組學(xué)時代下植物—傳粉者互作的研究

劉 逸, 林 瀚, 韓曉文, 蘭思仁, 劉仲健, 羅毅波,2, 馬曉開

(1.福建農(nóng)林大學(xué)蘭科植物保護與利用國家林業(yè)與草原局重點實驗室/海峽聯(lián)合研究院基因組與生物技術(shù)研究中心/園藝學(xué)院，福建 福州 350002；2.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室/系統(tǒng)與進化植物學(xué)國家重點實驗室,北京 100093；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

Sprengel在1793年發(fā)表了他的重大發(fā)現(xiàn)——植物通過花蜜獎賞(reward)為其運輸花粉的動物，并強調(diào)這種互作關(guān)系對植物種子和果實生產(chǎn)的重要性[1].自此，開啟了人們對于植物—傳粉者互作(plant-pollinator interactions)關(guān)系的研究.達爾文在完成《物種起源》的后期，專門以蘭科植物的花與其傳粉昆蟲的互作為例來詮釋關(guān)于自然選擇的進化論思想[2].據(jù)統(tǒng)計，超過30萬種的被子植物都依靠動物傳粉實現(xiàn)有性繁殖[3]，同時一些學(xué)者認為傳粉動物的多樣性也超過30萬種[4]，以被子植物為主的群落中幾乎都可以發(fā)現(xiàn)開花植物與傳粉者的互作.植物—傳粉者的互作關(guān)系是進化和生態(tài)領(lǐng)域相關(guān)理論研究的理想模型，也是維持生態(tài)穩(wěn)定和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟健康發(fā)展的要素；但由于其涉及面廣、研究尺度和深度難以把握等問題，該領(lǐng)域的研究面臨重重挑戰(zhàn).

隨著高通量測序和高通量質(zhì)譜技術(shù)的迅速發(fā)展，生命科學(xué)進入了多元數(shù)據(jù)的組學(xué)(the omics)時代.與傳統(tǒng)技術(shù)相比，高通量技術(shù)使得核酸、蛋白質(zhì)、代謝物的測序和分離所需的時間周期和成本大大降低，迅速成為推動并主導(dǎo)當今生命科學(xué)領(lǐng)域跨入大數(shù)據(jù)時代的強力引擎[5].其中，基因組學(xué)(genomics)、蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)和代謝組學(xué)(metabolomics)等多種組學(xué)分支正在推進生命科學(xué)各個領(lǐng)域的發(fā)展.

現(xiàn)階段，組學(xué)方法在植物與傳粉者互作研究中的應(yīng)用尚處于早期，研究主要集中在花性狀遺傳基礎(chǔ)與生殖隔離、傳粉者化學(xué)感受、傳粉者學(xué)習(xí)記憶、植物—傳粉者化學(xué)交流、植物—傳粉者系統(tǒng)發(fā)育及多樣性等方面.整合多元組學(xué)數(shù)據(jù)及相關(guān)生物信息分析工具將為植物—傳粉者互作提供前所未有的研究機遇和平臺，幫助科研工作者從新的視角理解植物—傳粉者互作方式、進化模式和傳粉系統(tǒng)的動態(tài)變化.

1 組學(xué)的概念

分子生物學(xué)發(fā)展以來，學(xué)者們已通過標記(markers)和序列標簽(sequence tags)等傳統(tǒng)手段對龐大的基因組進行了20多年的探索.在20世紀90年代，全世界科學(xué)家通過人類基因組計劃(human genome project,HGP)書寫了“生命天書”，并利用蛋白組學(xué)解讀了這部偉大的天書，隨后轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、表觀組學(xué)和降解組學(xué)等也相繼得到蓬勃發(fā)展[5].大規(guī)模的生物大數(shù)據(jù)的分析成為組學(xué)時代到來的標志，其涵蓋了特定的分子(轉(zhuǎn)錄本和多肽組)、修飾(降解物和甲基化)、表型(行為和生理)等全套的生物信息.

