺激之后就會做出一系列的應(yīng)激反應(yīng)，從而達(dá)到蜂王對工蜂卵巢可塑性的調(diào)控以及其它生命活動的調(diào)控。

3.2 幼蟲對工蜂卵巢可塑性的調(diào)控

除蜂王之外，幼蟲對工蜂卵巢可塑性也具有一定的調(diào)控作用[40-42]。幼蟲體表能夠分泌幼蟲信息素來調(diào)節(jié)工蜂卵巢的發(fā)育，幼蟲信息素屬于引發(fā)信息素的一種，它由10 種脂肪酸酯組成[43]，其中對工蜂卵巢起抑制作用酯類主要包括甲基棕櫚酸酯、乙基棕櫚酸酯和乙基油酸酯等幾種酯類[44]。幼蟲信息素可以調(diào)控工蜂頭部基因的表達(dá)來調(diào)控工蜂的一些生命活動，包括對工蜂采集行為和繁殖能力的調(diào)控[45-47]。研究表明，幼蟲信息素可以和蜂王信息素產(chǎn)生協(xié)同作用來共同抑制工蜂卵巢的發(fā)育[35,42]。

3.3 營養(yǎng)條件對工蜂卵巢可塑性的影響

營養(yǎng)條件是影響工蜂卵巢可塑性的一個重要因素，工蜂和蜂王產(chǎn)生級型分化很大一方面是由于幼蟲時期攝取的營養(yǎng)物質(zhì)不同導(dǎo)致的。若給二倍體蜜蜂幼蟲喂食蜂王漿，它將發(fā)育成為具有繁殖能力的蜂王。若喂食3 d 蜂王漿后改喂蜂蜜和花粉，它將發(fā)育成為不育的工蜂[48]。研究表明，蜂王漿中含有一種特殊因子王漿蛋白（royalactin），它能夠通過Egfr 介導(dǎo)的信號通路驅(qū)動蜂王的發(fā)育[14]。在成年工蜂中，蜂王漿也有助于促進(jìn)工蜂卵巢的發(fā)育，它能給工蜂卵巢發(fā)育提供一定的營養(yǎng)需求[49]。

富含蛋白質(zhì)的飲食可以促進(jìn)蜜蜂工蜂的卵巢和卵子發(fā)育。由于蜜蜂蛋白質(zhì)的主要來源是花粉，花粉的質(zhì)量和消化率可能是決定繁殖能力的重要飲食因素[50]。研究表明，無論是在幼蟲階段或者成年工蜂階段，飼喂高蛋白食物都有助于促進(jìn)工蜂卵巢的發(fā)育，高蛋白食品能夠滿足工蜂卵巢和卵子發(fā)育的蛋白質(zhì)需求[51]。

3.4 外界環(huán)境對工蜂卵巢可塑性的影響

工蜂卵巢的可塑性會發(fā)生季節(jié)性的改變，也會受到外界溫度的影響。蜂王不存在時，工蜂在34℃產(chǎn)卵效果相對27℃和20℃要更好一些，說明適宜的溫度對工蜂卵巢的發(fā)育以及繁殖能力具有一定的促進(jìn)作用[49]。工蜂卵巢的發(fā)育也具有一定的季節(jié)性趨勢，在不同季節(jié)卵巢發(fā)育有所差異。工蜂卵巢在夏季中期發(fā)育水平最高，在春季發(fā)育水平最低，秋季工蜂卵巢的發(fā)育水平位于春季和夏季之間。這可能與外界的環(huán)境有關(guān)，夏天溫度較高，適宜蜜蜂的外出活動，開花植物為蜜蜂提供了更多的花粉，滿足了工蜂卵巢發(fā)育所需要的蛋白質(zhì)來源[51]，從而促進(jìn)了工蜂卵巢的發(fā)育。

工蜂卵巢的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，除了卵巢的整體發(fā)育水平會發(fā)生可塑性改變外，卵巢管的數(shù)目也是處于動態(tài)變化的。在幼蟲4 日齡時，大量的程序性細(xì)胞死亡導(dǎo)致工蜂的卵巢管原纖維發(fā)生退化[52]。這也是工蜂與蜂王產(chǎn)生級型分化的關(guān)鍵時間點(diǎn)[53]。工蜂羽化后卵巢管的數(shù)目也會發(fā)生動態(tài)變化，工蜂卵巢管的數(shù)目會隨著年齡的增加而減少。剛出房工蜂的卵巢組織就表現(xiàn)出很高的Caspase （半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶） 活性，所以推測卵巢管的衰退很有可能是Caspase 調(diào)控的程序性細(xì)胞死亡造成的[54]。

4 工蜂卵巢的分子調(diào)控機(jī)制

4.1 基因差異表達(dá)對工蜂卵巢激活的調(diào)控

表型的改變通常受到基因差異表達(dá)的調(diào)控[55-56]。這些基因可能通過形成基因網(wǎng)絡(luò)對表型進(jìn)行共表達(dá)調(diào)控。Duncan 等[25]通過對正常工蜂和反叛工蜂卵巢組織轉(zhuǎn)錄組測序分析發(fā)現(xiàn)，正常工蜂與反叛工蜂卵巢組織具有2 912個差異表達(dá)基因。基因網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，這些基因很可能參與了對工蜂卵巢活性的調(diào)控。序列分析發(fā)現(xiàn)，這些差異表達(dá)基因通常會聚集在染色體的同一位置。這些可塑性基因聚集在一起可能夠更有效地促進(jìn)基因的協(xié)調(diào)表達(dá)[57-58]。一個基因表達(dá)進(jìn)化的改變通常會影響其鄰近基因的表達(dá)[59]。這些基因的集群現(xiàn)象更有利于對工蜂卵巢活性的共表達(dá)調(diào)控。

