答应有蜜蜂生物学的帖子。估计要到冬天才有更多时间写。 现在先把养蜂的”圣经”中《蜂箱与蜜蜂》的一章翻译给大家看。这本书的第一版是1853年！ 今天发的帖是最新版（2015年）中间的一章。这个书很快会有中文版！估计一年以内可以出来。

 

引言

蜜蜂（蜜蜂属Apis）已成为热门的研究对象之一，不仅是它们为大多数虫媒花作物授粉而具有重要经济价值，还因为它们有使人着迷的生物学特性。我们在本章将重点从蜜蜂的社会分工、级型分化、越冬蜂和夏季蜂之间的差异三个方面来介绍蜜蜂生物学。这三方面都可以看作是“多型”的不同表现，即在同一生物体中具有多个表现型。这些多型通常是由不同的环境条件所造成，包括行为、形态或寿命上的差异。不同日龄的工蜂担任不同的工作，这种现象可以视为行为多型，但通常称为社会分工或行为多态性（polyethism）。工蜂在不同日龄担任不同工作时，内分泌激素，基因表达和内部生理也随之变化。这些变化是由先天遗传和社会环境之间的相互作用控制的。另一个常见的多型是级型分化，即蜜蜂中的蜂王和工蜂具有相同的基因组，但在形态、生理和行为上却有很大的不同。最后，我们认为寿命的差异也是一种多型：夏天工蜂只能活30- 50天，而越冬蜂可以活3 – 6个月。在下文中，我们将讨论这三个领域中的最新研究进展。

 

1. 与日龄有关的分工（时间尺度上的劳动分工）

1.1 分工的定义

 

工蜂通常不需要其它工蜂的帮助，可以自己咬开巢房盖后羽化出房。出房后1-2日龄的工蜂，一般胸毛比较平整、身体柔软、行走缓慢，并且只吃蜂蜜和花粉。工蜂腺体主要在羽化后２-８天发育，因为它在第一周吃了很多花粉，得到蛋白质。下颚腺（图1）是连到下颚骨两边的一个简单液囊，主要分泌脂肪。王浆腺（图2）是由成千上万的小球（腺泡）组成，它们连接到一个中央导管，这个腺体生产富含蛋白质的分泌物。下颚腺和王浆腺分泌的东西，混合一起就是用来饲喂幼虫和蜂王的蜂王浆。成年雄蜂和工蜂也会吃和蜂王浆类似（或许一样）的”蜂浆”。这是因为采集蜂已经没有消化花粉的能力，但其合成代谢仍然需要蛋白质（Crailsheimet al，1992; Moritz and Crailsheim，1987）。这样，年轻蜂实际上变成整个蜂群的胃，来消化花粉吸收蛋白质。

图1。下颚腺是连到下颚骨两边的一个简单液囊。黄智勇摄。

图2. 王浆腺是由成千上万的小球（腺泡）组成。黄智勇摄。

这些2- 12d天的年轻蜂叫哺育蜂，主要饲喂幼虫和蜂王（图3）。如果蜂群需要，工蜂的蜡腺在14日龄左右时开始分泌蜂蜡。比如，蜂箱里面有巢础，或者蜂群分到一个树洞或者空的蜂箱里面的时候。不管蜂群是否需要建房，这个日龄的工蜂还是会分泌蜂蜡来修理巢房、给将羽化的幼虫封盖、或者给成熟蜜的巢房做蜜盖。将花蜜加工成为蜂蜜，需要采取几个不同步骤。首先是直接从采集蜂卸载花蜜，这些蜜蜂叫接收蜂。接下来是通过在巢房上煽风，或者用口器的动作（让花蜜在口器上形成一个薄膜，把花蜜的表面积加大）来去掉花蜜的水。目前尚不清楚除了采集蜂已经添加了的酶以外，这些中年内勤蜂是否还添加额外的酶（转化酶）到的花蜜中。除了泌蜡和与有关的工作外，蜜蜂还有很多其它工作（参见1.6节）。最后，工蜂在三周左右成为不同的采集蜂，有的专门采蜜、有的采花粉（图4），水（图5）或蜂胶（图6）。 Calderone和Page (1988)选育了两个品系，它们在采集偏好上有明显的区别：高花粉品系比低花粉品系收集更多的花粉。此外，还有一些工蜂叫兵蜂，它们跟采集蜂的日龄类似，但是它们待在家里，当蜂群受到大动物（包括人）的干扰时就出来攻击（Breed et al., 1990）。目前尚不清楚兵蜂最后是否出去采集（当然比正常采集蜂晚一些），还是从不采集就死在蜂箱内。我们观察发现（Z.Y. Huang，未发表数据）几乎所有的工蜂都会变成采集蜂，并大部分随着年老而死于田间。工蜂开始采集后大约只有10- 15天的寿命(Dukas and Visscher, 1994）。但最近的一个更大样本的研究说采集时间只有一周左右(6.76+0.19 d) (Dukas, 2008)。

