【接上次的1. “蜜蜂的社会分工”】， 上次忘记了一个表。放在这里。

2.级型分化

2.1 性别决定机制

在蜂群中，雄蜂是由未受精卵发育而来，而雌性的蜂王和工蜂则由受精卵发育。这种性别决定机制由Dzierzon提出假说以来已经超过160多年（Dzierzon，1845）。细胞学证据后来确认雄性卵确实是单倍体（Siebold, 1856）和雌性卵则为二倍体（Nachtsheim, 1916）。在黄蜂（Whiting，1933）和蜜蜂（Mackensen，1951; Woyke，1963）中进行的近交系研究中揭示雄性也可以衍生自二倍体卵，这表明受精过程本身不能调节单倍体中的性别决定。这些结果导致了互补性别决定的理论：卵子是在性别决定基因位点为杂合时发育成雌性，而纯合子（二倍体）或半合子的卵（单倍体）发育成雄蜂（Whiting，1933,1943）。在蜜蜂中，因为二倍体雄蜂不能产生有生育力的精子（他们的精子是二倍体，是它们体细胞的克隆，正如正常雄蜂产生的精子是单倍体一样），他们在孵化成幼虫后不久被哺育蜂吃掉（Woyke，1963）。通过基因研究进一步证实蜜蜂的性别是通过一个基因位点的是否互补来决定的（Hunt和page，1994）。性等位基因估计是在第11-19条染色体上(Mackensen,1955; Maine, 2001)。

Beye 等人(2003)首次克隆了完整的性别决定基因并确认雄性在这个等位基因是半合子或纯合，而雌性是杂合的。在这项研究中，作者利用RNA干扰技术敲弱雌性的性别等位基因后出现了雄性表型，但敲弱雄性胚胎却不能改变他们的性别。另外，Beye等人(2003)还发现在蜂蜜群体中有19个性别决定的等位基因，并且只有杂合等位基因的组合物才产生功能决定性别，而纯合和半合子等位基因组合物不产生功能蛋白。此后，Hasselmann等人(2008)发现另一个叫feminizer的性别决定基因。不同于多条等位基因，feminizer只有两种性别特异性选择剪接变体，它们在性别决定基因的控制之下。这项研究证明了性别决定基因的杂合子只启动雌性的发育（就是雄性是默认的），而feminizer基因只在发育阶段维持雌性特征。在他们最近的研究中发现了另一个基因的产物，tra2，介导feminizer剪接（Nissenet al., 2012）。总体来说，蜜蜂性别决定是一个复杂的过程。

 

2.2蜂王与工蜂的分化

2.2.1营养效果

蜂王和工蜂都是由具有相同基因组发育而来的雌性蜂，但它们在形态，生理和行为上都存在极显著的差异（Hölldobler和Wilson, 2008）。蜂王有更长的腹部和更多的卵巢管（Jackson et al., 2011），寿命更长（平均两年），只负责产卵。而工蜂个体较小，有较少的卵巢管（5-20），寿命较短（夏天一般为30-40天，越冬蜂一般3-5个月），并执行年龄相关任务（见本章第1节）。由蜂王产的二倍体卵可以发育成工蜂或蜂王，取决于哺育蜂提供不同的饲养程序。在孵化后1-2天，蜂王幼虫和工蜂幼虫从哺育蜂接收的食物是基本一样的。在三龄期之前，二倍体幼虫是全能的：他们可以发育成工蜂，也可以变成蜂王。三龄后，女王幼虫比工蜂幼虫收到更多食物。另外，工蜂幼虫和蜂王幼虫的食物质量也出现了不同。蜂王浆或工蜂浆是由王浆腺产生的蛋白质混合物，富含糖、氨基酸、蛋白质、脂肪酸和矿物质。早期研究表明这两种浆在糖、水、蛋白质含量、脂质和维生素B复合物上都有显著差异(Haydak, 1970; Rembold, 1965）。但是，当饲喂人工饲料时，这些混合物除了糖外，对蜂王的产生没有显著差异（Wittmann和Engels, 1987）（见下一小节）。

 

2.2.2糖和激素

Asencot和Lensky（1976; 1985; 1988）做了一系列关于糖含量对幼虫级型分化影响的研究。他们发现补充了葡萄糖和果糖的工蜂浆能诱导蜂王出现。另外，增加保幼激素到补充了糖的工蜂浆也提高了蜂王的百分比。例如，40毫克果糖和40毫克葡萄糖加入工蜂浆中产生0％的蜂王，但相同的饲料与10微克的保幼激素则产生100％的蜂王（Asencot和Lensky,1976）。因此，假定额外的糖对幼虫具有增食作用，这会导致幼虫摄取更多的食物，然后中肠通过拉伸受体增加内分泌腺的保幼激素的生产（Asencot和Lensky, 1976; 1985; 1988; Beetsma, 1985）。糖浓度的重要性在更近的研究中证实（Kaftanoglu et al., 2011），商品王浆加入4％葡萄糖和8％果糖培育的是100％工蜂，而那些有12％的两种糖能培育出71％的工蜂，10.5％的蜂王和18.4％的蜂王工蜂中间型。

 

2.2.3 捉摸不定的“蜂王决定因子”

