熊蜂滯育及調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

徐凱 劉玉玲 牛慶生

（吉林省養(yǎng)蜂科學(xué)研究所，吉林 132108）

滯育是昆蟲適應(yīng)周圍環(huán)境巨變且能在惡劣環(huán)境下生存下來的一種有效的生存適應(yīng)策略[1]。昆蟲滯育包括體內(nèi)一系列與環(huán)境協(xié)同進(jìn)化的行為和生理變化，這些變化在一定程度上對(duì)昆蟲的發(fā)育、生命史、耐饑餓、抗逆性和繁殖起到調(diào)節(jié)作用[2]。熊蜂是一個(gè)具有重要經(jīng)濟(jì)效益的授粉昆蟲，廣泛分布于溫帶地區(qū)。自然生態(tài)環(huán)境中，熊蜂蜂王每年在進(jìn)行蜂群繁衍前都需要度過冬季的滯育期，滯育除了能使熊蜂蜂王安全度過冬季的極端低溫環(huán)境外，還可能對(duì)蜂王的繁殖機(jī)制起到積極的促進(jìn)作用。本文主要結(jié)合當(dāng)前昆蟲滯育機(jī)制對(duì)熊蜂的滯育進(jìn)程、可能的滯育調(diào)控機(jī)制進(jìn)行總結(jié)。

1 昆蟲滯育相關(guān)假說

一般來說，昆蟲滯育的相關(guān)機(jī)制具有物種特異性，而且許多昆蟲根據(jù)蟄伏的程度、滯育時(shí)的生命周期（幼蟲、蛹或成蟲）、蟄伏相關(guān)的環(huán)境條件來決定自身的滯育等級(jí)。但某些調(diào)節(jié)昆蟲維持滯育的機(jī)制也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，曾經(jīng)有研究提出一個(gè)假設(shè)：昆蟲滯育基因工具包（toolkit）假說。該假設(shè)認(rèn)為不同的昆蟲體內(nèi)存在一組保守的基因組成，即昆蟲滯育基因工具包，該組滯育基因工具包參與所有昆蟲體內(nèi)的滯育過程，介導(dǎo)了昆蟲維持滯育狀態(tài)相關(guān)的行為和生理變化[3,4]。昆蟲滯育基因工具包假說的相關(guān)研究主要集中在雙翅目昆蟲中[5,6]。而在社會(huì)性昆蟲中也存在另外一種關(guān)于滯育的假設(shè)，該假說認(rèn)為在社會(huì)性昆蟲中，滯育相關(guān)基因可增加群體級(jí)型分化程度、昆蟲個(gè)體的壽命、蜂王的滯育維持能力以及短壽命工蜂的數(shù)量[7,8]。這種假設(shè)也被總結(jié)為滯育相關(guān)基因可能會(huì)加速昆蟲向社會(huì)性動(dòng)物進(jìn)化。

昆蟲的滯育狀態(tài)一般分為3個(gè)生理狀態(tài)：滯育前期（感應(yīng)、準(zhǔn)備和啟動(dòng)）、滯育期（滯育維持期）和滯育后期（滯育終止以及隨后的繁殖）[9]。在滯育前期，有一種時(shí)間-保留機(jī)制的假說，該假說表明昆蟲在滯育前期接受環(huán)境變化的信息，并將這種信息轉(zhuǎn)化為自身的激素或者其他信號(hào)分子的變化，如保幼激素和胰島素等[1,10]。這些激素的變化會(huì)引起昆蟲各種行為和生理變化，包括食物消耗量的增加、儲(chǔ)存蛋白質(zhì)的合成和脂肪體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累。當(dāng)昆蟲進(jìn)入滯育期后，體內(nèi)新陳代謝程度降低或受到抑制，壽命延長(zhǎng)，抗逆性顯著提高。滯育的結(jié)束通常和外界蜜粉源資源的變化密切相關(guān)，滯育結(jié)束后一般都意味著繁殖的開始。在許多昆蟲中，保幼激素（JH）參與調(diào)節(jié)昆蟲3個(gè)滯育階段的轉(zhuǎn)變，該激素的濃度與昆蟲滯育階段密切相關(guān)，保幼激素在滯育期維持一個(gè)較低的水平，其合成代謝速率的增加往往預(yù)示著滯育期的終止[11,12]。

