熊蜂滯育及調控機制研究進展

徐凱 劉玉玲 牛慶生

（吉林省養蜂科學研究所，吉林 132108）

滯育是昆蟲適應周圍環境巨變且能在惡劣環境下生存下來的一種有效的生存適應策略[1]。昆蟲滯育包括體內一系列與環境協同進化的行為和生理變化，這些變化在一定程度上對昆蟲的發育、生命史、耐饑餓、抗逆性和繁殖起到調節作用[2]。熊蜂是一個具有重要經濟效益的授粉昆蟲，廣泛分布于溫帶地區。自然生態環境中，熊蜂蜂王每年在進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境外，還可能對蜂王的繁殖機制起到積極的促進作用。本文主要結合當前昆蟲滯育機制對熊蜂的滯育進程、可能的滯育調控機制進行總結。

1 昆蟲滯育相關假說

一般來說，昆蟲滯育的相關機制具有物種特異性，而且許多昆蟲根據蟄伏的程度、滯育時的生命周期（幼蟲、蛹或成蟲）、蟄伏相關的環境條件來決定自身的滯育等級。但某些調節昆蟲維持滯育的機制也呈現出一定的規律，曾經有研究提出一個假設：昆蟲滯育基因工具包（toolkit）假說。該假設認為不同的昆蟲體內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的滯育過程，介導了昆蟲維持滯育狀態相關的行為和生理變化[3,4]。昆蟲滯育基因工具包假說的相關研究主要集中在雙翅目昆蟲中[5,6]。而在社會性昆蟲中也存在另外一種關于滯育的假設，該假說認為在社會性昆蟲中，滯育相關基因可增加群體級型分化程度、昆蟲個體的壽命、蜂王的滯育維持能力以及短壽命工蜂的數量[7,8]。這種假設也被總結為滯育相關基因可能會加速昆蟲向社會性動物進化。

昆蟲的滯育狀態一般分為3個生理狀態：滯育前期（感應、準備和啟動）、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，有一種時間-保留機制的假說，該假說表明昆蟲在滯育前期接受環境變化的信息，并將這種信息轉化為自身的激素或者其他信號分子的變化，如保幼激素和胰島素等[1,10]。這些激素的變化會引起昆蟲各種行為和生理變化，包括食物消耗量的增加、儲存蛋白質的合成和脂肪體內營養物質的積累。當昆蟲進入滯育期后，體內新陳代謝程度降低或受到抑制，壽命延長，抗逆性顯著提高。滯育的結束通常和外界蜜粉源資源的變化密切相關，滯育結束后一般都意味著繁殖的開始。在許多昆蟲中，保幼激素（JH）參與調節昆蟲3個滯育階段的轉變，該激素的濃度與昆蟲滯育階段密切相關，保幼激素在滯育期維持一個較低的水平，其合成代謝速率的增加往往預示著滯育期的終止[11,12]。

2 熊蜂滯育進程

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，自然分布區域遍及除南極和大洋洲以外的整個大陸，集中分布于北半球的溫帶和亞寒帶，適應于寒冷、濕潤的氣候。熊蜂是中等社會化昆蟲，熊蜂蜂王在滯育期和成群時為獨居性昆蟲，而在成群后蜂王主要社會分工為產卵，工蜂負責群內所有的勞動分工，此時便展現出較高程度的社會化。

熊蜂蜂王的生命史一般需要經歷多個階段。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入冬季滯育期，在滯育前熊蜂會在體內儲存大量的營養物質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并一直持續6～9個月。當第二年春季來臨，由于環境溫度和光照的影響（其具體機制尚未清楚），蜂王的滯育期結束。結束滯育期的熊蜂蜂王首先會尋找一個適宜繁殖的巢穴，外出采集并儲備足夠的食物進行群體繁殖，該時期蜂王卵巢的繁育機能快速激活并開始產卵。當第一批工蜂出房后，熊蜂群內便開始了社會分工，蜂王專職產卵，蜂巢內其他的勞動分工則由工蜂來完成。在熊蜂群中，蜂王和工蜂的生物學行為和生理結構差異很大，但大體形態上兩者是非常相似的，只是蜂王的個頭較工蜂大很多而已[12,13]。

3 熊蜂滯育機制的調控

截至目前關于熊蜂滯育機制的相關研究較少，僅有關于熊蜂滯育期保幼激素水平變化、熱激蛋白基因表達及體內物質代謝的少量研究報道。

3.1 保幼激素

熊蜂滯育以交配成功的蜂王的形式進行，本質上屬于一種成蟲生殖滯育，多數研究認為成蟲生殖滯育主要由體內保幼激素的水平來調節。有研究表明，熊蜂滯育前和滯育中體內保幼激素和蛻皮激素的含量極低，但在滯育結束后逐漸恢復至正常生理狀態的幾天內卻能迅速升高。熊蜂蜂王的卵巢活性在滯育結束后的1個月內可逐漸恢復，在筑巢前恢復至最佳狀態[11,12]。