在1960 -1980年期间，人们花了很多精力找到诱导蜂王的“魔力元素”。使用不同比例的蜂王浆进行体外培养揭示了蜂王决定因素的说法（Rembold et al., 1974）。但从化学鉴定方面却一直没有得到证实。在工蜂浆中添加糖或保幼激素导致蜂王的产生似乎说明蜂王决定机制不是真的。最近的一项研究表明，一种称为蜂王激动素（royalactin）的蛋白质可以决定蜂王的表型（Kamakura, 2011）。蜂王激动素早期就被鉴定为9个王浆主蛋白中的一种。通过巧妙的实验，Kamakura 发现降解蜂王激动素或敲弱蜂王激动素的受体基因导致工蜂表型。但蜂王激动素在高温40°C是非常稳定的，大约需要30天降解。更重要的是，工蜂浆比蜂王浆包含略多（分别为35ï¼…å’Œ31％）的蜂王激动素(Schmitzováet al.,1998），这表明蜂王激动素是蜂王与工蜂分化所必需的，但在自然条件下并非是决定因素。直到现在，只有不同的糖浓度已得到一致证实，在蜂王与工蜂的分化中有重要作用。【事实上，去年有一篇文章在Nature上，反驳了日本人的文章，就是他的实验无法重复出来–译者加注】。

 

2.2.4蜂王与工蜂分化的分子机制

蜂王幼虫和工蜂幼虫在饲料数量和质量上存在差异。但近来在不同营养物质被转化为内分泌信号决定蜂王和工蜂表型方面进入了深入研究。Rapamycin通路是蜂王与工蜂分化的首个被研究的通路。在脊椎动物和无脊椎动物包括酵母和果蝇中，该通路是发育阶段最重要的营养感受通路之一。有几个证据证实了Rapamycin通路涉及蜜蜂级型分化。首先，蜂王幼虫比工蜂幼虫具有较高的Rapamycin受体的基因表达。第二，Rapamycin受体的抑制剂，Rapamycin，能将蜂王幼虫变为为工蜂成虫。而且敲弱该受体基因后，即使饲喂王浆也还是能阻止蜂王的形成并并且让幼虫发育成工蜂。

第二个营养调节生长通路为胰岛素/胰岛素样生长因子1信号通路（此后称为胰岛素通路）。虽然这个途径在大多数物种的发育中起关键作用，但在蜜蜂中一直有争议。RNA干扰胰岛素受体基因后，即使饲喂蜂王饲料还是产生工蜂表型(Mutti et al., 2011; Wolschin et al., 2011) 。胰岛素肽(AmILP1和AmILP2)在蜂王幼虫中的表达比工蜂幼虫要多(Wheeler et al.,2006)。这些结果说明胰岛素途径在蜂王工蜂分化中有作用。但AmILPs和它们的受体(InR1和InR2)都在幼虫阶段表达很低(de Azevedo和Hartfelder, 2008)，并且敲弱其中一种受体并不影响蜂王与工蜂的分化(Kamakura,2011)。这些结果又表明胰岛素途径不重要。

第三个级型分化的因素为表皮生长因子。这个因素在无脊椎动物和脊椎动物中都是调节细胞存活，生长和分化中心途径。沉默蜂蜜表皮生长因子受体基因导致工蜂表型出现(Kamakura,2011)。单独或一起敲除Rapamycin靶向基因(Patel et al., 2007)，胰岛素受体(Mutti et al., 2011)和表皮生长因子受体(Kamakura, 2011)都能去掉保幼激素的高峰，这说明保幼激素在这些营养感测途径的下游。此外，敲除Rapamycin和胰岛素受体之后，用保幼激素拯救蜂王表型研究证实保幼激素是一种蜂王表型中枢调节因子(Mutti et al., 2011;Patel et al., 2007) 。

 

2.2.5。 DNA甲基化和蜂王与工蜂分化

由于蜂王和工蜂完全具有相同的基因组，但差异却非常大，这自然让人怀疑涉及表观遗传机制。一种常见的表观遗传修饰机制是DNA甲基化，其中甲基是添加到胞嘧啶或腺嘌呤，使该基因无法表达。大多数DNA甲基化发生在胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）的两个核苷酸在一起的地方，称为CpG甲基化。蜜蜂有三个DNA甲基转移酶（DNMT1,2和3），在CpG甲基化中是有完整的功能性（Wang et al., 2006）。此外，蜂王和工蜂大脑中的甲基化模式是不同的（Lyko et al., 2010）。Kucharski 等人（2008）证明在蜂蜜幼虫阶段沉默DNA甲基转移酶3（DNMT3）会诱导完全的蜂王，这说明DNA甲基化在蜜蜂级型分化中起关键作用。除了饮食差异，巢房大小也影响甲基化水平，因为巢房较大，DNA甲基化更低，而培育成蜂王的比率则更高（Shi et al., 2011）。

新证据表明在蜜蜂基因组外显子区的甲基化的位点可能与基因剪接相关（Lyko et al., 2010）。最近的一项研究发现，蜜蜂级型发育确实与表观遗传机制有关，在蜂王浆中的脂肪酸具有组蛋白脱乙酰酶抑制剂的活性（Spannhoffet al., 2011）。在这个研究中，Spannhoff 等发现在蜂王浆中的10-羟基-2-癸烯酸（10HDA）虽然不抑制DNA甲基化，但是可以激活原来已经被甲基化的基因。事实上，10HDA在结构上类似组蛋白脱乙酰酶抑制剂并且可以在功能上阻断组蛋白脱乙酰酶或促进组蛋白乙酰转移酶活性。

文章来源 《蜂箱与蜜蜂》一书中的一章。

蜜蜂的社会生理： 行为分工，级型分化和寿命差异

 

原著（英文）：黄智勇， 密歇根州立大学昆虫系

王莹， 亚利桑那大学生命科学学院

 

翻译： 谢宪兵（南昌大学），黄智勇

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最后一个（3）是关于冬季蜂的寿命问题。请关注！