基因組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用不僅可獲得該物種的全基因組序列和重要功能基因的信息，而且可通過多個基因組序列比較闡述該物種的進化史，了解該物種生長發(fā)育和適應(yīng)環(huán)境的分子機制[6].在已知物種基因組的情況下，對種內(nèi)群體中的不同個體進行基因組的重測序，可在全基因組水平上發(fā)現(xiàn)群體內(nèi)個體之間的差異，大量的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNPs)、插入缺失(insertion-deletion，Indels)、結(jié)構(gòu)變異(structure variations,SVs)等個體變異信息得到鑒定，從而表征生物群體的遺傳特征，因此其在群體水平上研究物種的進化歷史、環(huán)境適應(yīng)性等方面具有重大意義[7].在已完成基因組測序的物種中，可將基因組DNA序列數(shù)據(jù)與RNA-seq結(jié)果進行對比分析，從而得到可變剪切、基因結(jié)構(gòu)優(yōu)化、基因表達、新基因等結(jié)果；而對于沒有參考基因組的物種，可考慮進行denovo轉(zhuǎn)錄組測序研究，即對所得測序讀長片段進行denovo組裝，進而得到該物種的單一基因序列集(unigenes)數(shù)據(jù)，特別是對于具有龐大且復(fù)雜的基因組的物種，運用該方法可有效地進行新基因的鑒定和新分子標記的開發(fā)[7].

蛋白質(zhì)組學(xué)本質(zhì)上是在大規(guī)模水平上探究蛋白質(zhì)的特征，其包含一個細胞乃至一個集體的基因組所表達的全部蛋白質(zhì)，通過定量、動態(tài)和整體等角度去揭示基因的功能，為后基因組計劃的一個重要環(huán)節(jié)[8].相較于基因組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)能在細胞和生命的整體水平上解密生物的本質(zhì)特征和活動規(guī)律(表達、修飾、功能、相互作用等).

代謝組學(xué)則是對某一組織或細胞在特定生理時期內(nèi)所有低分子量代謝產(chǎn)物進行定性及定量的分析，其通過代謝物反映基因和蛋白表達的微小變化，省去了全基因組測序與建立大量表達序列標簽(expressed sequence tag,EST)數(shù)據(jù)庫的環(huán)節(jié)[9].其所測定的代謝物通常在不同生物體中都是類似的，所以代謝組學(xué)采用的研究技術(shù)具有普適性，基于代謝組學(xué)的研究既可以發(fā)現(xiàn)生物體被各種環(huán)境因素影響后的不同應(yīng)答，又能區(qū)分同一物種不同個體之間表型的差異.

隨著研究對象和層次的深入，多種組學(xué)工具應(yīng)運而生.例如，表觀遺傳組學(xué)(epigenomics)的應(yīng)用使得在基因組水平上大規(guī)模解讀除DNA序列變化外引起細胞表型和基因表達的可遺傳改變的機制成為可能[10].其中，DNA甲基化、組蛋白修飾是表觀基因組學(xué)的重要研究內(nèi)容.MicroRNA (miRNA)是一類在真核生物中參與基因表達調(diào)控的單鏈小分子RNA.在傳統(tǒng)研究中,miRNA靶基因的尋找主要依靠生物信息學(xué)預(yù)測、AGO蛋白免疫共沉淀、miRNA過表達和熒光素酶法等,但這些方法都存在一定的局限性.降解組測序(degradome sequencing)結(jié)合了高通量測序、生物信息學(xué)分析和RACE(rapid-amplification of cDNA ends)驗證等多種優(yōu)勢，是一種有效鑒定大量miRNA的方法，已成功應(yīng)用于擬南芥(Arabidopsisthaliana)等模式生物miRNA靶基因的檢測[11].

隨著面向組學(xué)大數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)體系和工具日趨完善，整合多組學(xué)數(shù)據(jù)及相關(guān)分析技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用；但基于組學(xué)方法對植物—傳粉者間互作的研究仍然處于初期階段.在植物方面，起初的大多數(shù)資源集中用于測序自花傳粉的模式物種(如基因組較小的擬南芥)和具有重要經(jīng)濟價值的作物的基因組；同時，已經(jīng)完成測序的昆蟲基因組大多是針對攜帶病原作用的昆蟲物種，并非傳粉昆蟲.因此，有關(guān)植物—傳粉者互作關(guān)系的研究還缺少大量可用的組學(xué)數(shù)據(jù).近年來，5 000個昆蟲基因組計劃(i5k)[12]和1 000株植物轉(zhuǎn)錄組項目(The 1KP Project)[13]等使得大規(guī)模研究和分析非模式生物成為可能，將有助于人們更好地理解植物—傳粉者互作的進化關(guān)系.這些項目包括世界范圍內(nèi)生物學(xué)家感興趣的大多數(shù)模式和非模式物種，其中涵蓋了一半以上的被子植物科及主要昆蟲目(約30個)的代表物種.

