東、西方蜜蜂的基因組生物信息學數據分析
——第44屆國際養蜂大會蜜蜂科學論壇綜述

李興安薛運波劉振國（吉林省養蜂科學研究所，吉林308；山東農業大學，泰安708）

東、西方蜜蜂的基因組生物信息學數據分析
——第44屆國際養蜂大會蜜蜂科學論壇綜述

李興安1薛運波1劉振國2
（1吉林省養蜂科學研究所，吉林132108；2山東農業大學，泰安271018）

東、西方蜜蜂是蜜蜂屬生物的兩個代表性物種，本文從東、西方蜜蜂基因組序列，東、西方蜜蜂免疫相關基因，以及東、西方蜜蜂分子進化論三個方面進行綜述，旨在從基因組水平認識這兩個蜜蜂屬物種。

東方蜜蜂；西方蜜蜂；基因組序列；免疫相關基因；分子進化論

韓國位于長白山森林生態系統最南端，是東方蜜蜂的一個分布地域。韓國養蜂文字記載歷史最早可以追溯至公元5年[1,2]。這個時間對應于中國西漢漢平帝（即西漢倒數第二任皇帝劉衎）5年，在此之前，中國大陸土法飼養東方蜜蜂技術傳入韓國。由此看來，韓國人最晚在中國西漢末年已經從事養蜂活動。然而，韓國現代養蜂業始于20世紀早期，經過約100年的發展，韓國養蜂業正在同國際接軌；特別是自2009年以來，韓國的蜜蜂基礎研究深度、廣度，韓國的養蜂技術標準化程度，以及韓國的蜂產品開發精細層次，在亞洲養蜂業具有相當水準，被國際養蜂業漸漸認可。在這個背景之下，第44屆國際養蜂大會于2015年9月在韓國第四大城市大田（Daejeon）舉行。

此次大會的主題是“蜜蜂，連動世界”，東方蜜蜂自然成為大會討論最多的一個研究對象。其中，韓國首爾大學Hyung Wook Kwon教授展示的“東方蜜蜂基因組生物信息學及其展望”研究進展，受到同行學者的關注。至此，蜜蜂基因組學分析將東、西方蜜蜂的遺傳物質組裝為1個染色體組（包括16條染色體）和1個細胞核外質體（即1拷貝線粒體基因組），將東、西方蜜蜂基因組鑒定為DNA全序列譜圖，將東、西方蜜蜂之間的差異反映到基因組水平，這些重大發現對我們認識東、西方蜜蜂的“微觀世界”頗具指導意義。

受此次從大會啟發，在查閱相關文獻的基礎之上，從三個方面綜述了東、西方蜜蜂，本文旨在從基因組水平認識這兩個蜜蜂屬物種。

1　東、西方蜜蜂的基因組序列

生物樣品全基因組序列分析（比如從頭測序）的思路是借助于基因組組裝體長度和基因組組裝體長度占全基因組序列百分比（即覆蓋率）計算基因組全長，并且進一步預測基因轉錄物的數量。東方蜜蜂基因組序列分析的結果顯示，基因組組裝體全長228 Mbp，涵蓋了96%全基因組序列，反映了238 Mbp基因組序列長全，預測了10651個編碼蛋白質基因[3]。此外，東方蜜蜂轉錄組學分析示證實了2470個非編碼蛋白質基因（即，長基因間非編碼RNA基因）[4]。另一方面，西方蜜蜂基因組序列分析的首次結果顯示，基因組組裝體全長231 Mbp，涵蓋98%全基因組序列，反映了236 Mbp基因組全長，預測了10157個編碼蛋白質基因[5]。Elsik等（2014）在此基礎上補充5.5%組裝體數量，將覆蓋率修正為88.7%，將全基因組長度擴展為250 Mbp，將編碼蛋白質基因數量增加至15314個[6]。此外，西方蜜蜂轉錄組學分析示證實1514個非編碼蛋白質基因[4]。總體上，東、西方蜜蜂基因組組裝體間存在同線性關系。

動物基因組富含GC結構域，GC結構域序列占全基因組序列百分比（簡稱GC含量）是表征動物基因組序列構成的一項主要指標。東、西方蜜蜂基因組組裝體的GC含量分別是30%和33%，這組數據低于模式動物黑腹果蠅基因組組裝體的GC含量而高于模式動物人基因組組裝體的GC含量[3]。CpG二核苷酸串聯重復序列被命名為CpG島，是GC結構域的特殊形式，CpG觀察值與CpG期望值（或理論值）之比（簡稱CpG o/e）是表征動物基因組序列構成的另外一項主要指標。東、西方蜜蜂基因組組裝體CpG o/e值分別為1.61和1.65，這組數據低于模式動物果蠅基因組組裝體CpG o/ e值而高于模式動物人因組組裝體CpG o/e值[3]。鑒于基因組甲基化水平與GC含量或CpG o/e值之間存在負相關關系，東、西方蜜蜂基因組既可以在昆蟲基因組甲基化研究中充當模式生物，也可以在人基因組甲基化研究中扮演陰性對照角色。

