摘要：蜜蜂投粉對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和全球生態(tài)起重要的作用，蜜蜂也是研究社會(huì)行為和學(xué)習(xí)記憶導(dǎo)航行為的模式生物，其簡(jiǎn)單的腦部結(jié)構(gòu)和卓越的學(xué)習(xí)記憶能力又為神經(jīng)生物學(xué)家提供了絕好的研究模型，此外，蜜蜂可以成為免疫、過(guò)敏、精神疾病和長(zhǎng)壽等試驗(yàn)的研究模型。本文從蜜蜂的基因組序列、基因組結(jié)構(gòu)、發(fā)育、級(jí)型分化及繁殖衰老、基因調(diào)節(jié)、群體遺傳學(xué)等方面綜述了蜜蜂基因組研究的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：蜜蜂(Apis mellifera)；基因組；研究進(jìn)展

蜜蜂隸屬于節(jié)肢動(dòng)物門(mén)(Arthropoda)昆蟲(chóng)綱(Insecta)膜翅目(Hymenoptera)蜜蜂總科(Apoidea)蜜蜂科(Apidae)蜜蜂屬(Apis)。蜜蜂屬的特點(diǎn)是，后足脛節(jié)上無(wú)距，巢脾由自身分泌的蜂蠟建造，群體生活，一群中只有一個(gè)蜂王，靠采集花粉和花蜜為生。蜜蜂基因組的研究開(kāi)始于2002年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)把西方蜜蜂(Apis mellifera)列人了優(yōu)先測(cè)序的物種名單。在2004年，第一份蜜蜂基因組的草圖公布。在2006年10月26日出版的《自然》雜志上，由美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、巴西、瑞典、日本、比利時(shí)、新西蘭、以色列、丹麥、英國(guó)、法國(guó)、斯洛伐克、加拿大等14個(gè)國(guó)家90個(gè)科研機(jī)構(gòu)的180多名科學(xué)家組成的蜜蜂基因組測(cè)序聯(lián)盟(The Honeybee Genome Seguencing Consodium，HGSC)公布了他們對(duì)西方蜜蜂基因組的測(cè)序結(jié)果和分析。2006年10月27日《科學(xué)》雜志同時(shí)發(fā)表了3篇與蜜蜂基因組研究相關(guān)的文章，報(bào)道了蜜蜂從非洲的遷徒蜂的一個(gè)重要的基因調(diào)節(jié)過(guò)程蜜蜂社會(huì)行為的研究結(jié)果。在隨后的《基因組》雜志發(fā)表的蜜蜂基因組專(zhuān)刊也詳細(xì)刊登了蜜蜂基因組的相關(guān)內(nèi)容。蜜蜂是繼果蠅、蚊子、家蠶之后，第4種全基因組被破譯的昆蟲(chóng)。鑒于此，就蜜蜂基因組研究的最新進(jìn)展作一綜述。

1 基因組測(cè)序

蜜蜂的基因數(shù)量只相當(dāng)于人類(lèi)的約十分之一?？茖W(xué)家們分析了蜜蜂16對(duì)染色體包含的基因，初步發(fā)現(xiàn)10157個(gè)基因，比果蠅和蚊子的基因總數(shù)少30％左右，基因組全長(zhǎng)約236 Mb，即2．36億個(gè)堿基，大約有26 Mb的序列尚未被克隆和測(cè)序。HGSC采用全基因組鳥(niǎo)槍法及BAC克隆法測(cè)序，基因組DNA測(cè)序的素材來(lái)自一群近交純種蜂王的單倍體雄蜂，序列結(jié)果用Atlas等軟件進(jìn)行拼接，并利用微衛(wèi)星標(biāo)記連鎖固定位到染色體上。

2 基因組結(jié)構(gòu)

2．1 序列特征

動(dòng)物的基因組是一個(gè)均一的 G＋C 結(jié)構(gòu)域嵌合體，但是蜜蜂的基因組有自己的特點(diǎn)。它沒(méi)有特征性長(zhǎng)度，相反富含短片段且只有一少部分長(zhǎng)片段。蜜蜂基因組最顯著的特征是，它比果蠅等含更多的富集(A十T)區(qū)域。此外，蜜蜂基因組中另一個(gè)特征為高含量的CpG結(jié)構(gòu)。

2．2 端粒結(jié)構(gòu)