2 組學(xué)在植物—傳粉者互作研究中的應(yīng)用

2.1 花性狀遺傳基礎(chǔ)與生殖隔離

傳粉者介導(dǎo)的選擇作用被認為是有花植物物種形成和花性狀多樣化的最主要驅(qū)動力之一[14].自然界中最明顯的證據(jù)就是許多親緣關(guān)系較遠的植物的花具有相同的傳粉綜合征(pollination syndromes)，即特定組合的花性狀表型能夠吸引和利用特定類群的動物作為傳粉者，這些性狀包括花的大小、顏色、氣味、質(zhì)地、形狀、朝向及獎賞等[15].鑒定導(dǎo)致花性狀表型差異的基因及其突變，對于理解親緣關(guān)系較近的物種間花性狀的分化、傳粉者介導(dǎo)的生殖隔離及植物的物種形成至關(guān)重要.20世紀90年代初，已有學(xué)者通過數(shù)量性狀位點(quantitative trait locus,QTLs)的方法研究溝酸漿屬(Mimulus)[16]、矮牽牛屬(Ipomoea)[17]、耬斗菜屬(Aquilegia)[18]和鳶尾屬(Iris)[19]等物種的花性狀與傳粉者的偏好，結(jié)果表明與傳粉者相關(guān)的一些花性狀受到相對較少位點但效應(yīng)較強的基因控制.然而，這些研究都是基于低通量分子標記[如限制性內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphism，RFLPs)和簡單重復(fù)序列(simple sequence repeats,SSRs)]所構(gòu)建的遺傳圖譜，這些圖譜大多因分子標記密度較低而不能提供準確和完全的控制性狀的QTLs的數(shù)目和座位信息.此外，人工實驗室條件下進行的定位分析，雖然具有容易處理的優(yōu)勢，但其脫離了自然環(huán)境背景，可能造成定位結(jié)果在生態(tài)功能上的偏差.新一代測序技術(shù)的應(yīng)用使得基因組序列數(shù)據(jù)大幅增長，為更有效地進行基因作圖和全基因組范圍分析基因分型策略提供了機遇，并可在此基礎(chǔ)上構(gòu)建超高密度的遺傳圖譜.目前，組學(xué)的應(yīng)用使在全基因范圍內(nèi)檢測變異亦相對容易，全基因組掃描已經(jīng)成為篩選與生態(tài)適應(yīng)分化和物種形成相關(guān)的候選基因組區(qū)域的常規(guī)方法.

對于同域分布的2種猴面花Mimuluslewisii和Mimuluscardinalis，97%的生殖隔離為傳粉者所介導(dǎo)[20]； QTL結(jié)果顯示，影響傳粉者行為的性狀(顏色、氣味)與影響傳粉者效率和花粉活力的性狀(花蕊與花柱的長度)有共同的基因定位.Fishman et al[21]在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),這些能夠?qū)е?種猴面花種群間生殖隔離的位點所在的區(qū)域是基因組中被認為重組受到抑制的區(qū)域.目前尚不清楚在該系統(tǒng)中是否由于基因組的進化推動了生殖隔離的發(fā)生，但重組受抑制顯然有助于同域分布的物種保持生殖隔離的性狀.此外，同域分布的矮牽牛屬Petuniaexserta與Petuniaaxillaris由于蜂鳥的傳粉也會發(fā)生雜交[22].前人已在該屬物種中鑒定出控制氣味[23]、花青素[24]、紫外光譜吸收[25]、花冠面積和管長[26]及雌雄蕊長度[27]的基因位點，這些位點能夠影響傳粉者的行為和效率，其中至少3個性狀的相關(guān)基因在這2個物種基因組重組受抑制的區(qū)域中緊密連鎖[27].這進一步表明基因組進化在這2個物種生殖隔離方面的作用，但該系統(tǒng)中驅(qū)動基因組進化的因素和過程仍然未知.

