工蜂卵巢的可塑性及分子调控研究进展

周建阳，宋华莉，唐紫寒，石 鹏，张小燕

（重庆师范大学 重庆市媒介昆虫重点实验室 重庆市动物生物学重点实验室，重庆 401331）

1 前言

群居昆虫通常具有明显的劳动分工，一个雌性种姓负责繁衍后代，而其从属种姓主要负责觅食和哺育后代[1]。繁殖种姓具有完善的生殖体系，主要担任种群的繁衍工作。而从属种姓的繁殖则受到发育过程中所建立的生理机制的限制[2]。这种繁殖的限制对群居社会的进化至关重要。生殖仅限于一个雌性种姓，这种生理机制有助于维持社会群居昆虫的和谐，促进了独立繁殖到群居动物的过渡[3-4]。

蜜蜂作为膜翅目群居昆虫的典型代表，同样具有严格的生殖劳动分工。蜂王具有完善的生殖体系，主要负责繁殖后代和维持蜂群秩序。工蜂由于幼虫时期营养条件和发育空间的限制，卵巢没有发育完全，并且卵巢的激活也受到蜂王的制约，因此通常被认为不具备繁殖能力，但仍然保留着一定的繁殖潜力[5]。在蜜蜂中，工蜂的繁殖限制是有条件的，在失王等其他因素的影响下，工蜂卵巢会发生可塑性激活并产下未受精卵。工蜂卵巢可塑性激活通常受到基因差异表达、表观遗传修饰、激素分泌以及分子信号通路的调控。深入研究工蜂卵巢的可塑性影响因素及分子调控机制，对蜜蜂的繁殖育种工作具有重大的意义。

2 蜜蜂级型分化的调控

在蜂群中，存在2 个种姓的雌性蜂，分别是蜂王和工蜂。由于幼虫时期发育条件的差异，导致了它们的级型分化。蜂王幼虫在王台中生长发育，并始终食用蜂王浆，最终发育为蜂王。工蜂幼虫在工蜂房中生长发育，只在前3 日龄食用蜂王浆，之后便食用花粉和花蜜调制而成的蜂粮，最终发育为工蜂[6]。工蜂与蜂王无论是在形态上还是生理上均存在着较大的差异。首先，蜂王的体长和体重都明显大于工蜂，工蜂的后足具有能携带花粉的花粉框结构而蜂王没有[7]。其次，蜂王与工蜂的发育历期以及在巢内担任的工作均有较大的差异。工蜂区别于蜂王的另一显著特征是工蜂的卵巢受到退化，每个卵巢仅含有少数几根卵巢管，蜂王的卵巢含有大量卵巢管[8]。且工蜂卵巢管中卵细胞发育程度明显低于蜂王[9]。

目前的研究普遍认为，幼虫时期的营养条件与发育空间是雌性蜜蜂级型分化的根本原因[10-11]。蜜蜂级型分化受到许多基因表达的调控[12]。如表皮生长因子受体基因[13]以及卵黄原蛋白基因等的表达调控[14-15]。这些基因的差异表达很可能参与级型差异相关组织发育的表达调控，如卵巢组织等[16]。研究表明：许多激素如保幼激素（JH） 和蜕皮激素（MH） 也参与了蜜蜂级型分化的调控，其中保幼激素能促进雌性蜂幼虫时期卵巢的发育[17-18]。蜕皮激素能够促进工蜂化蛹的时间提前[19]，从而实现对蜜蜂级型分化的调控作用。另外，表观遗传如DNA 甲基化也可能参与了蜜蜂级型分化的调控。蜂王与工蜂幼虫时期DNA 的甲基化程度具有明显差异[20-21]。DNA 的甲基化会对基因的转录活性产生影响，从而参与到蜜蜂级型分化的调控[22]。总而言之，蜜蜂幼虫时期的营养条件与发育空间是蜜蜂级型分化的外部决定因子，外部因子是通过基因的表达、激素的分泌、表观遗传的改变等内部因子起作用的[23]。从而造成雌性蜜蜂种姓的差异。

3 工蜂卵巢可塑性研究进展

表型的可塑性是指生物体对环境的改变做出反应而改变其表型的能力，有助于快速适应变化的环境[24-25]。大多数生物的表型都具有一定的可塑性，它们能够通过改变自己的生物学特征来适应环境的改变[26-27]。蜜蜂表现出表型可塑性的显著例子，成年工蜂在失王等条件的刺激下会迅速激活卵巢，起始卵子的发生[28-29]。这也是工蜂失王后对环境改变做出的积极响应。