蜜蜂有16條染色體，其中只有一條最大的染色體具有中間著絲粒，其余15條染色體都為端著絲粒。除最長(zhǎng)的1號(hào)染色體為兩條近端著絲粒染色體融合成一條沒(méi)有近端的端粒外，只有在它兩條長(zhǎng)臂上有兩個(gè)遠(yuǎn)端的端粒外，其余15條染色體都有一個(gè)遠(yuǎn)端的端粒在長(zhǎng)臂上及一個(gè)近端的端粒在短臂上問(wèn)。對(duì)這些染色體的17個(gè)長(zhǎng)端的端粒分析后發(fā)現(xiàn)，在每條染色體的最后的基因約1～7 kb特定序列之后，每個(gè)遠(yuǎn)端的端粒有一個(gè)3～4 kb的亞端粒結(jié)構(gòu)區(qū)，在17個(gè)端粒中約有70％～92％的序列是相同的，在最后幾個(gè)Kb之后有一個(gè)TTAGG重復(fù)序列。

2．3 縱向同源基因及蜜蜂進(jìn)化速度

與3種脊椎動(dòng)物[人(Homo sapiens)、雞(Gallusgallus)和魚(yú)(Tetraodon nigroviridis)]及昆蟲(chóng)中的蚊子及果蠅的縱向同源基因比較，發(fā)現(xiàn)蜜蜂與人類(lèi)的平均基因相似度比果蠅和蚊子要高，這說(shuō)明蜜蜂進(jìn)化為昆蟲(chóng)的速度比較慢。并且含有與后口動(dòng)物相同的基因，但這些基因在果蠅中已經(jīng)消失。

3 蜜蜂的發(fā)育

3．1 性別決定

蜜蜂的性別決定系統(tǒng)與其它昆蟲(chóng)不同，它沒(méi)有劑量補(bǔ)償效應(yīng)，也沒(méi)有雄性的減數(shù)分裂。蜂王長(zhǎng)成后經(jīng)婚飛與多個(gè)雄蜂交配，儲(chǔ)存了大量的******，不再飛行。蜂王產(chǎn)下的受精卵發(fā)育成工蜂，產(chǎn)下的未受精卵發(fā)育成雄蜂，所以，在蜜蜂中，雌蜂是二倍體，雄蜂是單倍體。但是蜜蜂的性別并不是由染色體倍數(shù)決定的，而是決定于一個(gè)互補(bǔ)性別決定基因(complementary sex determiner，csd)。蜜蜂沒(méi)有性染色體，但蜜蜂擁有與果蠅mn、ec及卻n基因同源的基因，盡管它們并不在性別決定中發(fā)揮作用，其功能至今尚未被揭示。果蠅性別決定系統(tǒng)中的其它基因，如msl-3、mle、mof、Trl、dsx等也在蜜蜂中有同源的基因存在。所以，雖然蜜蜂與果蠅在性別決定過(guò)程中有明顯差異，但在基因組水平上有相似性。

3．2 氣味識(shí)別基因

蜜蜂基因組分析表明，蜜蜂控制嗅覺(jué)的基因極為發(fā)達(dá)，數(shù)量超過(guò)果蠅和蚊子的同類(lèi)基因，而控制味覺(jué)的基因明顯較少，這說(shuō)明靈敏的嗅覺(jué)是影響蜜蜂覓食和與同類(lèi)通信的主要因素。

3．3 社會(huì)分工

基因可能決定蜜蜂的社會(huì)分工。比如，工蜂神經(jīng)中樞里一些“主控基因”的開(kāi)啟或關(guān)閉，會(huì)使工蜂由照料蜂王的“護(hù)工”轉(zhuǎn)變成以攻擊為主的“守衛(wèi)”。果蠅也有同樣的基因，卻沒(méi)有這些功能。

4 蜜蜂的級(jí)型分化、繁殖及蜂王長(zhǎng)壽現(xiàn)象的研究

4．1 級(jí)型分化

級(jí)型是指在社會(huì)性昆蟲(chóng)的群體中，同一性別具有不同的形態(tài)、身體結(jié)構(gòu)、職能和行為的個(gè)體類(lèi)型。在蜂群中，蜂王和工蜂都是由受精的二倍體卵發(fā)育而成，遺傳基因完全相同，但由于發(fā)育環(huán)境及營(yíng)養(yǎng)的差異而產(chǎn)生不同級(jí)型的分化。如蜂王在王臺(tái)中發(fā)育，能得到充足且質(zhì)優(yōu)的王漿，并在最佳溫濕度下發(fā)育，工蜂發(fā)育卻不是如此，以致性器官發(fā)育不完全。

對(duì)級(jí)型分化的分子水平(ESTs和GO分析)研究發(fā)現(xiàn)，與代謝相關(guān)的基因?qū)εc極型分化的EST類(lèi)群是非常重要的，這更多證實(shí)了早期對(duì)蜜蜂級(jí)型分化決定主要是由于代謝改變的假說(shuō)是正確。例如，蜂王和工蜂在氧化還原酶和水解酶的基因表達(dá)上有不同的形式，在氧化還原酶的表達(dá)上蜂王是過(guò)量表達(dá)的，但在水解酶的表達(dá)上，蜂工是過(guò)量表達(dá)的。在高度社會(huì)性物種中，由于分工不同，膜翅目昆蟲(chóng)雌性在前胚胎時(shí)期的分化就可以改變表現(xiàn)型。