猴面花Mimulusaurantiacus分布區(qū)域內(nèi)存在不同花色的2個亞種，在其交界區(qū)域受到傳粉者介導(dǎo)的生殖隔離，處于物種形成的初期階段[28-29].有研究確定是單個轉(zhuǎn)錄因子MaMyb2驅(qū)動了這種分化[30]；在基因及整個基因組水平上分析得到的等位基因差異和漸變趨勢表明MaMyb2受到正選擇作用[31].全基因組的差異分析對異域分布經(jīng)過二次接觸導(dǎo)致物種形成這一觀點提出挑戰(zhàn)，支持了領(lǐng)域成種假說，且暗示變異可能僅發(fā)生在基因組內(nèi)表現(xiàn)適應(yīng)性的局部區(qū)域.對于這個問題，Stankowski et al[32]在完成基因組組裝的基礎(chǔ)上對這2個亞種進行了全基因組掃描和地理漸變?nèi)悍治?，采用簡化基因組測序(restriction-site associated DNA sequence，RAD-seq)和FCT分析發(fā)掘到58 872個SNPs，130個位點具有漸變趨勢，可能反映了性狀在空間水平的分化，表明這些位點可能位于或接近由傳粉者介導(dǎo)的生殖隔離基因組區(qū)域.這與單獨的基因組區(qū)域隔離假說所認為的，在2個亞種的雜交區(qū)，異常值位點跨越整個基因組區(qū)域而存在顯然不符.

蘭科植物的花結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳粉機制精密，從達爾文時期至今一直是研究進化的植物模型.約1/3的蘭科植物通過欺騙性傳粉(deceptive pollination)實現(xiàn)其成功繁殖的目的[33-34].植物利用視覺、嗅覺和觸覺等信號欺騙傳粉者訪花并為其傳粉，花擬態(tài)在其中起著十分關(guān)鍵的作用.眉蘭屬(Ophrys)的花形似雌性昆蟲，它們主要依靠尋找配偶的雄性胡蜂傳粉，因而眉蘭屬植物間傳粉者具有特異性，這種傳粉者特異性也是造成生殖隔離的主要驅(qū)動力[35-36].在眉蘭屬植物表型性狀中，吸引特定傳粉者最重要的物質(zhì)就是花表面模仿雌性昆蟲性激素的碳氫化合物，傳粉者隨著性激素烯烴雙鍵位置的不同而與對應(yīng)植物形成特異性的互作關(guān)系，而這是由該系統(tǒng)中幾種硬脂酰?；d體蛋白去飽和酶(stearoyl-ACP desaturase，SAD)的表達差異所造成[37-38].研究者基于這種完整的功能驗證以及對不同碳氫化合物表型的適應(yīng)性效應(yīng)的評估，通過SAD功能的變化，可進行多種進化軌跡的建模.另外，利用轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對花的其他表型的候選基因進行鑒定[38]，并結(jié)合全基因組的研究發(fā)現(xiàn)，眉蘭屬植物的物種分化信號較弱，異常值掃描中僅有非常小的一部分基因組與物種分化相關(guān)，這其中就包括生物合成烴功能的候選基因[39].這表明在這個系統(tǒng)中是基因而不是基因組在物種形成中起重要作用[40-41].此外，Cai et al[42]利用生活周期短的蕓苔屬Brassicarapa作為模型，模擬自然界的傳粉者，對其產(chǎn)生的氣味進行人工選擇，通過轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)對單個花性狀的選擇可導(dǎo)致完全不同的基因改變，這解釋了控制花揮發(fā)物的基因在生物合成網(wǎng)絡(luò)中的多效性.被子植物家族中多個科的花進化出局部斑點的性狀，對傳粉者的吸引和定位起著重要作用.Zhang et al[43]通過轉(zhuǎn)錄組對芍藥屬Paeoniasuffruticosa進行研究，揭示了花瓣斑點形成的分子基礎(chǔ)，為從分子層面揭示花色模式吸引傳粉者的機制提供了可能.Zhang et al[44]通過對擬蘭(Apostasia)的全基因組測序和蘭科的比較基因組學(xué)分析，揭示了蘭科為適應(yīng)昆蟲傳粉而特化的左右對稱花的起源和演化路徑，及其花器官發(fā)育的分子基礎(chǔ)，開啟了研究蘭科植物和傳粉者互作進化的分子遺傳基礎(chǔ)的先河.在組學(xué)背景下，花性狀的分子機制正隨著更多植物基因組的測序被逐漸破譯，傳粉者介導(dǎo)的植物花性狀分化的遺傳基礎(chǔ)及其在植物生殖隔離與物種形成中的作用將被更全面地解釋.