2 熊蜂滯育進(jìn)程

熊蜂（Bombus Spp.）從分類上屬于膜翅目，蜜蜂總科，熊蜂屬，是多種植物（特別是豆科、茄科植物）的重要授粉者。世界上已知的種類有300余種，自然分布區(qū)域遍及除南極和大洋洲以外的整個(gè)大陸，集中分布于北半球的溫帶和亞寒帶，適應(yīng)于寒冷、濕潤(rùn)的氣候。熊蜂是中等社會(huì)化昆蟲，熊蜂蜂王在滯育期和成群時(shí)為獨(dú)居性昆蟲，而在成群后蜂王主要社會(huì)分工為產(chǎn)卵，工蜂負(fù)責(zé)群內(nèi)所有的勞動(dòng)分工，此時(shí)便展現(xiàn)出較高程度的社會(huì)化。

熊蜂蜂王的生命史一般需要經(jīng)歷多個(gè)階段。在夏末，性成熟的處女王離開蜂群外出婚配然后便開始著手進(jìn)入冬季滯育期，在滯育前熊蜂會(huì)在體內(nèi)儲(chǔ)存大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以保障休眠的存活率。在冬季滯育階段，熊蜂蜂王往往陷入完全休眠狀態(tài)并一直持續(xù)6～9個(gè)月。當(dāng)?shù)诙甏杭緛砼R，由于環(huán)境溫度和光照的影響（其具體機(jī)制尚未清楚），蜂王的滯育期結(jié)束。結(jié)束滯育期的熊蜂蜂王首先會(huì)尋找一個(gè)適宜繁殖的巢穴，外出采集并儲(chǔ)備足夠的食物進(jìn)行群體繁殖，該時(shí)期蜂王卵巢的繁育機(jī)能快速激活并開始產(chǎn)卵。當(dāng)?shù)谝慌し涑龇亢?，熊蜂群?nèi)便開始了社會(huì)分工，蜂王專職產(chǎn)卵，蜂巢內(nèi)其他的勞動(dòng)分工則由工蜂來完成。在熊蜂群中，蜂王和工蜂的生物學(xué)行為和生理結(jié)構(gòu)差異很大，但大體形態(tài)上兩者是非常相似的，只是蜂王的個(gè)頭較工蜂大很多而已[12,13]。

3 熊蜂滯育機(jī)制的調(diào)控

截至目前關(guān)于熊蜂滯育機(jī)制的相關(guān)研究較少，僅有關(guān)于熊蜂滯育期保幼激素水平變化、熱激蛋白基因表達(dá)及體內(nèi)物質(zhì)代謝的少量研究報(bào)道。

3.1 保幼激素

熊蜂滯育以交配成功的蜂王的形式進(jìn)行，本質(zhì)上屬于一種成蟲生殖滯育，多數(shù)研究認(rèn)為成蟲生殖滯育主要由體內(nèi)保幼激素的水平來調(diào)節(jié)。有研究表明，熊蜂滯育前和滯育中體內(nèi)保幼激素和蛻皮激素的含量極低，但在滯育結(jié)束后逐漸恢復(fù)至正常生理狀態(tài)的幾天內(nèi)卻能迅速升高。熊蜂蜂王的卵巢活性在滯育結(jié)束后的1個(gè)月內(nèi)可逐漸恢復(fù)，在筑巢前恢復(fù)至最佳狀態(tài)[11,12]。

3.2 熱激蛋白

以往的多數(shù)研究認(rèn)為，只有當(dāng)細(xì)胞處于十分不利的環(huán)境時(shí)，熱激蛋白（HSPs）才會(huì)表達(dá)，但近年來，越來越多的研究表明，熱激蛋白的表達(dá)與昆蟲滯育之間也存在十分密切的關(guān)系。Kim等比較了sHSP、HSC70和HSP90在熊蜂蜂王婚配前、婚配后、低溫滯育1月、低溫滯育2月、低溫滯育3月、滯育結(jié)束后6個(gè)時(shí)期不同組織中（大腦、胸肌、腸道和卵巢）的表達(dá)量，研究表明sHSP、HSC70和HSP90基因在熊蜂滯育過程的不同階段和不同組織中存在較大差異，推測(cè)這些熱激蛋白基因與熊蜂的滯育進(jìn)程密切相關(guān)[14]。

3.3 物質(zhì)代謝系統(tǒng)

研究表明，昆蟲滯育期間，體內(nèi)胰島素信號(hào)通路和一般代謝途徑（如AMPK通路中的腺苷酸活化蛋白激酶，可調(diào)控能量代謝和抗逆性）對(duì)昆蟲的滯育維持起到了關(guān)鍵作用。Colgan等對(duì)熊蜂蜂王、雄蜂以及工蜂的轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明，熊蜂三型蜂體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)備和脂肪酸代謝相關(guān)基因存在顯著差異[15]。根據(jù)Colgan的結(jié)論可推測(cè)這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)備和脂肪酸代謝相關(guān)基因可能與熊蜂的滯育進(jìn)程相關(guān)。對(duì)紅光熊蜂Bombus ignitus滯育期蜂王的表達(dá)序列標(biāo)簽分析結(jié)果表明，熊蜂蜂王體內(nèi)存在一部分與生理代謝相關(guān)的基因與熊蜂的滯育進(jìn)程密切相關(guān)[16]。對(duì)地熊蜂Bombus terrestris不同滯育期蜂王體內(nèi)差異表達(dá)基因的分析結(jié)果表明，熊蜂滯育期相關(guān)基因與脂肪酸和脂類代謝合成密切相關(guān)[17]。