4.2 表觀遺傳修飾對工蜂卵巢激活的調(diào)控

組蛋白修飾是核小體關(guān)鍵成分的翻譯后修飾，似乎也參與了基因組廣泛區(qū)域的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對表型變化的調(diào)控[60]。PRC 作為一種組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶參與了基因組靶向區(qū)域組蛋白H3 的甲基化修飾，它能將組蛋白H3 三甲基化形成H3K27me3。H3K27me3能夠抑制染色質(zhì)對應(yīng)區(qū)域的轉(zhuǎn)錄活性，使得基因的表達(dá)量發(fā)生改變，從而調(diào)控表型的改變[61]。 組蛋白修飾能夠改變基因組區(qū)域H3K27me3 的富集程度，對工蜂卵巢可塑性相關(guān)基因的表達(dá)產(chǎn)生影響，從而對工蜂的卵巢可塑性激活進(jìn)行調(diào)控[25]。Kucharski 的研究表明，DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶的沉默對蜜蜂卵巢的發(fā)育具有巨大的影響。表觀遺傳修飾的靈活性支撐著發(fā)育命運(yùn)的深刻變化，對生殖和行為狀態(tài)具有重要的影響[8]。

4.3 激素對工蜂卵巢激活的調(diào)控

保幼激素（JH） 對蜜蜂的生長發(fā)育、級型分化及生理活動的調(diào)節(jié)都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。Amdam 發(fā)現(xiàn)[23]保幼激素在工蜂卵巢激活的調(diào)控中也發(fā)揮著重要的作用。保幼激素可以改變蜜蜂體內(nèi)卵黃原蛋白基因的轉(zhuǎn)錄水平[62]，而卵黃原蛋白是卵子發(fā)育和成熟的關(guān)鍵蛋白，直接影響到卵巢的發(fā)育情況。Shpigler 的研究表明[63]，蜜蜂體內(nèi)JH 水平通常與卵巢狀態(tài)呈正相關(guān)。改變JH 滴度直接影響到卵巢發(fā)育和蠟腺分泌的水平。Dries的研究表明[64]，卵巢激活的抑制可能涉及到原始卵子發(fā)生和退化之間的持續(xù)相互作用，這可能是通過類固醇和神經(jīng)肽激素信號介導(dǎo)的。除保幼激素外，蛻皮激素（WH） 同樣也參與了成年蜜蜂神經(jīng)功能和繁殖的調(diào)節(jié)。蛻皮激素主要由大腦合成和分泌，并在大腦和脂肪體中轉(zhuǎn)化為類固醇激素羥基蛻皮酮（20E），從而參與到蜜蜂大腦功能和卵巢活性的調(diào)節(jié)[65]。研究表明，蛻皮激素調(diào)節(jié)基因E74 和Mblk-1/E93 表達(dá)量的改變會影響到蜜蜂卵巢的活性[66-67]。Andreas 的研究也表明[68]，蛻皮類固醇信號、保幼激素以及多巴胺生物合成的基因參與了工蜂卵巢的激活調(diào)控和減數(shù)分裂過程中染色體分離的調(diào)節(jié)。這些研究都表明，激素調(diào)節(jié)在工蜂卵巢激活的調(diào)控中發(fā)揮著不可或缺的作用。

4.4 N otch 信號通路對工蜂卵巢激活的調(diào)控

Notch 信號通路（圖1[69]） 是一條保守且多效性的信號通路，對細(xì)胞的分化、增殖和凋亡具有重要的調(diào)控作用，在許多動物胚胎發(fā)生過程起到關(guān)鍵的作用[70-72]。Duncan 的研究表明[1]，Notch 信號主要作用于卵發(fā)生的早期階段，能夠抑制工蜂卵巢的可塑性激活。提供一個能夠?qū)⒎渫跖c工蜂卵巢活動直接聯(lián)系起來的分子機(jī)制。

圖1 Notch 信號通路示意圖

5 研究展望

蜜蜂作為典型的社會群居昆蟲，蜂王具有明顯的生殖優(yōu)勢，而工蜂的生殖能力則受到限制。卵巢作為蜜蜂繁殖能力的重要生理和形態(tài)學(xué)指標(biāo)。對其調(diào)控機(jī)制的研究具有重大的意義。目前尚不清楚QMP 是直接影響工蜂卵巢的活性，還是通過大腦或觸角之間的信號作用對工蜂卵巢的可塑性激活進(jìn)行調(diào)控。工蜂卵巢的活性主要受到外界環(huán)境、遺傳組成的調(diào)控，并最終通過基因的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)表型的可塑性改變。目前工蜂卵巢調(diào)控的研究主要集中于表觀層面的研究，對分子調(diào)控機(jī)制的研究還不夠深入。這些科學(xué)問題都有待于我們的深入研究和探討。