3.2 熱激蛋白

以往的多數研究認為，只有當細胞處于十分不利的環境時，熱激蛋白（HSPs）才會表達，但近年來，越來越多的研究表明，熱激蛋白的表達與昆蟲滯育之間也存在十分密切的關系。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、滯育結束后6個時期不同組織中（大腦、胸肌、腸道和卵巢）的表達量，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，推測這些熱激蛋白基因與熊蜂的滯育進程密切相關[14]。

3.3 物質代謝系統

研究表明，昆蟲滯育期間，體內胰島素信號通路和一般代謝途徑（如AMPK通路中的腺苷酸活化蛋白激酶，可調控能量代謝和抗逆性）對昆蟲的滯育維持起到了關鍵作用。Colgan等對熊蜂蜂王、雄蜂以及工蜂的轉錄組分析結果表明，熊蜂三型蜂體內營養物質儲備和脂肪酸代謝相關基因存在顯著差異[15]。根據Colgan的結論可推測這些營養物質儲備和脂肪酸代謝相關基因可能與熊蜂的滯育進程相關。對紅光熊蜂Bombus ignitus滯育期蜂王的表達序列標簽分析結果表明，熊蜂蜂王體內存在一部分與生理代謝相關的基因與熊蜂的滯育進程密切相關[16]。對地熊蜂Bombus terrestris不同滯育期蜂王體內差異表達基因的分析結果表明，熊蜂滯育期相關基因與脂肪酸和脂類代謝合成密切相關[17]。

3.4 熊蜂滯育調節機制圖

Amsalem等通過轉錄組學對不同滯育階段熊蜂蜂王進行分析，結果發現熊蜂滯育相關的生理變化是由與胰島素信號、保幼激素、營養儲存、應激反應、核心代謝和細胞通路相關的基因以及通路調控的[17]。其比較其他昆蟲的滯育機制后提出熊蜂滯育基因工具包并以此為基礎提出一個熊蜂滯育調節機制的簡易模型（見圖1）。該滯育調節機制主要內容為：熊蜂滯育的誘因是環境的變化，由外界溫度或營養物質條件轉化為環境變化信號傳遞給熊蜂蜂王的大腦，會觸發大腦中與滯育相關的關聯變化，大腦中最先反應的變化應該是胰島素和多巴胺等神經遞質水平的降低，這將抑制熊蜂咽側體中保幼激素的分泌，保幼激素分泌的降低會激發機體的抗逆性增強機制。大腦信號的傳導還會導致TOR或MAPK之類的營養代謝通路或者熱激蛋白水平發生變化，其中熱激蛋白和某些氧化劑的升高可提高蜂王的壽命。而營養物質代謝的變化主要為脂肪體內營養物質的積累，而同時卵巢生理活性逐漸減弱直至進入滯育階段（休眠）。同樣，在滯育結束時可能由于溫度或營養物質的變化作為環境信號傳遞給熊蜂蜂王的大腦，胰島素和多巴胺等神經遞質水平升高，促進保幼激素的分泌并促進各種營養物質代謝。保幼激素和胰島素對熊蜂體內脂肪的儲存、卵巢生理活性、免疫和個體壽命均具有多重效應。保幼激素水平的增加以及胰島素分泌可將存儲的脂肪轉化為激活卵巢以及卵細胞發生的中間產物，促進蜂群的快速建立。

圖1 熊蜂滯育調節通路及其相互作用簡化示意圖[17]

近期的熊蜂滯育相關研究表明，滯育期蜂王體內保幼激素代謝通路受到抑制，但形態演發因子Kr-h1卻出乎意料的高表達，推測可能是由于交配后的蜂王在即將到來的繁殖之前進行組織重建而導致的。此外，蜂王特有的類胰島素生長因子在蜂王滯育期間也很活躍，表明胰島素信號通路參與調控滯育期間脂肪體儲存能量的代謝周轉[18]，該結果一定程度上支持了Amsalem等的論點，也一定程度上豐富了熊蜂滯育調節機制。

4 展望

熊蜂滯育技術是當前商業化熊蜂人工繁育中的重要環節，但熊蜂滯育機制研究并未完全清楚，許多環節仍存在很大程度的推測。隨著基因組學和蛋白質組學的不斷發展，熊蜂滯育相關功能基因、關聯蛋白以及調控的關鍵激素和酶類將會被快速的挖掘出來，這將不斷填補熊蜂的滯育調控機制，我們堅信在不久的將來熊蜂滯育技術將會被打破，熊蜂人工繁育技術會踏上新的臺階。