3.4 熊蜂滯育調(diào)節(jié)機(jī)制圖

Amsalem等通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)對(duì)不同滯育階段熊蜂蜂王進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熊蜂滯育相關(guān)的生理變化是由與胰島素信號(hào)、保幼激素、營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存、應(yīng)激反應(yīng)、核心代謝和細(xì)胞通路相關(guān)的基因以及通路調(diào)控的[17]。其比較其他昆蟲的滯育機(jī)制后提出熊蜂滯育基因工具包并以此為基礎(chǔ)提出一個(gè)熊蜂滯育調(diào)節(jié)機(jī)制的簡(jiǎn)易模型（見圖1）。該滯育調(diào)節(jié)機(jī)制主要內(nèi)容為：熊蜂滯育的誘因是環(huán)境的變化，由外界溫度或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)條件轉(zhuǎn)化為環(huán)境變化信號(hào)傳遞給熊蜂蜂王的大腦，會(huì)觸發(fā)大腦中與滯育相關(guān)的關(guān)聯(lián)變化，大腦中最先反應(yīng)的變化應(yīng)該是胰島素和多巴胺等神經(jīng)遞質(zhì)水平的降低，這將抑制熊蜂咽側(cè)體中保幼激素的分泌，保幼激素分泌的降低會(huì)激發(fā)機(jī)體的抗逆性增強(qiáng)機(jī)制。大腦信號(hào)的傳導(dǎo)還會(huì)導(dǎo)致TOR或MAPK之類的營(yíng)養(yǎng)代謝通路或者熱激蛋白水平發(fā)生變化，其中熱激蛋白和某些氧化劑的升高可提高蜂王的壽命。而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝的變化主要為脂肪體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，而同時(shí)卵巢生理活性逐漸減弱直至進(jìn)入滯育階段（休眠）。同樣，在滯育結(jié)束時(shí)可能由于溫度或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化作為環(huán)境信號(hào)傳遞給熊蜂蜂王的大腦，胰島素和多巴胺等神經(jīng)遞質(zhì)水平升高，促進(jìn)保幼激素的分泌并促進(jìn)各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝。保幼激素和胰島素對(duì)熊蜂體內(nèi)脂肪的儲(chǔ)存、卵巢生理活性、免疫和個(gè)體壽命均具有多重效應(yīng)。保幼激素水平的增加以及胰島素分泌可將存儲(chǔ)的脂肪轉(zhuǎn)化為激活卵巢以及卵細(xì)胞發(fā)生的中間產(chǎn)物，促進(jìn)蜂群的快速建立。

圖1 熊蜂滯育調(diào)節(jié)通路及其相互作用簡(jiǎn)化示意圖[17]

近期的熊蜂滯育相關(guān)研究表明，滯育期蜂王體內(nèi)保幼激素代謝通路受到抑制，但形態(tài)演發(fā)因子Kr-h1卻出乎意料的高表達(dá)，推測(cè)可能是由于交配后的蜂王在即將到來的繁殖之前進(jìn)行組織重建而導(dǎo)致的。此外，蜂王特有的類胰島素生長(zhǎng)因子在蜂王滯育期間也很活躍，表明胰島素信號(hào)通路參與調(diào)控滯育期間脂肪體儲(chǔ)存能量的代謝周轉(zhuǎn)[18]，該結(jié)果一定程度上支持了Amsalem等的論點(diǎn)，也一定程度上豐富了熊蜂滯育調(diào)節(jié)機(jī)制。

4 展望

熊蜂滯育技術(shù)是當(dāng)前商業(yè)化熊蜂人工繁育中的重要環(huán)節(jié)，但熊蜂滯育機(jī)制研究并未完全清楚，許多環(huán)節(jié)仍存在很大程度的推測(cè)。隨著基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的不斷發(fā)展，熊蜂滯育相關(guān)功能基因、關(guān)聯(lián)蛋白以及調(diào)控的關(guān)鍵激素和酶類將會(huì)被快速的挖掘出來，這將不斷填補(bǔ)熊蜂的滯育調(diào)控機(jī)制，我們堅(jiān)信在不久的將來熊蜂滯育技術(shù)將會(huì)被打破，熊蜂人工繁育技術(shù)會(huì)踏上新的臺(tái)階。