工蜂卵巢的可塑性及分子調控研究進展

周建陽，宋華莉，唐紫寒，石 鵬，張小燕

（重慶師范大學 重慶市媒介昆蟲重點實驗室 重慶市動物生物學重點實驗室，重慶 401331）

1 前言

群居昆蟲通常具有明顯的勞動分工，一個雌性種姓負責繁衍后代，而其從屬種姓主要負責覓食和哺育后代[1]。繁殖種姓具有完善的生殖體系，主要擔任種群的繁衍工作。而從屬種姓的繁殖則受到發育過程中所建立的生理機制的限制[2]。這種繁殖的限制對群居社會的進化至關重要。生殖僅限于一個雌性種姓，這種生理機制有助于維持社會群居昆蟲的和諧，促進了獨立繁殖到群居動物的過渡[3-4]。

蜜蜂作為膜翅目群居昆蟲的典型代表，同樣具有嚴格的生殖勞動分工。蜂王具有完善的生殖體系，主要負責繁殖后代和維持蜂群秩序。工蜂由于幼蟲時期營養條件和發育空間的限制，卵巢沒有發育完全，并且卵巢的激活也受到蜂王的制約，因此通常被認為不具備繁殖能力，但仍然保留著一定的繁殖潛力[5]。在蜜蜂中，工蜂的繁殖限制是有條件的，在失王等其他因素的影響下，工蜂卵巢會發生可塑性激活并產下未受精卵。工蜂卵巢可塑性激活通常受到基因差異表達、表觀遺傳修飾、激素分泌以及分子信號通路的調控。深入研究工蜂卵巢的可塑性影響因素及分子調控機制，對蜜蜂的繁殖育種工作具有重大的意義。

2 蜜蜂級型分化的調控

在蜂群中，存在2 個種姓的雌性蜂，分別是蜂王和工蜂。由于幼蟲時期發育條件的差異，導致了它們的級型分化。蜂王幼蟲在王臺中生長發育，并始終食用蜂王漿，最終發育為蜂王。工蜂幼蟲在工蜂房中生長發育，只在前3 日齡食用蜂王漿，之后便食用花粉和花蜜調制而成的蜂糧，最終發育為工蜂[6]。工蜂與蜂王無論是在形態上還是生理上均存在著較大的差異。首先，蜂王的體長和體重都明顯大于工蜂，工蜂的后足具有能攜帶花粉的花粉框結構而蜂王沒有[7]。其次，蜂王與工蜂的發育歷期以及在巢內擔任的工作均有較大的差異。工蜂區別于蜂王的另一顯著特征是工蜂的卵巢受到退化，每個卵巢僅含有少數幾根卵巢管，蜂王的卵巢含有大量卵巢管[8]。且工蜂卵巢管中卵細胞發育程度明顯低于蜂王[9]。

目前的研究普遍認為，幼蟲時期的營養條件與發育空間是雌性蜜蜂級型分化的根本原因[10-11]。蜜蜂級型分化受到許多基因表達的調控[12]。如表皮生長因子受體基因[13]以及卵黃原蛋白基因等的表達調控[14-15]。這些基因的差異表達很可能參與級型差異相關組織發育的表達調控，如卵巢組織等[16]。研究表明：許多激素如保幼激素（JH） 和蛻皮激素（MH） 也參與了蜜蜂級型分化的調控，其中保幼激素能促進雌性蜂幼蟲時期卵巢的發育[17-18]。蛻皮激素能夠促進工蜂化蛹的時間提前[19]，從而實現對蜜蜂級型分化的調控作用。另外，表觀遺傳如DNA 甲基化也可能參與了蜜蜂級型分化的調控。蜂王與工蜂幼蟲時期DNA 的甲基化程度具有明顯差異[20-21]。DNA 的甲基化會對基因的轉錄活性產生影響，從而參與到蜜蜂級型分化的調控[22]。總而言之，蜜蜂幼蟲時期的營養條件與發育空間是蜜蜂級型分化的外部決定因子，外部因子是通過基因的表達、激素的分泌、表觀遺傳的改變等內部因子起作用的[23]。從而造成雌性蜜蜂種姓的差異。

3 工蜂卵巢可塑性研究進展

表型的可塑性是指生物體對環境的改變做出反應而改變其表型的能力，有助于快速適應變化的環境[24-25]。大多數生物的表型都具有一定的可塑性，它們能夠通過改變自己的生物學特征來適應環境的改變[26-27]。蜜蜂表現出表型可塑性的顯著例子，成年工蜂在失王等條件的刺激下會迅速激活卵巢，起始卵子的發生[28-29]。這也是工蜂失王后對環境改變做出的積極響應。