2.2 傳粉者化學(xué)感受

化學(xué)感受是生物對外界環(huán)境中化學(xué)成分的感知作用，對動物的生存及進化至關(guān)重要，同時可能導(dǎo)致生殖隔離和物種形成.昆蟲的化學(xué)感受通常與其基本的行為相關(guān)，如覓食、交配和產(chǎn)卵.昆蟲主要具有3類化學(xué)感受體：嗅覺受體(olfactory receptors,OR),味覺受體(gustatory receptors,GR),離子型受體(ionotropic receptors,IR).這些受體基因決定了感覺神經(jīng)的反應(yīng)，感覺神經(jīng)元調(diào)節(jié)昆蟲的主要行為和生態(tài)適應(yīng)能力.結(jié)合組學(xué)分析可以更好地揭示傳粉者感受植物化學(xué)信號的相關(guān)受體的功能基因和適應(yīng)關(guān)系.

膜翅目蜜蜂(Apismellifera)作為重要的傳粉昆蟲和模式生物，是繼黑腹果蠅(Drosophilamelanogaster)、岡比亞按蚊(Anophelesgambiae)之后第3種全基因組被破譯的昆蟲[45].基因組分析發(fā)現(xiàn)，其嗅覺受體以及與利用花蜜、花粉相關(guān)的基因高于預(yù)期數(shù)量，編碼嗅覺受體的基因約有170個，是黑腹果蠅和岡比亞按蚊的2倍.OR基因家族的明顯擴張在進化上一直被認為是昆蟲對陸生環(huán)境的適應(yīng)表現(xiàn).被子植物大爆發(fā)(the angiosperm radiation)后該基因家族經(jīng)歷了多次分化，從基因?qū)用嫔戏从沉酥参铩獋鞣壅叩膮f(xié)同進化.此外，對鱗翅目多個物種基因組的化學(xué)感受基因家族在分子進化水平上的分析發(fā)現(xiàn)，該家族曾多次發(fā)生基因獲得事件，極少有基因丟失，極有可能是鱗翅目物種因適應(yīng)不同植物而導(dǎo)致的變異[46].榕樹—榕小蜂互作一直是植物—傳粉者協(xié)同進化的經(jīng)典模型，其嚴格的互利共生關(guān)系要求雌蜂必須精確定位其唯一的寄主植物才能繁衍后代.Xiao et al[47]通過對一種典型的榕小蜂(Ceratosolensolmsi)進行全基因組測序，發(fā)現(xiàn)其化學(xué)感受基因明顯減少，僅有46個ORs和5個GRs，Ka/Ks值表明這些基因受到寬松的選擇，這可能與特化傳粉系統(tǒng)(specialized pollination)的形成過程相關(guān);這類基因的減少可以排除環(huán)境中其他化學(xué)成分對榕小蜂的干擾.具有欺騙性傳粉系統(tǒng)的不少植物通過釋放昆蟲偏好的揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compounds,VOCs)吸引其訪問并傳粉.St?kl et al[48]報道了海芋屬植物Arumpalaestinum通過擬態(tài)酵母的氣味吸引果蠅為其傳粉，基于基因組數(shù)據(jù)分析和功能成像的結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管訪花的不同果蠅種間分化時間已超過4 000萬年，但該植物散發(fā)的揮發(fā)物仍能夠刺激果蠅屬中一類最保守的嗅覺受體基因所編碼的受體.除昆蟲外，嗅覺受體對蝙蝠這類夜間傳粉動物也起著重要作用，通過基因家族間的對比，其嗅覺受體功能基因與其他陸生哺乳動物存在顯著差異[49]，這可能與其更依賴強大的回聲定位能力有關(guān).Baldwin et al[50]對包括蜂鳥在內(nèi)的10種鳥類全基因組序列進行比較分析和功能基因驗證，發(fā)現(xiàn)雖然蜂鳥的祖先在進化過程中丟失了感受甜味的味覺受體基因，但是蜂鳥的T1R1-T1R3經(jīng)過對植物花蜜的適應(yīng)后能重新獲得對甜味的感知能力，使其以采食花蜜為生.該發(fā)現(xiàn)將受體與行為聯(lián)系在一起，揭示了蜂鳥在進化過程中產(chǎn)生一種新的行為以適應(yīng)獨特的生態(tài)位，為從分子水平上揭示蜂鳥傳粉的適應(yīng)性進化過程提供了有力的證據(jù).