图3。 工蜂才哺育蜜蜂幼虫。黄智勇摄。

图4。 蜜蜂采集藏红花的花粉。黄智勇摄。

图5。 蜜蜂采水。黄智勇摄。

图6. 工蜂采集杨树上的蜂胶。黄智勇摄。

 

工蜂的分工具有高度的灵活性。正常行为发育可以根据蜂群状况加速、延迟、甚至反向发育(Robinson et al., 1992)。例如，在所有工蜂都是同一天羽化的“单龄蜂群”中，一些工蜂会提前在5- 10 天就成为采集蜂（正常采集蜂年龄为15- 20天）(Milojévic, 1940; Nelson, 1927; Robinson et al., 1989)，这些蜂叫早熟采集蜂。相反，如果一个蜂群都是由采集蜂组成，则大部分采集蜂将反向发育成为哺育蜂并停止采集(Robinson et al., 1989; 1992)。这些蜂叫做逆转哺育蜂。在一个分蜂群中，最年轻的蜂大约只有5日龄（这也是蜜蜂能飞行的最小年龄，Z. Y. Huang, 未发表数据），并且这些蜂将持续1个月左右的哺育工作，因为一般分蜂需要3-4天来寻找新的巢穴，然后要花1- 2天来建巢房，再加上21天的新工蜂出房时间，并且还需要另外2-3天的羽化后的成熟期，新蜂才能接管哺育工作。这种超过20天的哺育蜂叫老龄哺育蜂。

 

1.2. 保幼激素在工蜂分工中起着关键作用

保幼激素是一类保持昆虫幼虫的现状的激素。因此，高浓度的保幼激素加上蜕皮激素便能导致幼虫变成下一龄的幼虫。在幼虫过渡到蛹、以及蛹到成虫阶段，保幼激素含量较低，从而允许广泛的组织重组发生。但成年工蜂的保幼激素变成了“成熟”激素(详见Robinson, 1992)。保幼激素浓度随日龄增加而升高，哺育蜂及其它巢内工勤蜂较低，采集蜂 (Huang, et al., 1994;

Robinson et al., 1989)，守卫蜂和兵蜂浓度较高(Huang and Robinson, 1996)。用保幼激素或保幼激素类似物处理能使蜜蜂采集行为提前(Jaycox, 1976; Robinson et al., 1989; Sasagawa et al., 1989)，这说明高浓度的保幼激素是采集行为的原因，而不是结果。

研究还表明，采集行为提前的蜜蜂保幼激素浓度明显更高，而过龄哺育蜂和由采集蜂逆返哺育蜂的浓度呈下降趋势(Robinson et al., 1989, 1992)。

 

1.3.社会抑制模型

尽管我们从20世纪20年代以来就已经知道，在由同一日龄组成的单龄蜂群中，工蜂的采集行为会提前；只由采集蜂组成的蜂群中，部分采集蜂会逆转成哺育蜂，但具体机制一直没有研究清楚。保幼激素只是一个改变行为的信使，但蜂群中由什么信息使工蜂可以调整它们的行为（包括变化的速度和方向）。黄在伊利诺伊州大学的Gene Robinson（1991年左右）实验室工作时，有Discovery 的电视频道来拍摄蜜蜂。为了安全，当时一个大的蜂群在白天被搬走。那个蜂群的许多采集蜂没地方可去而进入一个由单龄蜂群组成的实验蜂群，这个蜂群本来预计有5- 10%会提前成为采集蜂。但由于大群的采集蜂的进入使得小群没有产生5- 10%的早熟采集蜂。这个事故告诉我们“移植”采集蜂到单龄蜂群会使得早熟采集蜂的产生被抑制。看来，采集蜂告诉了年幼蜂“我们在采集，你们不必提前发育成采集蜂”。另外，如果一个新出房的工蜂单独被饲养（没有社会互作），她会在第7天便在生理上（高保幼激素）和行为（放入一个蜂群中便参与采集行为）上变成了一个采集蜂。就是说，这些蜂也是早熟采集蜂，跟单龄蜂群中经常产生的早熟采集蜂一样。

