遺傳變異與雄蜂生殖力的關系

熊成│編譯

遼寧省農業(yè)發(fā)展服務中心

一、雄蜂生殖生物學研究概述

精子形成發(fā)生在雄蜂幼蟲期后期和預蛹期，精子分化發(fā)生在蛹期。精子形成始于胚胎形成和精巢的發(fā)育。精巢由精小管組成，精小管中充滿初級精原細胞或未分化的生殖細胞。在幼蟲發(fā)育的最后階段（第5日齡），初級精原細胞經(jīng)歷4次有絲分裂形成16個次級精原細胞。次級精原細胞經(jīng)歷一系列有絲分裂成為初級精母細胞。從幼蟲期后期到預蛹期，精子形成包含兩輪減數(shù)分裂。第一次減數(shù)分裂發(fā)生在幼蟲期后期，第二次減數(shù)分裂發(fā)生在預蛹期。

羽化時，精子的產生就已經(jīng)完成，精子儲存在精巢中。在羽化后早期，雄蜂粘液腺會分泌精漿。雄蜂羽化后，精漿產生立即增加，在5～6日齡時達到最大。雄蜂性成熟時，精子轉移到貯精囊中。精子轉移過程在雄蜂羽化后即開始，在羽化后2周內完成。大約8日齡時，雄蜂開始定向飛行和交尾飛行。雄蜂聚集在雄蜂聚集區(qū)（Drone Congregation Areas, DCAs），追逐經(jīng)過的蜂王、競爭與其交尾。成功獲取交尾機會的雄蜂，其內陽莖外翻，進入蜂王輸卵管。交尾只持續(xù)幾秒鐘，推動精子和精漿進入蜂王輸卵管。射精之后，內陽莖斷裂、雄蜂死亡。

精子在輸卵管中緊緊簇擁在一起，不能游到受精囊。蜂王進行肌肉收縮，促進精子的轉移，但這種行為會導致精子損失，每只雄蜂只有約2.5%的精子進入到受精囊。當卵子經(jīng)過輸卵管時，蜂王可分泌出受精囊中的精子使其受精。在蜂王一生中，分泌的精子數(shù)量會發(fā)生變化，平均每個受精卵會使用兩個精子。蜂王把交尾時從雄蜂那里得到的精子儲存在受精囊中，達5年之久。蜂群換王時，蜂王只使用了大約1%的精子來使卵子受精。

二、遺傳變異與表型變異的聯(lián)系

精子質量或數(shù)量的變異會直接影響雄蜂的繁殖能力。已經(jīng)有一些研究探索了營養(yǎng)、農藥處理及溫度等環(huán)境條件的變化如何影響雄蜂的精子表型和生育能力，但遺傳變異對雄蜂生殖力的影響卻未得到充分研究。在相同環(huán)境中比較不同亞種或培育品系是確定決定表型的潛在遺傳貢獻的一種方法，這種方法對蜜蜂來說是可行的，特別是在蜜蜂原產地有遺傳上明顯不同的不同種群共存的情況下。目前為止，很少有針對精子相關表型的此類研究，僅有少數(shù)研究表明，雄蜂的生殖變異可能有很強的遺傳因素。比如，與也門蜂相比，卡蜂雄蜂的黏液腺、精巢和貯精囊較大，它們射出的精液中精子數(shù)更多。研究表明，不同培育品系在生殖衰老、精子性狀、精漿組成、形態(tài)特征、飛行能力以及對應激源的反應等方面均存在很大差異，遺傳因素造成了精子性狀變異，但尚無研究確定這種變異有多少是遺傳差異造成的，也未對生殖力相關性狀的遺傳力進行估計。

由于只有少數(shù)研究分析了生殖性狀的遺傳差異，所以很難確定是什么機制和進化過程導致這種差異。不過，精子產生、精子維持、雄蜂繁殖形態(tài)學和精子儲存等方面取得的研究進展為分析精子性狀差異可能發(fā)生的節(jié)點提供參考。

三、精子濃度和質量對雄蜂的重要性

內陽莖上的精子濃度可以預測雄蜂的繁殖成功率。精子濃度越高，雄蜂將精子通過輸卵管泵入受精囊的可能性越大，產生更多精子的雄蜂更有可能使卵子受精。其他研究發(fā)現(xiàn)，體型較小的雄蜂繁殖成功率較低，這可能是精子數(shù)量較低造成的。精子在輸卵管內趨于成簇，并且親緣關系近的精子更可能聚在一起，這可能會使精子表現(xiàn)出群體行為并交換有益物質以減輕來自親緣關系較遠的精子的負面競爭，從而提高長期儲存，并增加受精的可能性。精小管數(shù)量、精子發(fā)生質量，精子轉移，射精以及精子儲存等差異均可造成精子質量的不同。

1.精小管數(shù)量

精子形成發(fā)生在精小管中，精小管的形態(tài)或生理變化都會改變精子的產生。雄蜂有200多條精小管，每只雄蜂可平均產生約700萬精子。我們不知道蜜蜂之間在精小管數(shù)量上存在多大差異，但研究發(fā)現(xiàn)新羽化的雄蜂在精巢大小上的確存在差異，而精巢大小與精小管數(shù)量是高度相關的。

2.精子發(fā)生

與其他膜翅目昆蟲相比，除了涉及減數(shù)分裂重組的3個基因DMC1、RAD51C和RECQ3之外，蜜蜂有所有減數(shù)分裂的核心基因。這些核心基因與精子形成過程中的細胞周期控制、染色體結構維持和減數(shù)分裂重組有關。

