蜜蜂的基因、行為及其聯系

林大川，胡福良

（1.浙江大學生命科學學院生物科學1901 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學動物科學學院，浙江 杭州 310058）

1 引言

蜜蜂具有高度復雜的社會性行為，是一種理想的模式生物。近十多年來，對于蜜蜂的研究越來越深入，尤其是在基因層面上。早在2002年，西方蜜蜂（Apis mellifera）就被美國國立衛生研究院（NIH）確定為優先測序的物種。之后在2004年，第一份蜜蜂基因組的草圖公布于世[1]。繼果蠅、蚊子、家蠶之后，蜜蜂成為第4 種全基因組破譯的昆蟲。多個國家180 多名科學家聯合測序，為我們揭示了很大一部分蜜蜂基因的奧妙。

起源于非洲，蜜蜂和其他昆蟲在行為上有著較大的差異。作為典型的社會性昆蟲，蜜蜂社會的組織形態和分工體系一定程度上令人嘆為觀止。蜜蜂外出覓食所用的舞蹈就包含了很多秘密。由于破解了蜜蜂舞蹈語言的奧秘，德國生物學家卡爾·馮·弗里希獲得了1973年諾貝爾生理學或醫學獎。蜜蜂強大的學習和記憶能力，建筑出“完美”的蜂巢結構，種群內的互惠和亞家族的沖突，蜂王釋放“指揮”蜂群的信息素等。蜜蜂的行為具備很高的研究價值，在仿生學方面更是意義非凡。

基因決定了mRNA，進而影響蛋白質的表達和生物的性狀。所以，蜜蜂的基因和蜜蜂的行為有著內在的緊密關聯，無法將兩者割裂開來。對于蜜蜂行為在基因層面的研究也成為了蜜蜂研究的熱門之一，人們對于兩者及其關聯的了解更進了一步。

2 蜜蜂的基因組研究

2.1 蜜蜂基因組研究現狀

以SCI 論文為例，近10年來中國科學家發表的蜜蜂基因組學相關的論文為218 篇，位列第二（圖1）。

圖1 不同國家發表蜜蜂基因組相關SCI論文情況[2]

就具體研究方向而言，基因遺傳學方向的論文有335 篇，位列榜首，微生物學方向也有較大的增長（圖2）。

圖2 蜜蜂基因組相關SCI論文的研究方向分布情況[2]

中國農業科學院、中國科學院、浙江大學是國內對蜜蜂基因組研究較多的機構。

綜合上述的數據，我們得出了蜜蜂的基因組研究是相當熱門的一個領域，研究的方向比較多樣，尤其在基因遺傳學上是一個重點方向，國內的研究也有很大的起色。

2.2 蜜蜂基因組結構

科學家們通過對蜜蜂基因組的分析，初步發現10 157 個基因，基因組全長大約為236 Mb（即2.36 億個堿基）。與蚊子及果蠅相比，基因總數大致少30%，仍有大約2 600 萬個堿基的序列尚未被測序和克隆[3]。

對于大多數動物的基因組而言，基本上是一個均一的G+C 結構域嵌合體，但是通過蜜蜂基因組的研究，人們發現蜜蜂有著更多的（A+T）區域和高含量的Cp G 結構[4]。

蜜蜂共有16 條染色體，其中最大的一條是中間著絲粒染色體，除此之外的15 條為端著絲粒染色體。將這些染色體的17 個長端的端粒進行分析后研究人員發現，有70%～92%的基因序列是相同的，每個遠端的端粒有一個3～4 kb 的亞端粒結構區，且在端粒最后幾千個堿基之后有一個T-T-A-G-G 的重復序列[3]。

2.3 蜜蜂基因調節

關于蜜蜂的基因調節，首先要提到的就是DNA 甲基化。澳大利亞國立大學的Kucharski等第一次在蜜蜂級型分化的研究領域應用了DNA 甲基化表觀遺傳學理念，研究了叫做dynactin p62 的基因，最終得出了蜜蜂DNA 甲基化和蜜蜂極型分化有著重要的關系[5]。DNA 甲基化和蜜蜂的行為也有關系，每個蜜蜂特有的甲基化模式決定了蜜蜂在蜂巢當中的角色[6]。