基于以上事实，Huang和Robinson(1992)建立了一个社会抑制模型。它陈述为：1）工蜂具有调控保幼激素浓度的能力，保幼激素的浓度达到一定阈值导致采集行为提前， 2）采集蜂具有抑制年轻蜂中的保幼激素浓度的因子，来抑制别的蜂采集行为的发育，并且这个因子（抑制剂）能在群体中传播。这个简单的反馈模型可以解释所有形式的行为发展。因为由单龄蜂群中没有采集蜂，也因此没有抑制采集蜂产生的因子，使得一些蜂成为早熟采集蜂。一旦有了采集蜂，她们便会给其它同龄工蜂发出抑制信号，让它们保持正常的行为发育。当蜂群中没有哺育蜂和年轻蜂时，采集蜂只能与采集蜂打交道，它们之间会互相抑制并使一部分蜂逆转成哺育蜂。在正常蜂群中，有一个恒定但缓慢减少的抑制源，因为每天都有约10％的采集蜂由于捕食或年老而死于田间 。这使得下一批工蜂变成采集蜂，然后他们也会死，形成一个恒定的采集蜂和新蜂的交替循环。

如果这个模型是正确的，那么我们预计人为去除采集蜂将使幼蜂提前变成采集蜂，同样，如果采集蜂被限制在蜂群内（如长时间下雨），幼蜂则应该推迟变成采集蜂。事实上，Huang等人(1998)发现情况的确如此。人工降雨时的延迟采集能更好地证明模型，因为它做了与竞争假说相反的预测：如果幼蜂使用新鲜花粉和花蜜的缺乏来决定他们的发育速度，那么人工降雨将导致提前发育，因为这期间没有新食物进巢。然而抑制模型预测幼蜂的发育会延迟，因为采集蜂此时有更多的机会跟幼蜂联系（在下雨期间不外出觅食，导致更多的抑制剂转移），并且它们的死亡率也因为未经历采集而减少（使抑制剂的持续时间更长）。模型也预测造成采集蜂逆转成哺育蜂的信号应该是采集蜂的抑制剂本身，而不是幼虫。事实上，我们在同一研究中发现即使蜂群没有幼虫，不仅保幼激素浓度会降低，大多数蜜蜂也重新发育他们的王浆腺，即使每个蜂群中只有一个蜂王需要哺育蜂护理。

 

该模型的最重要的方面是预测了有一个抑制剂。花了来自美国，加拿大和法国三个国家的科学家12年的时间，最终化学鉴定抑制剂为油酸乙酯（Leoncini et al.,2004）。油酸乙酯符合抑制剂的属性，因为它们在采集蜂的蜜囊中浓度最高。而且，人为饲喂油酸乙酯使得工蜂采集行为推迟3天左右。最近的一项研究显示油酸乙酯合成的主要位点是食道管，其具有对油酸与乙醇进行酯化的酶（Castillo et al., 2012）。科学家还通过喂食酒精发现蜜蜂食管中形成油酸乙酯，并沉积在蜜囊中并渗出到外骨骼，从而传递给其它幼蜂（图7）。Muenz 等(2012)通过触角生理记录、触角叶的钙成像和利用油酸乙酯作为气味来刺激蜜蜂伸吻的条件反射等，研究了蜜蜂如何感知油酸乙酯。他们表明油酸乙酯在表皮上最丰富，感知的受体在触角上，由触角叶里面的神经纤维小球glomeruli处理，并由大脑的嗅觉中心来学习。这些结果表明引物信息素油酸乙酯在工蜂之间通过嗅觉在一定范围内传递。

图7.一个蜜蜂（下方）饲喂其它4个工蜂。除了传递食物，应该还有其它信息。

 

1.4劳动分工的其它假说

1.4.1．双抑制因子假说

Amdam 和 Omholt(2003)建立了“双抑制因子假说”，即卵黄蛋白原和保幼激素相互抑制。哺育蜂的特点是高的卵黄蛋白原抑制保幼激素浓度，然而，采集蜂则保幼激素增加，使得卵黄蛋白原受抑制。另外，卵黄蛋白原基因敲除研究也证实抑制卵黄蛋白原能增加保幼激素浓度并提早采集。王最近通过双敲除卵黄蛋白原和超气门基因（保幼激素受体）来研究卵黄蛋白原/保幼激素相关反应时发现卵黄蛋白原是这种关系的初级调节剂，并能在蜜蜂大脑中抑制保幼激素的生产(Wang et al., 2013)。