轉座子，或跳躍基因，被命名為DNA轉座元件，是一類長度異質性DNA重復序列，可以在基因組內不同等位序列之間轉移位置，既可以在原位保留“印記”，也可以在靶位置產生3～11 bp正向重復序列。轉座子的一種存在形式被命名為DNA轉座因子，為基因組固有序列，直接地從原位轉移至到靶位點[7,8]。在東、西方蜜蜂基因組內，DNA轉座因子占全基因組序列百分比分別為0.11%和0.57%[3]；而且，東方蜜蜂基因組僅含有5個果蠅Marine同源DNA轉座因子，西方蜜蜂基因組含有6個果蠅Marine同源DNA轉座因子。轉座子的另外一種存在形式被命名為DNA反轉座因子，來源于反轉錄病毒，為反轉錄病毒同源序列，通過形成RNA中間體間接地轉移至靶位點[7]。DNA反轉座子的一種存在形式被命名為長末端重復序列，是一種非編碼DNA序列但是含啟動子、增強子等轉錄調控序列，因而這種DNA反轉座子是基因表達所需的基本元件之一[8]。東、西方蜜蜂基因組長末端重復序列占全基因組序列百分比分別為0.1%和0.02%[3]。DNA反轉座子的另外一種存在形式被命名為非長末端重復序列，呈彌撒性分布（與串聯DNA重復序列相對應），屬于中度DNA重復序列，也是一種非編碼DNA序列，包括短分散重復序列（長度小于500 bp）和長分散重復序列（長度大于1000 bp）。迄今為止，東方蜜蜂基因組沒有被檢測出短、長分散重復序列；而在西方蜜蜂基因組中，短、長分散重復序列占全基因組序列百分比分別為分別是0.03%和0.04%[3]。報道顯示，人DNA轉座現象可能是一種基因組缺失形式，通常與疾病發生（比如腫瘤）相關[7]。

此外，東、西方蜜蜂線粒體基因組差異性主要表現為如下3個方面[9，10]：第一，東、西方蜜蜂線粒體基因組全長分別為15895 bp和16343 bp；第二，在東方蜜蜂線粒體基因排列方向和排列順序中，絲氨酸-轉運RNA基因只是發生了轉位，而在西方蜜蜂線粒體基因排列方向和排列順序中，絲氨酸-轉運RNA基因不僅發生了轉位而且發生了基因交換；第三，在東方蜜蜂線粒體基因組中，最大的基因間非編碼區全長231 bp，生理功能不十分清楚，位于蛋氨酸基因-轉運RNA基因與谷氨酰胺基因-轉運RNA基因之間，而在西方蜜蜂線粒體基因組中，最大的基因間非編碼區全長193 bp，是種內DNA多態性位點，位于亮氨酸-轉運RNA基因與-細胞色素氧化酶基因亞單位-2基因之間。

2　東、西方蜜蜂的免疫相關基因

昆蟲免疫防御等無脊椎動物免疫防御通常僅依賴于天然免疫，或固有免疫，或非特異性免疫。果蠅、蚊子、飛蛾等獨居昆蟲的天然免疫僅為個體免疫（individual immunity）；螞蟻、西方蜜蜂、東方蜜蜂等社會昆蟲（或群居昆蟲）的天然免疫則體現為個體免疫和社會免疫（social immunity）兩個水平。蜜蜂囊狀幼蟲病和蜜蜂寄生性螨蟲感染分別是東、西方蜜蜂的主要蜜蜂傳染病，前者通常是研究東方蜜蜂個體免疫機制的理想素材，涉及數量較多的昆蟲個體免疫相關基因，而后者通是研究西方蜜蜂群體免疫機制的理想素材，涉及數量較多的昆蟲群體免疫相關基因[11,12]。

全基因組序列分析結果顯示，東方蜜蜂基因組至少編碼160個昆蟲免疫相關基因，其中昆蟲個體免疫相關基因數量較少（相對于西方蜜蜂的昆蟲個體免疫相關基因數量），昆蟲群體免疫相關基因數量較大（相對于西方蜜蜂的昆蟲群體免疫相關基因數量）[3]。此外，蜜蜂抗微生物蛋白質基因和蜂毒肽基因屬于蜜蜂昆蟲群體免疫相關基因，基因轉錄物定量分析的結果顯示，這兩個基因的轉錄物在東、西方蜜蜂組織中存在量的差異，前者表達水平高于后者表達水平[13,14]。這些發現，或許有助于解釋：東方蜜蜂易患蜜蜂囊狀幼蟲病，而不易發生蜜蜂寄生性螨蟲感染。