2.3 傳粉者學(xué)習(xí)記憶

動物普遍具有學(xué)習(xí)記憶的能力，這種能力對其選擇植物存在潛在的影響，且可能在物種之間的相互適應(yīng)或協(xié)同進化中發(fā)揮重要作用.傳粉者與植物之間的互利關(guān)系有利于傳粉者更容易地學(xué)習(xí)和記憶花性狀[51].對花性狀的學(xué)習(xí)可增加傳粉者對該植物物種的訪問頻率，從而提高花粉轉(zhuǎn)移效率和植物結(jié)實率.對傳粉者學(xué)習(xí)記憶機制的研究可能揭示該能力在植物進化過程中所扮演的角色，進而為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供指導(dǎo)意見.

目前，有關(guān)傳粉者學(xué)習(xí)記憶的大部分研究是以蜜蜂作為模式物種.作為泛化傳粉者，蜜蜂為了最大限度通過植物覓食，學(xué)習(xí)與記憶特定物種的花性狀是其生活史中必不可少的重要環(huán)節(jié).其中，花氣味的學(xué)習(xí)與記憶最為突出.蜜蜂能夠區(qū)分出氣味間微妙的差異，如同一物種的2種基因型個體開花期的氣味[52].當蜜蜂將特定氣味與獎賞建立關(guān)聯(lián)后，其行為偏好可發(fā)生改變，這是一類典型的嗅覺學(xué)習(xí)模型[53].Wang et al[54]采用喙展反應(yīng)試驗讓蜜蜂將草莓氣味與獎賞聯(lián)系起來，然后取受過訓(xùn)練和未受過訓(xùn)練的蜜蜂頭部組織，通過轉(zhuǎn)錄組測序建庫技術(shù)和數(shù)字基因表達譜(digital gene expression,DGE)信息分析發(fā)現(xiàn)，共259個基因具有表達差異，在受過訓(xùn)練的蜜蜂中有30個基因表達上調(diào)，229個基因表達下調(diào)，暗示在經(jīng)歷過嗅覺學(xué)習(xí)后更多基因受到抑制而不是激活.視覺學(xué)習(xí)方面，Qin et al[55]采用基于迷宮的視覺學(xué)習(xí)訓(xùn)練蜜蜂，通過降解組miRNA測序分析，共找到40個已知的表達有差異的miRNAs，這些miRNAs在訓(xùn)練組中表達上調(diào);另外,通過DGE測序分析檢測到訓(xùn)練組與對照組蜜蜂存在388個差異表達基因，其中45個在訓(xùn)練組中表達上調(diào)，其余均為下調(diào)基因.Cristino et al[56]在此基礎(chǔ)上通過對腦部組織的轉(zhuǎn)錄組及其表達進行分析,證明miR-932表達上調(diào)可能控制神經(jīng)的可塑性并影響記憶的形成.Guo et al[57]對嗅覺學(xué)習(xí)過程中的蜜蜂左、右腦進行了基因表達量分析，大約6%的蛋白質(zhì)編碼基因在2個腦區(qū)之間的表達水平有2倍以上的變化，而在右腦中有更多差異表達基因表達上調(diào)，反映出左、右腦區(qū)功能的不對稱性，據(jù)此推測左腦可能與長時程記憶有關(guān)，右腦則與短時程記憶更相關(guān).Biergans et al[58]選擇嗅覺學(xué)習(xí)訓(xùn)練后的蜜蜂作為研究材料，通過轉(zhuǎn)錄組和表觀組甲基化分析發(fā)現(xiàn),DNA轉(zhuǎn)甲基化蛋白(如DNA methyltransferases,Dnmts)和DNA去甲基化蛋白(如ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenase,Tet)上調(diào)，與記憶相關(guān)的基因甲基化水平也發(fā)生了明顯上調(diào)或下調(diào).