此外，RNA 干擾也是基因調節的一個表現。在蜜蜂基因組中僅僅有一個RNA 干擾體系必須的基因(SID-1)的同系物，類SID-1 基因數量上的差異可能和蜜蜂RNA 干擾效果有關[6]，而且RNA擾沉默KAT 基因在蜜蜂10-HDA 的合成方面也有著重要的應用。

3 蜜蜂的行為

蜜蜂與其他普通昆蟲最大的不同就是行為的高度社會性，這一點在勞動分工上有所體現。蜂王專職產卵，雄蜂僅擔負交配職能，工蜂承擔除產卵和交配之外的一切箱內外工作，一般情況下，年輕工蜂負責箱內工作（如哺育衛生等），年老工蜂則負責諸如守衛和采集的箱外工作[7]。

蜜蜂還有一項獨特行為，就是舞蹈語言。蜜蜂會通過舞蹈來傳遞食物的數量、方向以及距離。同時，蜜蜂可以感知太陽的偏振光對于方向進行定位。蜜蜂的舞蹈語言分為圓舞和擺尾舞等多種。其中擺尾舞的持續長短可以表示食物距離的遠近，幅度可以表示食物的數量。盡管這個理論遭受了質疑，但是還是能成功解釋蜜蜂的舞蹈語言和飛行計劃的。

雖然蜜蜂的大腦體積僅有1μL 和950 000 個神經元，但是它還有著超強的學習和記憶能力。Wehner 和Lindauer 曾經在1966年提出了“模版假設”，證明了蜜蜂有一定的辨別圖形的能力。后續科學家們的研究又證明了蜜蜂有視覺信息加工的能力，甚至有視覺錯覺和學習抽象事物的能力。

除了這些行為，蜜蜂的飛行、采集、筑巢、飼喂、攻擊、交尾、分蜂、聚集都有特殊的地方。特別是蜂巢被譽為自然界最經濟有效的建筑，有著近乎完美的空間結構和數學數據。

總而言之，蜜蜂的行為的獨特性是毋庸置疑的，其中的奧妙自然與基因有著一定的關聯。

4 蜜蜂基因與行為的聯系

4.1 蜜蜂學習記憶能力的基因層面機理

科學家通過Y 型迷宮實驗對蜜蜂的學習記憶能力進行考察，進行小RNA 測序分析后，他們分別從學習記憶訓練組和未訓練組蜜蜂大腦中獲得了13 367 770 和13 132 655 個clean reads，并檢測到40 個表達有差異的已知miRNAs，且這些miRNAs 的表達程度都在訓練組蜜蜂的大腦中得到增強。另外，這40 個miRNAs 和388 個差異表達基因中有60 對miRNA/mRNA 是共表達的。且通過DGE 測序分析，訓練組和未訓練組一共有的388 個差異表達基因，其中45 個在訓練組為上調基因[8]。

因此，我們雖然不能知道具體是哪幾個基因調控了蜜蜂的學習和記憶過程，但是我們知道，兩者之間確實存在復雜的關系，而且有數百個基因在此過程中參與表達。

4.2 蜜蜂勞動分工的基因層面機理

蜜蜂勞動分工很重要的一點就是其行為的可塑性。這和蜜蜂體內激素水平、腦部神經結構變化、腦部基因變化有很大的關系[9]。

ame-let-7 就是其中調控蜜蜂勞動分工的一個重要的基因。Behura 和Whitfield 通過熒光定量研究，在意大利蜜蜂哺育蜂與采集蜂腦部發現11 個表達差異顯著的miRNAs，其中ame-let-7 在哺育蜂中上調表達，由此推測其可能調控與年齡相關的蜜蜂行為變化[9]。經過進一步的研究，發現ame-let-7 在哺育蜂腦部的表達顯著高于其在采集蜂腦部的表達，而且與年齡無關，因此推測ame-let-7 可能對哺育蜂和采集蜂的行為轉變起到重要的調控作用。同時，胰島素受體基因在將要發育為蜂王的幼蟲中有很強烈的表達。所以，推測胰島素通路對于雌蜂的形態變化有一定的影響，進一步改變勞動分工。