 

1.4.2．生殖计划假说(Reproductive Ground Plan)

如前所述，采集蜂能专注于不同资源的采集：花粉，花蜜，水或蜂胶。在独居昆虫中，取食行为取决于生殖状况。例如，当蚊子在生殖阶段，她觅食血液；产卵之后她觅食花蜜维持自己。Amdam和Page(2006)认为花粉采集可能更倾向于繁殖，而花蜜则与能量需要相关。通过使用人工选择的高、低花粉采集品系，Amdam和Page发现高花粉采集蜂有更多的卵巢管，并且这些卵巢管更容易在失王后发育产卵。不久之后，他们也在没有人工选育的蜜蜂中发现证据：卵巢管更多的蜜蜂采集更早并喜欢采集花粉(Amdam et al., 2006; Wang et al., 2009)。基于这一证据，Amdam和Page(2006)提出工蜂卵巢在劳动分工中起关键作用。其实，一系列蜜蜂数量性状位点（QTL）研究，比如花粉囤积，对糖的反应，采集偏好和卵巢管数量都发现不同的行为特征与卵巢管数量有关。这些结果表明卵巢管数量是行为网络中的一个中心因素。最近，Wang et al., (2010)通过人工卵巢移植增加工蜂卵巢管数量时发现，补充了卵巢的工蜂比对照组更早采集，从而证明卵巢管数是劳动分工的一个主要因素。

 

1.5. 影响劳动分工的其他因素

1.5.1. 蜂王信息素

研究表明，劳动分工的规律涉及多个因素。首要因素是蜂王发出的信号告诉工蜂在巢内存在蜂王。主要的信号是下颚腺信息素，因为它是蜂王头部下颚腺产生的。该信息素抑制群内工蜂卵巢发育和培育蜂王，这也诱导工蜂对蜂王的饲喂行为并推迟采集(Pankiw et al., 1998b)。

Grozinger 等(2003)发现女王下颚腺信息素一般激活哺育蜂大脑的基因表达并抑制采集。这表明女王下颚信息素会通过调控大脑行为状态基因的表达来延迟行为成熟。

正常蜂群中，哺育蜂大脑中章鱼胺水平较低而采集蜂较高。Beggs等(2007)揭示蜂王下颚腺信息素抑制年轻蜜蜂脑中的章鱼胺水平，降低脑中的章鱼胺受体水平，抑制脑组织对章鱼胺的反应。

 

1.5.2.幼虫信息素

蜂群中另一个影响工蜂劳动分工的社会信号来自幼虫。这种信息素由5个直链酸的甲酯和乙组成，因此共有５X2=10种化学物质(LeConte et al., 1990)。有趣的是，采集蜂的抑制剂油酸乙酯也是一种幼虫信息素的一个成分。幼虫信息素已被发现在蜂群中有许多功能。例如，它调节花粉采集行为（Pankiw et al., 1998b），抑制工蜂卵巢发育（Pankiw和Garza, 2007），诱导工蜂给幼虫封盖（Le Conte et al., 1990）并刺激下咽腺蛋白质的生产（Mohammedi et al., 1998）。跟蜂王下颚腺信息素一样，它也能通过调控大脑基因表达来改变工蜂的行为（甚至影响保幼激素水平）（Alaux et al.,2009）。最近研究表明低水平幼虫信息素处理的蜂群明显增多采集蜂，降低采集年龄并提高采集效率(Sagili et al., 2011）。这估计能增强蜂群的适合度，至少在短期内可以。

E-β-罗勒烯被确定为新的幼虫信息素（Maisonnasse et al., 2009）。这个信息素是高度挥发性的并且抑制工蜂卵巢发育。在高剂量（每个实验蜜蜂接受20个幼虫的信息素）蜂群中，这个信息素推迟采集时间近8天（Maisonnasse et al., 2010）。

 

1.6 同日龄蜂的任务分化

在20世纪50年代曾有争论是否有两类哺育蜂，一类负责蜂王幼虫和成年蜂王，另一类则负责工蜂幼虫。对于中年蜜蜂，除了给幼虫封盖和处理花蜜，也有两个罕见的工作：守卫和清尸——只有5％的工蜂从事这两个工作。守卫蜂站在巢门口或巡逻检查每个进入蜂群的蜜蜂，他们能灵敏地闻出进来的蜂是否具有同巢蜂的气味，否则拒绝进入。清尸蜂则将巢内的死蜂拖出并丢在巢外一定距离。最后，也有部分采集蜂年龄的工蜂专注防御(Breed et al.,1990)。