2.4 植物—傳粉者化學(xué)交流

無論在細胞內(nèi)還是整個生態(tài)系統(tǒng)，化學(xué)交流都是維持生命活動必不可少的部分.植物與傳粉者的交流中，花通過氣味和獎賞中的化學(xué)成分影響傳粉者的行為.然而，將這些化學(xué)成分作為花功能性狀的研究一直進展緩慢，主要原因是目前已知的植物代謝產(chǎn)物多達20萬種[59]，模式植物擬南芥被預(yù)測能產(chǎn)生5 000多種初級和次生代謝產(chǎn)物，多于微生物和動物類群所能產(chǎn)生的代謝物[60-62].代謝組學(xué)的興起為全面地研究生物的復(fù)雜代謝過程及其產(chǎn)物，進而分析次生代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、限速步驟、細胞活動過程，以及尋找物種間的親緣關(guān)系等提供了可能.

蘭科植物的某些類群可以利用性信息素以性欺騙的手段引誘特定傳粉者.Bohman et al[63]采用氣相33色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(gas chromatograph-mass spectrometer,GC-MS)對澳大利亞通過性欺騙傳粉的蘭花Drakaeaglyptodon及其吸引的一種雄性黃蜂Zaspilothynnustrilobatus的揮發(fā)物進行了測定，并通過氣相色譜—觸角電位聯(lián)用(gas chromatography-electroantennagram detection,GC-EAD)驗證了吸引黃蜂的有效成分；隨后，對世界范圍內(nèi)已報道的性欺騙傳粉系統(tǒng)的蘭科植物的揮發(fā)物進行調(diào)查統(tǒng)計，結(jié)果顯示其均存在類似功能的其他化學(xué)成分，暗示該類化學(xué)生態(tài)系統(tǒng)在性欺騙傳粉進化過程中是新產(chǎn)生的，對預(yù)適應(yīng)(pre-adaptation)的進化假說提出挑戰(zhàn).該研究在某種程度上解答了為什么植物具有如此多次生代謝產(chǎn)物的關(guān)鍵問題.有機體間相互作用驅(qū)動的物種形成過程也促成了自然界化學(xué)物質(zhì)的多樣性.在性欺騙傳粉的案例中，植物在物種間的軍備競賽中獲得了更多利益.此外，被子植物某些類群的花還會擬態(tài)腐爛動植物的氣味，吸引一些尋找產(chǎn)卵地的昆蟲為其傳粉.Jürgens et al[64]整合了已有研究中擬態(tài)產(chǎn)卵地信號的植物及其揮發(fā)物數(shù)據(jù)，開展了系統(tǒng)發(fā)育水平上的大尺度分析，發(fā)現(xiàn)番荔枝科、夾竹桃科、天南星科、蘭科和大花草科五大家族獨立演化出了以寡硫化物為主要組成，擬態(tài)腐敗氣味的揮發(fā)性混合物,且其主要傳粉昆蟲為食腐蠅類和甲蟲.Junker et al[65]對動、植物中化學(xué)交流的表型性狀(chemical communication displays,CCDs)數(shù)據(jù)進行Meta分析，鑒定出CCDs的變異特征，為今后通過CCDs結(jié)構(gòu)特性預(yù)測植物—傳粉者進化軌跡的研究奠定了基礎(chǔ).在花蜜次生代謝產(chǎn)物方面，Wright et al[66]通過液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)對柑橘屬和咖啡屬物種的花蜜成分進行分析，發(fā)現(xiàn)其中咖啡因的含量與糖分含量不存在相關(guān)性，且花蜜次生代謝物在低濃度時可能為中性或具有吸引作用，咖啡因可強化傳粉者關(guān)于獎賞的記憶，從而保證了傳粉者對植物的忠實性.此外，黃蜂[67]、鳥類[68]對含高濃度尼古丁植物花蜜的采食量較低，蜜蜂的花蜜儲存量隨花蜜中煙堿的濃度而變化[69].對于植物來說，這是通過操縱傳粉者行為實現(xiàn)更高的異交率[70].