值得一提的是，ame-let-7 的功能不僅于此，還影響了蜜蜂的記憶能力，很有可能就是上面所提到的差異基因中的一種。ame-let-7可能通過調節Mblk-1 影響蜜蜂的糖反應能力和學習記憶行為而且可能在蜜蜂腦部蘑菇體也有豐富的表達。

4.3 蜜蜂覓食的基因層面機理

Alberto Toma 及其同事研究了period 基因對于工蜂職能轉變是如何影響的。Toma 等對實驗室培養的3 組蜜蜂進行了腦中mRNA 含量的測定。這3 組蜜蜂的年齡分別是4～6日齡、7～9日齡和20～22日齡。此外,他們把1日齡蜜蜂群中的每一只蜜蜂都作上標記并釋放到田間的自然蜂群中去，在釋放后的第7 天和第22 天再把它們重捕回來并測定它們的per mRNA 含量[10]。結果表明，年齡較大的外勤覓食蜂腦內的per mRNA 明顯高于年齡較小的蜂。隨后表明，per mRNA 的含量增加不僅僅由于年齡的增長，還和覓食行為本身有著很大的聯系。

不僅是period 基因，mvl 基因在蜜蜂覓食的行為背后也是一個重要的影響因素。它對果蠅對蔗糖的反應方式具有顯著的影響,而蔗糖也是蜜蜂食物資源的重要成分[10]。mvl 基因主要是影響錳在蜜蜂大腦內的傳遞，改變蜜蜂對于蔗糖的反應最終影響到了覓食的環節。

4.4 其他行為與基因的關聯

蜜蜂最獨特的行為莫過于舞蹈語言，實驗也證明了作為分子標記的COⅠ基因可以用于分析蜜蜂屬的舞蹈與筑巢行為的進化過程及祖先狀態，然而蜜蜂那些帶有“嗡嗡”聲的舞蹈是通過適應性進化而來的，和基因關聯性不大[11]。

此外，蜜蜂還有許多功能性的基因，其中抗氧化酶基因在工蜂的行為發育中起到了很大的作用。研究發現，抗氧化基因的表達水平隨著工蜂的行為發育而發生規律性變化。從差異表達基因的數量上看，工蜂出房后發育為哺育蜂時有9 個抗氧化基因的表達水平下調，哺育蜂和守衛蜂為內勤蜂，僅有2 個抗氧化基因在腦組織中差異表達；但當內勤蜂轉變為外勤蜂時，約60%的抗氧化基因的表達水平明顯升高；而采集蜂和偵察蜂的腦中僅有4 個抗氧化基因差異表達[12]。

蜂毒對于蜜蜂的防御和進攻體系是一種不可或缺的手段，其組分也被研究了很長一段時間。蜂毒的作用原理簡而言之就是過敏原反應，但是其中的Apim6 變態反應原卻有著較快的反應速率。研究表明，變態非均勻性可能是因為一個特定的變態反應原基因，或者是剪切的轉錄基因造成的[13]。這充分說明了蜂毒的作用和基因或者是奇怪的基因組織有著強烈的關聯。

甚至蜜蜂的性情和行為也和基因有關系。有些蜜蜂在偵察食物的同時也會偵察適合筑巢的地方，而另外一些蜜蜂選擇不做任何的偵察。在這些更加勇敢的蜜蜂當中，研究人員檢測出了谷氨酸、GABA 信號水平和兒茶酚胺有著顯著的差異，而這跟章胺和谷氨酸的表達基因有著很重要的關系，進而影響到蜜蜂的偵察行為[14]。

5 結語

蜜蜂的行為在很早就被人們所觀測和認識到，但是關于蜜蜂的基因在最近幾十年才逐步開展研究。隨著蜜蜂基因相關研究的進行，人們對于蜜蜂的行為有著更加深刻的理解；而通過對蜜蜂行為新的觀察進一步促進了對于蜜蜂基因的研究。兩者是相輔相成，互相促進的。

總而言之，蜜蜂各種神奇行為的背后都是有著基因的機制在作為支撐，在宏觀上展現出了蜜蜂這個物種的奇妙之處。當然，在微觀世界中，盡管我們已經洞悉很多的基因機制，但是還有很多尚不明確的地方，包括具體基因的定位研究，而對于這些基因研究的細化和深入無疑對于整個蜜蜂學科來說有著重大的意義。