真社會性昆蟲群體中類細胞凋亡免疫機制的發現

藺哲廣 鄭火青 胡福良（浙江大學動物科學學院，杭州310058）

真社會性昆蟲群體中類細胞凋亡免疫機制的發現

藺哲廣 鄭火青 胡福良
（浙江大學動物科學學院，杭州310058）

2016年6月6日，《Scientific Reports》在線發表了“Social apoptosis in honey bee superorganisms”，并迅速被ScienceDaily、NewsReality、ScienceNews、China National News、myScience等網絡媒體報道。該研究首次揭示了發育中的東方蜜蜂（Apis cerana）工蜂幼蟲較西方蜜蜂（Apis mellifera）更為脆弱、敏感的生理特性致使其在被狄斯瓦螨（Varroa destructor）寄生后更易死亡，從而有效限制了瓦螨的繁殖與傳播。這種通過犧牲部分患病個體以避免疾病在群體中傳播，從而保全整體健康的現象很可能是群居生物抵抗疾病的一種基本防御策略。社會性昆蟲跨世代（transgenerational）群體免疫的新機制——類細胞凋亡免疫的提出，增進了當前對社會性昆蟲生物學的了解，提升了對狄斯瓦螨與其原始寄主間互作關系的認識，且在蜂群抗病育種方面具有頗高的應用價值。該項成果由浙江大學與瑞士蜜蜂研究中心、瑞士伯爾尼大學、泰國清邁大學等研究團隊合作取得。

蜜蜂作為一種典型的真社會性昆蟲（eusocial insect）可以被視作超級生物體，蜂群內世代層疊、協同合作的個體組成了一個功能上類似于多細胞生物的有機體，這種協作配合可通過社會性免疫機制利于被寄生蟲侵染的蜂群的生存，如包囊作用（encapsulation）、發熱反應的社會性模擬。然而，一旦寄生蟲轉移了寄主，如蜜蜂的體外寄生蟲狄斯瓦螨從其原始寄主東方蜜蜂遷移至西方蜜蜂，早先已有的社會性免疫便突顯出不足。

目前普遍認為，狄斯瓦螨及其所攜播的病毒是威脅西方蜜蜂生存的重要生物因子。由于蜂群發育中的幼蟲持久地被瓦螨侵染并導致蜂螨數量的指數增長，被感染的蜂群若得不到及時的殺螨處理通常會在6個月至2年間死亡。與之相對，被瓦螨侵染的東方蜜蜂群能夠健康存活。在蜂群的一系列抗螨性狀中，與工蜂幼蟲相關的限制瓦螨種群增長的機制至關重要——成年工蜂探測并移除被瓦螨侵染的工蜂幼蟲，從而打斷瓦螨的繁殖周期。該衛生行為是社會性免疫的重要內容，其在蜂群中的誘發基于被感染幼蟲所釋放的信號、寄生蟲的信息素、工蜂探測上述信息的能力以及發生清理行為的臨界閾值。雖已有研究表明，東方蜜蜂工蜂清理被瓦螨寄生的封蓋子的能力強于西方蜜蜂，但這一抗病特性的機制始終不明。由于以往針對此機制的研究均是在成年工蜂存在的情況下，因而混淆了信息素、探測能力和清理閾值幾者間的作用關系，導致被瓦螨侵染的幼蟲在誘發清理行為中所起的作用尚不明確。該研究通過在無成年工蜂的情況下監測東方蜜蜂和西方蜜蜂幼蟲被瓦螨侵染后的發育和存活情況，得以將在誘發衛生行為中幼蟲所扮演的角色分離出來，進而來彌補對上述問題認識的不足。