2.5 植物—傳粉者系統(tǒng)發(fā)育及多樣性

只有清楚了解物種相互作用的原理才能更好地實現(xiàn)物種多樣性的保護，探索構(gòu)建這些相互作用機制的模式對于理解生態(tài)系統(tǒng)的時間—空間變化和預(yù)測其對擾動的承受程度至關(guān)重要.Savard et al[71]在完成蜜蜂全基因組測序的基礎(chǔ)上，結(jié)合當時已完成測序的昆蟲基因組，利用185個核基因重建系統(tǒng)發(fā)育樹，發(fā)現(xiàn)膜翅目與其他完全變態(tài)昆蟲(甲蟲、蛾和蠅)具有共同祖先.該研究認為之前的系統(tǒng)發(fā)育假設(shè)都沒有真實還原此系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，這是由于單個位點或少量位點的分析不足而導(dǎo)致.膜翅目與其他完全變態(tài)昆蟲的分化時間估測在近3億年前.針對單個或少數(shù)基因的研究可能無法可靠地揭示這種祖先關(guān)系，通過基因組水平掃描得到的若干蛋白質(zhì)序列比對分析可為解決這種進化關(guān)系提供有力支持.Peters et al[72]通過轉(zhuǎn)錄組測定了膜翅目173個物種的蛋白編碼序列，利用3 256個基因重建了膜翅目主要譜系的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和分化時間，揭示了蜂類等適應(yīng)性輻射分化的起源.Xiang et al[73]也通過基因組與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中低拷貝同源基因?qū)λN薇科的進化歷史進行了研究.

由于氣候和人為因素的影響，在過去50年傳粉者的數(shù)量和多樣性明顯下降[74].利用組學(xué)工具監(jiān)測傳粉者的動態(tài)變化是未來的一大方向.Pornon et al[75]提出了利用metabarcoding揭示和量化植物—傳粉者互作關(guān)系的方法.此方法利用高通量測序平臺對同一目標基因擴增所得的序列與數(shù)據(jù)庫中已知來源的序列進行比對，可實現(xiàn)物種間互作關(guān)系的鑒定.基于生態(tài)基因組學(xué)(ecogenomics)理念，利用分子標記技術(shù)對傳粉者身上攜帶的混合花粉樣品進行片段擴增、測序，將所得序列與數(shù)據(jù)庫平臺上經(jīng)過物種鑒定的參考數(shù)據(jù)進行比對，能夠大規(guī)模、自動化地驗證物種間的互作關(guān)系，一些特殊和難以觀察的相互作用(如夜間授粉)也可以被識別，但這類數(shù)據(jù)庫在植物和動物之間互作研究的應(yīng)用方面還處于起步階段.此外，Lozier[76]采用RAD-seq對北美地區(qū)2種熊蜂的遺傳多樣性進行了分析，為傳粉者的保護提供了一定參考；Sadd et al[77]對不同熊蜂的基因組有關(guān)免疫抵抗方面的基因進行分析，揭示了生態(tài)毒理作用于傳粉者的分子機制，為進一步了解殺蟲劑對非目標昆蟲的作用提供了依據(jù)，從而呼吁相關(guān)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的改進.

3 展望

組學(xué)技術(shù)使生命科學(xué)研究迎來大發(fā)現(xiàn)的同時，組學(xué)數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長也對大數(shù)據(jù)的管理、分析、更新、分享以及整合提出了新的挑戰(zhàn).相比新一代測序技術(shù)帶來的高數(shù)據(jù)產(chǎn)出率，利用生物信息學(xué)知識從大量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息解讀還嚴重滯后，亟需整合來自不同層面的多組學(xué)信息，推動標準化的數(shù)據(jù)管理和分享模式的發(fā)展，開發(fā)和推廣更有效的生物信息學(xué)工具，促進研究者科學(xué)思維的不斷創(chuàng)新.

未來，我們期望通過組學(xué)方法更深入了解植物—傳粉者的互作關(guān)系，從而幫助解決一些長期存在的基本生物學(xué)問題.例如：通過結(jié)合表型可塑性和基因組等結(jié)構(gòu)分化更好地揭示傳粉綜合征和傳粉者認知學(xué)習(xí)的適應(yīng)性進化；比較傳粉者介導(dǎo)的平行適應(yīng)的物種分化機制，明確花表型及傳粉者感知系統(tǒng)分化的分子基礎(chǔ)；以趨同的視角從更深層次的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系探索植物和傳粉者的多樣化和適應(yīng)性輻射的機理；建立植物—傳粉者互作關(guān)系的多組學(xué)數(shù)據(jù)庫，為保護生物多樣性提供更多參考等.