3.1 蜂王對工蜂卵巢可塑性的調控

在眾多影響因素中，蜂王對工蜂卵巢可塑性影響最為顯著。正常蜂群中，只有0.12%的卵是由工蜂產下的。失王后，很多工蜂的卵巢都可以發育起來，并且可以產下很多未受精卵[30-31]。研究發現，在中華蜜蜂中，有王群和無王群工蜂的卵巢發育程度的差距比較顯著。蜂王存在時，只有4.31%的工蜂卵巢能夠發育，且卵巢的發育等級處于低水平；蜂王不存在時，有32.8%的工蜂卵巢能夠發育起來，卵巢發育等級明顯高于有王群，并且在卵巢管中可以看到成熟的卵。研究還發現，工蜂在15日齡時卵巢發育程度最高[32]。也有研究表明，工蜂失王時間過長后卵巢會重新激活，隨后將產生卵子。蜂王老化或者短期失王，工蜂的卵巢也會發育起來，但發育的等級比較低[33]。

在把西方蜜蜂幼蜂介紹到東方蜜蜂蜂群的實驗中，可以發現，東方蜜蜂的蜂王對西方蜜蜂的工蜂卵巢發育也具有一定的抑制作用[34]。蜂王主要通過信息素來調控工蜂的生命活動。其中，能抑制工蜂卵巢發育的信息素主要是蜂王信息素（QMP）。蜂王信息素是蜂王上顎腺信息素中的一種，它由蜂王上顎腺分泌，主要活性成分是反式-9- 氧代-2- 癸烯酸（9-ODA）[35-36]。9-ODA 對工蜂卵巢具有明顯的抑制作用[37-38]。蜂王產生的蜂王信息素可以通過蜂王與工蜂直接接觸、工蜂與工蜂之間的接觸以及氣流等傳遞方式傳遞給工蜂[39]。工蜂感受到刺激之后就會做出一系列的應激反應，從而達到蜂王對工蜂卵巢可塑性的調控以及其它生命活動的調控。

3.2 幼蟲對工蜂卵巢可塑性的調控

除蜂王之外，幼蟲對工蜂卵巢可塑性也具有一定的調控作用[40-42]。幼蟲體表能夠分泌幼蟲信息素來調節工蜂卵巢的發育，幼蟲信息素屬于引發信息素的一種，它由10 種脂肪酸酯組成[43]，其中對工蜂卵巢起抑制作用酯類主要包括甲基棕櫚酸酯、乙基棕櫚酸酯和乙基油酸酯等幾種酯類[44]。幼蟲信息素可以調控工蜂頭部基因的表達來調控工蜂的一些生命活動，包括對工蜂采集行為和繁殖能力的調控[45-47]。研究表明，幼蟲信息素可以和蜂王信息素產生協同作用來共同抑制工蜂卵巢的發育[35,42]。

3.3 營養條件對工蜂卵巢可塑性的影響

營養條件是影響工蜂卵巢可塑性的一個重要因素，工蜂和蜂王產生級型分化很大一方面是由于幼蟲時期攝取的營養物質不同導致的。若給二倍體蜜蜂幼蟲喂食蜂王漿，它將發育成為具有繁殖能力的蜂王。若喂食3 d 蜂王漿后改喂蜂蜜和花粉，它將發育成為不育的工蜂[48]。研究表明，蜂王漿中含有一種特殊因子王漿蛋白（royalactin），它能夠通過Egfr 介導的信號通路驅動蜂王的發育[14]。在成年工蜂中，蜂王漿也有助于促進工蜂卵巢的發育，它能給工蜂卵巢發育提供一定的營養需求[49]。

富含蛋白質的飲食可以促進蜜蜂工蜂的卵巢和卵子發育。由于蜜蜂蛋白質的主要來源是花粉，花粉的質量和消化率可能是決定繁殖能力的重要飲食因素[50]。研究表明，無論是在幼蟲階段或者成年工蜂階段，飼喂高蛋白食物都有助于促進工蜂卵巢的發育，高蛋白食品能夠滿足工蜂卵巢和卵子發育的蛋白質需求[51]。

3.4 外界環境對工蜂卵巢可塑性的影響

工蜂卵巢的可塑性會發生季節性的改變，也會受到外界溫度的影響。蜂王不存在時，工蜂在34℃產卵效果相對27℃和20℃要更好一些，說明適宜的溫度對工蜂卵巢的發育以及繁殖能力具有一定的促進作用[49]。工蜂卵巢的發育也具有一定的季節性趨勢，在不同季節卵巢發育有所差異。工蜂卵巢在夏季中期發育水平最高，在春季發育水平最低，秋季工蜂卵巢的發育水平位于春季和夏季之間。這可能與外界的環境有關，夏天溫度較高，適宜蜜蜂的外出活動，開花植物為蜜蜂提供了更多的花粉，滿足了工蜂卵巢發育所需要的蛋白質來源[51]，從而促進了工蜂卵巢的發育。

工蜂卵巢的狀態是不穩定的，除了卵巢的整體發育水平會發生可塑性改變外，卵巢管的數目也是處于動態變化的。在幼蟲4 日齡時，大量的程序性細胞死亡導致工蜂的卵巢管原纖維發生退化[52]。這也是工蜂與蜂王產生級型分化的關鍵時間點[53]。工蜂羽化后卵巢管的數目也會發生動態變化，工蜂卵巢管的數目會隨著年齡的增加而減少。剛出房工蜂的卵巢組織就表現出很高的Caspase （半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶） 活性，所以推測卵巢管的衰退很有可能是Caspase 調控的程序性細胞死亡造成的[54]。