3.1 蜂王对工蜂卵巢可塑性的调控

在众多影响因素中，蜂王对工蜂卵巢可塑性影响最为显著。正常蜂群中，只有0.12%的卵是由工蜂产下的。失王后，很多工蜂的卵巢都可以发育起来，并且可以产下很多未受精卵[30-31]。研究发现，在中华蜜蜂中，有王群和无王群工蜂的卵巢发育程度的差距比较显著。蜂王存在时，只有4.31%的工蜂卵巢能够发育，且卵巢的发育等级处于低水平；蜂王不存在时，有32.8%的工蜂卵巢能够发育起来，卵巢发育等级明显高于有王群，并且在卵巢管中可以看到成熟的卵。研究还发现，工蜂在15日龄时卵巢发育程度最高[32]。也有研究表明，工蜂失王时间过长后卵巢会重新激活，随后将产生卵子。蜂王老化或者短期失王，工蜂的卵巢也会发育起来，但发育的等级比较低[33]。

在把西方蜜蜂幼蜂介绍到东方蜜蜂蜂群的实验中，可以发现，东方蜜蜂的蜂王对西方蜜蜂的工蜂卵巢发育也具有一定的抑制作用[34]。蜂王主要通过信息素来调控工蜂的生命活动。其中，能抑制工蜂卵巢发育的信息素主要是蜂王信息素（QMP）。蜂王信息素是蜂王上颚腺信息素中的一种，它由蜂王上颚腺分泌，主要活性成分是反式-9- 氧代-2- 癸烯酸（9-ODA）[35-36]。9-ODA 对工蜂卵巢具有明显的抑制作用[37-38]。蜂王产生的蜂王信息素可以通过蜂王与工蜂直接接触、工蜂与工蜂之间的接触以及气流等传递方式传递给工蜂[39]。工蜂感受到刺激之后就会做出一系列的应激反应，从而达到蜂王对工蜂卵巢可塑性的调控以及其它生命活动的调控。

3.2 幼虫对工蜂卵巢可塑性的调控

除蜂王之外，幼虫对工蜂卵巢可塑性也具有一定的调控作用[40-42]。幼虫体表能够分泌幼虫信息素来调节工蜂卵巢的发育，幼虫信息素属于引发信息素的一种，它由10 种脂肪酸酯组成[43]，其中对工蜂卵巢起抑制作用酯类主要包括甲基棕榈酸酯、乙基棕榈酸酯和乙基油酸酯等几种酯类[44]。幼虫信息素可以调控工蜂头部基因的表达来调控工蜂的一些生命活动，包括对工蜂采集行为和繁殖能力的调控[45-47]。研究表明，幼虫信息素可以和蜂王信息素产生协同作用来共同抑制工蜂卵巢的发育[35,42]。

3.3 营养条件对工蜂卵巢可塑性的影响

营养条件是影响工蜂卵巢可塑性的一个重要因素，工蜂和蜂王产生级型分化很大一方面是由于幼虫时期摄取的营养物质不同导致的。若给二倍体蜜蜂幼虫喂食蜂王浆，它将发育成为具有繁殖能力的蜂王。若喂食3 d 蜂王浆后改喂蜂蜜和花粉，它将发育成为不育的工蜂[48]。研究表明，蜂王浆中含有一种特殊因子王浆蛋白（royalactin），它能够通过Egfr 介导的信号通路驱动蜂王的发育[14]。在成年工蜂中，蜂王浆也有助于促进工蜂卵巢的发育，它能给工蜂卵巢发育提供一定的营养需求[49]。

富含蛋白质的饮食可以促进蜜蜂工蜂的卵巢和卵子发育。由于蜜蜂蛋白质的主要来源是花粉，花粉的质量和消化率可能是决定繁殖能力的重要饮食因素[50]。研究表明，无论是在幼虫阶段或者成年工蜂阶段，饲喂高蛋白食物都有助于促进工蜂卵巢的发育，高蛋白食品能够满足工蜂卵巢和卵子发育的蛋白质需求[51]。

3.4 外界环境对工蜂卵巢可塑性的影响

工蜂卵巢的可塑性会发生季节性的改变，也会受到外界温度的影响。蜂王不存在时，工蜂在34℃产卵效果相对27℃和20℃要更好一些，说明适宜的温度对工蜂卵巢的发育以及繁殖能力具有一定的促进作用[49]。工蜂卵巢的发育也具有一定的季节性趋势，在不同季节卵巢发育有所差异。工蜂卵巢在夏季中期发育水平最高，在春季发育水平最低，秋季工蜂卵巢的发育水平位于春季和夏季之间。这可能与外界的环境有关，夏天温度较高，适宜蜜蜂的外出活动，开花植物为蜜蜂提供了更多的花粉，满足了工蜂卵巢发育所需要的蛋白质来源[51]，从而促进了工蜂卵巢的发育。

工蜂卵巢的状态是不稳定的，除了卵巢的整体发育水平会发生可塑性改变外，卵巢管的数目也是处于动态变化的。在幼虫4 日龄时，大量的程序性细胞死亡导致工蜂的卵巢管原纤维发生退化[52]。这也是工蜂与蜂王产生级型分化的关键时间点[53]。工蜂羽化后卵巢管的数目也会发生动态变化，工蜂卵巢管的数目会随着年龄的增加而减少。刚出房工蜂的卵巢组织就表现出很高的Caspase （半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶） 活性，所以推测卵巢管的衰退很有可能是Caspase 调控的程序性细胞死亡造成的[54]。