3.從精巢轉移到貯精囊

雄蜂一旦羽化，精子就開始從精巢轉移到貯精囊，這個轉移過程延遲了性成熟。如果精子的遷移率存在不同，羽化后精子的濃度也會有差異，而精子遷移在不同雄蜂之間確實存在差異，遺傳因素很可能起作用。因為來自不同群體的雄蜂其精子遷移率存在差異，雄蜂在交尾能力上也存在不同，這也表明精子遷移存在差異。

4.射精和精子運動

精子進入到蜂王輸卵管后，會移動到蜂王受精囊中。射出的精子具有相應的生化機制進行有氧代謝。在蜜蜂中，精子能動性和鞭毛運動都是很耗費能量的，需要依賴ATP產能來完成從雄蜂到蜂王受精囊之間的轉移。精子儲存在受精囊后，它就開始通過厭氧的酸化糖酵解代謝產生ATP。蜂王受精囊維持缺氧環(huán)境，減少精子儲存過程中的能量消耗，降低ROS活性，使儲存的精子進行無氧代謝。

5.精子在蜂王體內的儲存

蜂王產生的受精囊液體確保有適合的環(huán)境維持精子的長期活性，受精囊液體和精漿不同，它包含能量代謝和抗氧化防御相關的蛋白。受精囊提供參與厭氧代謝和糖酵解途徑的蛋白質，這些蛋白在精漿中是沒有的。精子進入受精囊后其糖源改為由受精囊提供的果糖，這種改變使精子可以利用糖酵解途徑，降低其代謝速率。蜂王需要儲存精子1～2年，它們還會產生有利于精子儲存的抗氧化劑。

四、精子形態(tài)對雄蜂生殖力的重要性

在親緣關系較近的蜂類中，蜜蜂的精子最長、最大，這被歸因于蜜蜂一雌多雄交尾方式的進化以及精子競爭的出現(xiàn)。更長的精子可能更適于長期儲存，因為它壽命更長、能量產生和在精子儲存器官內的位移更大。考慮到蜂王一般存活1～2年，壽命較長的精子使卵子受精的可能性更大，這可能導致精子的長度和形態(tài)被高度選擇。

五、精漿對雄蜂生殖力的重要性

在蜜蜂中，精漿的功能很多，其主要功能是保護精子。在蜜蜂精漿中已鑒定出多達260種蛋白，多數(shù)蛋白與精子的保護相關。比如，精漿中包含一些與解毒、免疫和氧化應激相關的蛋白。精漿還與蜂王相互作用，通過增加產卵率、提高受精囊的精子儲存以及改變對精子的接受能力等提高受精。

六、未來的研究方向

嘗試從分子水平了解蜜蜂精子成分的變化是如何產生的，對于雄蜂是如何產生并維持它們的射精、遺傳差異如何造成雄蜂生殖力的變異以及哪些性狀決定雄蜂的適合度等方面還有很多未知。

1.進一步研究精子質量和雄蜂生殖力之間的關系

目前，仍不知道哪些性狀是預測精子質量的最佳指標，多數(shù)研究通過雙熒光染色法測量精子活力來衡量精子質量，但諸如線粒體活性、頂體反應、DNA片段化和精子能動性等可以更精確的測量精子質量。各研究獲取和量化精子的方法不同，主要采用兩種方法：第一種是在雄蜂腹部施加壓力或使用氯仿麻醉使雄蜂內陽莖外翻，使用注射器收集精液。此方法測量的是雄蜂交尾時將使用的精子；第二種是測量貯精囊中的精子。此方法需要解剖貯精囊，測量從精巢轉移到貯精囊中的精子。未來的研究需要考慮哪種方法更適合其研究目的。此外，研究還需考慮因日齡、營養(yǎng)以及其他環(huán)境壓力導致的精子變化。

將來的工作應該將精子表型變異與雄蜂的生殖力和適應度聯(lián)系起來，一些精子性狀可能展示雄蜂的適合度。例如，高濃度的精子可能會增加雄蜂的受精概率，較長的精子可能更適合長期儲存。盡管如此，我們仍然不知道哪些性狀呈現(xiàn)差異以及它們如何影響雄蜂的生殖成功，這妨礙了我們對蜜蜂種群的有效管理，因為不知道該選擇雄蜂的哪些生育性狀。隨著對雄蜂性狀變異的了解越來越多，可以建立有針對性的育種計劃。

2.識別候選基因

需要進一步研究遺傳在雄蜂生育力中發(fā)揮的作用以及有助于雄蜂繁殖性能的遺傳因子。通過對比精子性狀呈現(xiàn)差異的不同群體或培育品系之間的基因有可能找到?jīng)Q定這些性狀的候選基因，可以通過全基因組關聯(lián)研究（GWAS）或從這些群體產生遺傳雜交來實現(xiàn)。針對某一性狀，GWAS需要對在性狀上存在變異的大量個體進行表型分析、DNA測序，以確定與該性狀相關的基因組區(qū)域。 GWAS花費較多并且耗時。遺傳雜交需要不同的品系或群體，它們在性狀上存在變異。使用這些品系或群體進行雜交，通過比較雜交種與親本群體之間的基因找出與性狀關聯(lián)的候選基因。一旦確定對生育能力重要的精子性狀的變異，就可以使用這些方法來鑒定候選基因。