該研究共向314個剛封蓋的工蜂幼蟲巢房中分別人工轉染了1只朝鮮基因型的狄斯瓦螨，其中包括一個地區的6個西方蜜蜂群和三個不同地區各4～5群東方蜜蜂。轉染組和對照組巢房同時置于模擬幼蟲最佳發育環境的培養箱中，于發育成熟出房前1天打開封蓋并記錄個體的發育狀況。結果顯示，狄斯瓦螨對被其寄生的東方蜜蜂和西方蜜蜂幼蟲間的影響有顯著差異：轉染的西方蜜蜂工蜂的發育情況與對照組相類似，而三個不同地區的東方蜜蜂被寄生的個體停滯在早期發育階段的比率較對照組顯著更高，即被瓦螨侵染的東方蜜蜂的個體發育顯著遲緩，而仍停滯在幼蟲或預蛹期的個體大部分已腐爛或明顯死亡。那么在蜂群中，即工蜂存在的情況下，即便假設兩個蜂種具有相同的探測衛生行為信號能力、相同的清理閾值，本實驗所觀察到的幼蟲敏感性的差異很有可能會使得東方蜜蜂幼蟲（或蛹）更早、更頻繁地產生某種異常信息素，從而誘發更為有效的衛生行為；此外，幼蟲（或蛹）的死亡亦會直接誘發工蜂的清理。

研究者進一步使用直徑約50 μm的玻璃針對兩個蜂種剛封蓋的幼蟲實施了無菌針刺，以此模擬瓦螨寄生幼蟲時的刺吸行為對幼蟲體表所造成的創傷，并在處理后將其分別置于培養箱內或放回原群以進行比較。在培養箱中，東方蜜蜂幼蟲死亡更早、比例更高；蜂群中，東方蜜蜂工蜂移除的被針扎幼蟲數量更多且速度更快。此結果表明東方蜜蜂幼蟲較西方蜜蜂對創傷的反應更快且更為強烈，并且受傷的工蜂幼蟲可被東方蜜蜂成年蜂更為高效地探測并移除。此外，相較于在培養箱中對幼蟲死亡的評估，蜂群中被工蜂移除的幼蟲比例更高的原因可能是成年蜂對生理機能失常個體的容忍度更低，即便一些培養箱中能夠發育存活的幼蟲也因生理缺陷而被選擇性清理。

綜上，東方蜜蜂幼蟲的高敏感性誘發了更為高效的衛生行為，從而為蜂群的健康生存奠定了基礎。推而廣之，更加脆弱的被寄生或患病的工蜂幼蟲很可能與成年蜂高效的衛生行為相關，這增強了蜂群被寄生蟲和病原感染時的社會性免疫，并進而有助于蜂群的健康。

超級生物體可以受益于敏感、脆弱的個體，這與一般認為社會性群體需要強壯的個體來維持其健康生存的觀點相違背。這一似乎并不符常理的結果表明，脆弱的因子能夠有助于一個社會性整體的強大。同時，此研究為社會性昆蟲自殺或高死亡率的適應值（adaptive value）理論提供了實證支撐，因而構成了細胞凋亡的社會性模擬這樣一個通過犧牲部分個體而阻止疾病傳播的機制。

鑒于蜂群中同時存有大量的個體，一些個體的死亡并不會影響蜂群的整體存活，其利他性的死亡通過防止疾病的進一步傳播反而促進了群體的健康。這種未成熟個體的利他性死亡是蜜蜂跨世代社會性免疫的一項新機制。不論何種病原，社會性的細胞凋亡很可能是群居昆蟲抵抗疾病的一種基本防御策略。

“敏感個體組成抗病蜂群”這一概念的提出對于蜜蜂抗病育種有重要意義。在傳統育種中，個體的抗病性被作為一項重要指標，選育高抗病能力的個體是蜂群抗病育種的一個方向。但該項研究結果表明，幼蟲和蛹階段個體對病原的抗性并非越高越好，而相反，敏感、脆弱的個體對于蜂群高效的社會性免疫或許起到關鍵作用。

原文：Paul Page，Zheguang Lin，NinatBuawangpong，Huoqing Zheng，Fuliang Hu，Peter Neumann，Panuwan-Chantawannakul&Vincent Dietemann.Social apoptosis in honey bee superorganisms.Sci.Rep.6，27210；doi：10.1038/srep27210（2016）.