4 工蜂卵巢的分子調控機制

4.1 基因差異表達對工蜂卵巢激活的調控

表型的改變通常受到基因差異表達的調控[55-56]。這些基因可能通過形成基因網絡對表型進行共表達調控。Duncan 等[25]通過對正常工蜂和反叛工蜂卵巢組織轉錄組測序分析發現，正常工蜂與反叛工蜂卵巢組織具有2 912個差異表達基因。基因網絡分析發現，這些基因很可能參與了對工蜂卵巢活性的調控。序列分析發現，這些差異表達基因通常會聚集在染色體的同一位置。這些可塑性基因聚集在一起可能夠更有效地促進基因的協調表達[57-58]。一個基因表達進化的改變通常會影響其鄰近基因的表達[59]。這些基因的集群現象更有利于對工蜂卵巢活性的共表達調控。

4.2 表觀遺傳修飾對工蜂卵巢激活的調控

組蛋白修飾是核小體關鍵成分的翻譯后修飾，似乎也參與了基因組廣泛區域的轉錄調控，進而實現對表型變化的調控[60]。PRC 作為一種組蛋白甲基化轉移酶參與了基因組靶向區域組蛋白H3 的甲基化修飾，它能將組蛋白H3 三甲基化形成H3K27me3。H3K27me3能夠抑制染色質對應區域的轉錄活性，使得基因的表達量發生改變，從而調控表型的改變[61]。 組蛋白修飾能夠改變基因組區域H3K27me3 的富集程度，對工蜂卵巢可塑性相關基因的表達產生影響，從而對工蜂的卵巢可塑性激活進行調控[25]。Kucharski 的研究表明，DNA 甲基轉移酶的沉默對蜜蜂卵巢的發育具有巨大的影響。表觀遺傳修飾的靈活性支撐著發育命運的深刻變化，對生殖和行為狀態具有重要的影響[8]。

4.3 激素對工蜂卵巢激活的調控

保幼激素（JH） 對蜜蜂的生長發育、級型分化及生理活動的調節都發揮著關鍵的作用。Amdam 發現[23]保幼激素在工蜂卵巢激活的調控中也發揮著重要的作用。保幼激素可以改變蜜蜂體內卵黃原蛋白基因的轉錄水平[62]，而卵黃原蛋白是卵子發育和成熟的關鍵蛋白，直接影響到卵巢的發育情況。Shpigler 的研究表明[63]，蜜蜂體內JH 水平通常與卵巢狀態呈正相關。改變JH 滴度直接影響到卵巢發育和蠟腺分泌的水平。Dries的研究表明[64]，卵巢激活的抑制可能涉及到原始卵子發生和退化之間的持續相互作用，這可能是通過類固醇和神經肽激素信號介導的。除保幼激素外，蛻皮激素（WH） 同樣也參與了成年蜜蜂神經功能和繁殖的調節。蛻皮激素主要由大腦合成和分泌，并在大腦和脂肪體中轉化為類固醇激素羥基蛻皮酮（20E），從而參與到蜜蜂大腦功能和卵巢活性的調節[65]。研究表明，蛻皮激素調節基因E74 和Mblk-1/E93 表達量的改變會影響到蜜蜂卵巢的活性[66-67]。Andreas 的研究也表明[68]，蛻皮類固醇信號、保幼激素以及多巴胺生物合成的基因參與了工蜂卵巢的激活調控和減數分裂過程中染色體分離的調節。這些研究都表明，激素調節在工蜂卵巢激活的調控中發揮著不可或缺的作用。

4.4 N otch 信號通路對工蜂卵巢激活的調控

Notch 信號通路（圖1[69]） 是一條保守且多效性的信號通路，對細胞的分化、增殖和凋亡具有重要的調控作用，在許多動物胚胎發生過程起到關鍵的作用[70-72]。Duncan 的研究表明[1]，Notch 信號主要作用于卵發生的早期階段，能夠抑制工蜂卵巢的可塑性激活。提供一個能夠將蜂王與工蜂卵巢活動直接聯系起來的分子機制。

圖1 Notch 信號通路示意圖

5 研究展望

蜜蜂作為典型的社會群居昆蟲，蜂王具有明顯的生殖優勢，而工蜂的生殖能力則受到限制。卵巢作為蜜蜂繁殖能力的重要生理和形態學指標。對其調控機制的研究具有重大的意義。目前尚不清楚QMP 是直接影響工蜂卵巢的活性，還是通過大腦或觸角之間的信號作用對工蜂卵巢的可塑性激活進行調控。工蜂卵巢的活性主要受到外界環境、遺傳組成的調控，并最終通過基因的表達來實現表型的可塑性改變。目前工蜂卵巢調控的研究主要集中于表觀層面的研究，對分子調控機制的研究還不夠深入。這些科學問題都有待于我們的深入研究和探討。