西方蜜蜂基因組涉及17個昆蟲個體免疫相關基因，這些西方蜜蜂旁系同源基因數量僅占獨居昆蟲個體免疫相關基因數量的三分之一，三分之二昆蟲個體免疫相關基因沒有對應的西方蜜蜂旁系同源基因[5,11]。為此，Weinstock等（2006）初步推測，西方蜜蜂可能具有相對弱的個體免疫防御功能，而且其原因可能是西方蜜蜂在與病原體協調進化過程中僅對種類有限的病原體發生免疫應答。同時，基于西方蜜蜂群體免疫的事實，Conte等進一步推測，在蜜蜂進化過程中，雖然部分個體免疫防御系統可能丟失，但是有可能被群體免疫防御系統取代。西方蜜蜂腦轉錄組序列分析的研究結果顯示，39個昆蟲群體免疫相關基因轉錄物屬于多效性基因，均涉及群體免疫表型[11]。這些發現，或許有助于解釋目前養蜂業存在的另外一個事實：西方蜜蜂易患蜜蜂寄生性螨蟲感染，而不易發生蜜蜂囊狀幼蟲病。

3　東、西方蜜蜂的分子進化論

蜜蜂屬生物包括9～12個物種，除西方蜜蜂外，東方蜜蜂等其他8～11個蜜蜂均自然分布于亞洲[15]。顯然，這種分布格局表明東方蜜蜂起源于亞洲，而且在沿亞洲大陸擴展過程中自然分布于南亞（如印度）、喜馬拉雅（如尼泊爾）、東南亞（如婆羅洲）、東亞（如中國）及東北亞（如日本）[16,17]。東方蜜蜂DNA分子標記（線粒體還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶亞基-5基因和染色體延伸生長因子-1α基因內含子）多態性分析的研究結果，提供了東方蜜蜂起源于亞洲的遺傳學證據[17]。

鑒于西方蜜蜂的自然分布地域涉及非洲、歐洲以及中東地區，有關于西方蜜蜂分子進化論存在諸多爭議[18,19]。有些分學者依據西方蜜蜂形態變異分析的研究結果，認為西方蜜蜂起源于中東地區西北部（即西亞）乃至非洲東北部；其中，一部分祖先族群沿安托利亞高原擴展過程中自然分布于東部歐洲，另外一部分祖先族群沿直布羅陀海峽和伊比利亞半島擴展過程中自然分布于西部歐洲。另一些學者依據西方蜜蜂線粒體基因組序列分析的研究結果，認為西方蜜蜂起源于中東地區的東北部及其中亞周邊地區；其中，一部分祖先族群沿安托利亞高原和博斯普魯斯海峽擴展過程中自然分布于東部歐洲，另外一部分祖先族群沿歐、亞分界線擴展過程中自然分布于西部歐洲，還有一部分祖先族群沿亞、非分界線擴展過程中自然分布于非洲。還有一些學者依據西方蜜蜂基因組1136個單核苷酸多態性位點多態性分析的研究結果，認為西方蜜蜂起源于中部非洲；其中，一部分祖先族群沿亞、非分界線擴展過程中自然分布于東部歐洲和西亞，另外一部分祖先族群沿非、歐分界線擴展過程中自然分布于西部歐洲。

最近，Wallberg等通過全基因組序列測定方法對來自世界各地140個西方蜜蜂樣本進行重測序[20]。依據西方蜜蜂基因組830萬個單核苷酸多態性位點多態性分析的研究結果，認為西方蜜蜂起源于亞洲而不是非洲。在方法學上，生物樣品全基因組序列分析的關鍵技術是DNA芯片設計，伴隨“大數據系統”和“互聯網+”的技術進步，西方蜜蜂分子進化的謎底終將被揭開。

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Review of genome bioinformatics datasets for two species of honey bee, Apis cerana and Apis mellifera

Li Xing'an1,Xue Yunbo1,Liu zhenguo2
(1 Jilin Provincial Institute of Apicultural Science,Jilin 132108;2 Shandong Agricultural University,Tai'an 271018)

Two species of honey bee,Apis cerana and Apis mellifera,are often considered to be the representative in Apis genus.Here,to understand these two honey bee species at genome level,three main issues on honey bee are reviewed from genome-scale datasets in bioinformatics,including sequence pattern of genome,immuno-related genes and molecular evolution.

Apis cerana,Apis mellifera,sequence pattern of genome,immuno-related genes,molecular evolution

國家蜂產業技術體系建設專項資金資助項目（CARS-45-KXJ2）；吉林省科技發展計劃資金資助項目（No.20100719；20110580；20140101132JC）

李興安（1965-），男，研究員，E－mail:Lxingan@sina.com