4 工蜂卵巢的分子调控机制

4.1 基因差异表达对工蜂卵巢激活的调控

表型的改变通常受到基因差异表达的调控[55-56]。这些基因可能通过形成基因网络对表型进行共表达调控。Duncan 等[25]通过对正常工蜂和反叛工蜂卵巢组织转录组测序分析发现，正常工蜂与反叛工蜂卵巢组织具有2 912个差异表达基因。基因网络分析发现，这些基因很可能参与了对工蜂卵巢活性的调控。序列分析发现，这些差异表达基因通常会聚集在染色体的同一位置。这些可塑性基因聚集在一起可能够更有效地促进基因的协调表达[57-58]。一个基因表达进化的改变通常会影响其邻近基因的表达[59]。这些基因的集群现象更有利于对工蜂卵巢活性的共表达调控。

4.2 表观遗传修饰对工蜂卵巢激活的调控

组蛋白修饰是核小体关键成分的翻译后修饰，似乎也参与了基因组广泛区域的转录调控，进而实现对表型变化的调控[60]。PRC 作为一种组蛋白甲基化转移酶参与了基因组靶向区域组蛋白H3 的甲基化修饰，它能将组蛋白H3 三甲基化形成H3K27me3。H3K27me3能够抑制染色质对应区域的转录活性，使得基因的表达量发生改变，从而调控表型的改变[61]。 组蛋白修饰能够改变基因组区域H3K27me3 的富集程度，对工蜂卵巢可塑性相关基因的表达产生影响，从而对工蜂的卵巢可塑性激活进行调控[25]。Kucharski 的研究表明，DNA 甲基转移酶的沉默对蜜蜂卵巢的发育具有巨大的影响。表观遗传修饰的灵活性支撑着发育命运的深刻变化，对生殖和行为状态具有重要的影响[8]。

4.3 激素对工蜂卵巢激活的调控

保幼激素（JH） 对蜜蜂的生长发育、级型分化及生理活动的调节都发挥着关键的作用。Amdam 发现[23]保幼激素在工蜂卵巢激活的调控中也发挥着重要的作用。保幼激素可以改变蜜蜂体内卵黄原蛋白基因的转录水平[62]，而卵黄原蛋白是卵子发育和成熟的关键蛋白，直接影响到卵巢的发育情况。Shpigler 的研究表明[63]，蜜蜂体内JH 水平通常与卵巢状态呈正相关。改变JH 滴度直接影响到卵巢发育和蜡腺分泌的水平。Dries的研究表明[64]，卵巢激活的抑制可能涉及到原始卵子发生和退化之间的持续相互作用，这可能是通过类固醇和神经肽激素信号介导的。除保幼激素外，蜕皮激素（WH） 同样也参与了成年蜜蜂神经功能和繁殖的调节。蜕皮激素主要由大脑合成和分泌，并在大脑和脂肪体中转化为类固醇激素羟基蜕皮酮（20E），从而参与到蜜蜂大脑功能和卵巢活性的调节[65]。研究表明，蜕皮激素调节基因E74 和Mblk-1/E93 表达量的改变会影响到蜜蜂卵巢的活性[66-67]。Andreas 的研究也表明[68]，蜕皮类固醇信号、保幼激素以及多巴胺生物合成的基因参与了工蜂卵巢的激活调控和减数分裂过程中染色体分离的调节。这些研究都表明，激素调节在工蜂卵巢激活的调控中发挥着不可或缺的作用。

4.4 N otch 信号通路对工蜂卵巢激活的调控

Notch 信号通路（图1[69]） 是一条保守且多效性的信号通路，对细胞的分化、增殖和凋亡具有重要的调控作用，在许多动物胚胎发生过程起到关键的作用[70-72]。Duncan 的研究表明[1]，Notch 信号主要作用于卵发生的早期阶段，能够抑制工蜂卵巢的可塑性激活。提供一个能够将蜂王与工蜂卵巢活动直接联系起来的分子机制。

图1 Notch 信号通路示意图

5 研究展望

蜜蜂作为典型的社会群居昆虫，蜂王具有明显的生殖优势，而工蜂的生殖能力则受到限制。卵巢作为蜜蜂繁殖能力的重要生理和形态学指标。对其调控机制的研究具有重大的意义。目前尚不清楚QMP 是直接影响工蜂卵巢的活性，还是通过大脑或触角之间的信号作用对工蜂卵巢的可塑性激活进行调控。工蜂卵巢的活性主要受到外界环境、遗传组成的调控，并最终通过基因的表达来实现表型的可塑性改变。目前工蜂卵巢调控的研究主要集中于表观层面的研究，对分子调控机制的研究还不够深入。这些科学问题都有待于我们的深入研究和探讨。