图8。不同分工蜜蜂的生理指标。柱上不同字母说明同一个指标上不同蜜蜂间有显著统计差异（P<0.05).来源于Huang等1994文章。

众所周知，基因遗传在罕见工作中起着重要作用，比如某些工蜂，因为它们来自同一个父亲，会有更多的蜂参与守卫和清尸的工作（Robinson et al., 1992）。但由什么生理机制驱动这些蜜蜂的不同任务呢？Huang 等人（1994）检测了几个相关指标的相关性。蜂王的侍卫蜂和哺育蜂并没有年龄差异，也没有保幼激素浓度或王浆腺大小的差异。同样，花蜜和花粉采集蜂也没有什么差异，但兵蜂，也就是采集蜂同龄的蜂，虽然保幼激素浓度跟采集蜂一样，它们的王浆腺更大。在中龄蜂中，守卫蜂和清尸蜂比产蜡蜂和接受蜂的保幼激素更高，尽管他们日龄较小（比采集蜂约小1周），但他们与采集蜂的保幼激素浓度相同。他们的王浆腺体大小与其同龄蜂（产蜡蜂和接受蜂）更相近，即使他们的腺体和这些蜂不同，也和年龄更大的采集蜂和兵蜂在统计上不同（图8）。因此，同龄蜂之间的劳动分工似乎更复杂，就像保幼激素浓度和王浆腺的大小，一般情况下是负相关的，而在这里这两个因素的关系断开了。

 

1.7. 劳动分工的分子研究

Toma等人（2000）首次研究劳动分工是否存在分子表达差异。在这项研究中，他们研究了工蜂时钟基因的一个，　周期基因（period），在大脑中的表达。周期基因是蜜蜂及其他动物在细胞水平上维持24小时节律的一部分。结果发现在正常采集蜂和早熟采集蜂中的周期基因表达较高，而哺育蜂则较低。在另一项研究（Ben-Shahar et al., 2002）中发现，采集蜂的采集基因（foraging）高于哺育蜂。该基因也在果蝇中发现能调控幼虫饲喂行为，在提供食物的培养皿中, 搜索范围大的果蝇幼虫会呈现较高水平的该基因表达量。因此，该基因不但在果蝇中，在其他动物中也能调控食物搜索行为。

后来的研究通过基因芯片（一个玻璃芯片上面有成千上万的基因，通过杂交后根据其数量与提取的cDNA显示不同颜色）方式探索了多基因表达，结果显示采集蜂与哺育蜂之间具有很大的，　可以预测的基因表达差异(Whitfield et al., 2003)。

采集蜂也可以分为两类：一部分为自己去寻找新资源（侦察蜂），另一部分为跟着侦察蜂去采集（跟风蜂）。最近，Liang等人(2012)发现蜜蜂在食物和穴居侦察方面也跟其他动物，甚至人类一样具有相同的分子机制。侦察蜂大脑中的基因表达跟非侦察蜂不同，包括儿茶酚胺，谷氨酸和g-氨基丁酸信号。用章鱼胺和谷氨酸处理蜜蜂能增加侦察的可能性，而用多巴胺拮抗剂处理后则减少。因为与人类在冒险行为中的生物化学机制相同，以上结果表明趋同演化（Convergent evolution）会导致两个非常不同的动物使用相同的分子途径来寻求刺激。

小RNA是一类小的内源非编码RNA，可以调节动、植物基因表达。Liu等人(2012)通过新一代高通量测序技术检测哺育蜂和采集蜂的小RNA发现一些靶基因与神经功能相关。使用类似的方法，Li 等人(2012)试图看看采集蜂（包括跳舞蜂和未跳舞蜂）和跳舞蜂在小RNA上是否有差异。他们发现两个已知的microRNA（ame-miR-278和ame-miR-282）在两种蜂之间有不同表达。他们然后通过荧光定量确认了跳舞蜂的小RNA表达量较低。ame-miR-278和ame-miR-282的目的基因与激酶，神经功能，突触结合蛋白和能量相关。这些结果表明microRNA可以在采集归巢后的舞蹈行为中起重要作用。行为发育的生理机制研究可以归纳在表1。自从首次描述蜜蜂生理，解剖以及现在分子水平的基因表达来研究蜜蜂行为以来，我们已经走过了很长的路。

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

©Zachary Huang版权所有。转载请注明来源，不得修改。

我试试一下打赏功能哈。 好奇ing。长按下图，扫描就可以了。