4．2 MRJPs(major royaljelly proteins，王漿主蛋白)的研究

王漿是6～18日齡青年工蜂發(fā)達(dá)的咽下腺和上顎腺分泌的物質(zhì)，為蜂王的終身食物及養(yǎng)育工蜂幼蟲(chóng)。MRJPs是王漿中的主要成分?；蚪M分析表明，MRLPs包含9條基因，均來(lái)源于一個(gè)黃蛋白基因家族。這個(gè)古老的黃蛋白基因家族在蜂王和工蜂中都是相同的，但在社會(huì)進(jìn)化中功能有了分化。這為基因家族在進(jìn)化過(guò)程中獲得新功能提供了一個(gè)好例子。

4.3 胰島素/類(lèi)胰島素生長(zhǎng)因子信號(hào)

胰島素/類(lèi)胰島素生長(zhǎng)因子信號(hào)對(duì)調(diào)節(jié)衰老、能量代謝、繁殖及其它重要的生物學(xué)進(jìn)程有很重要的作用。與果蠅相比，蜜蜂的胰島素/類(lèi)胰島素生長(zhǎng)因子信號(hào)路徑有顯著不同。蜜蜂只有兩個(gè)基因編碼類(lèi)胰島素膚，兩種尚還是假設(shè)的胰島素/IGF-1受體。蜜蜂還有4種與線(xiàn)蟲(chóng)同源的與長(zhǎng)壽調(diào)節(jié)相關(guān)的基因，而果蠅只有一種?；蛟S，這些差異與一個(gè)傳統(tǒng)問(wèn)題繁殖率和壽命之間的聯(lián)系問(wèn)題有關(guān)。一般認(rèn)為，繁殖率高(即新陳代謝快)的壽命短，但對(duì)于蜂群中的蜂王，同時(shí)擁有高繁殖率和長(zhǎng)壽，這可作為研究胰島素/類(lèi)胰島素生長(zhǎng)因子信號(hào)可以延長(zhǎng)壽命而又無(wú)負(fù)面影響于繁殖能力的一個(gè)很重要模型。

4．4 表皮形成系統(tǒng)及免疫和解毒系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)基因組的研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂體內(nèi)與表皮形成相關(guān)的基因少于其它昆蟲(chóng)。

在蜜蜂身上的病原體有病毒、細(xì)菌、真菌和原生生物病原體及其它寄生蟲(chóng)。由于蜜蜂處于一個(gè)比較擁擠的巢內(nèi)，容易受到病原體的侵害。但對(duì)蜜蜂基因組的研究發(fā)現(xiàn)蜜蜂在免疫系統(tǒng)及疾病防治方面的基因也少于其它昆蟲(chóng)，這說(shuō)明蜜蜂有新的免疫途徑，在蜜蜂個(gè)體水平上的免疫力是很弱的，只限于對(duì)一小群共同進(jìn)化的病原體的免疫系統(tǒng)。

蜜蜂用于解毒的基因也比較少，所以對(duì)殺蟲(chóng)劑很敏感。殺蟲(chóng)劑是親脂型的，所以可以在巢房?jī)?nèi)的親脂物質(zhì)(如蜂蠟和花粉液)上積累，使得巢脾成了殺蟲(chóng)劑的累積器，最后影響蜂王產(chǎn)卵率和幼蟲(chóng)發(fā)育。有些致死因子還能影響蜜蜂學(xué)習(xí)能力及對(duì)氣味的條件反應(yīng)，這些特性直接影響蜜蜂采集。

5 基因調(diào)節(jié)

5．1 DNA甲基化

DNA甲基化是脊椎動(dòng)物的特征。在果蠅和其它非脊椎生物是否有甲基化現(xiàn)象還存在爭(zhēng)論。對(duì)蜜蜂基因組的研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂基因可以編碼所有脊椎動(dòng)物DNA甲基化所需要的蛋白的同源物。此外，蜜蜂DNA甲基化系統(tǒng)在活體內(nèi)也是有功能的。

5．2 RNA干擾

蜜蜂基因組中只有一個(gè)RNA干擾體系必須的基因(sid-1)的同系物。在類(lèi)SID-1基因數(shù)量上的不同可能與蜜蜂RNA干擾功效有關(guān)。對(duì)蜜蜂RNA干擾的第一次證明是在胚胎時(shí)期注入dsRNA，但只有15％表現(xiàn)出減弱目標(biāo)基因表達(dá)的干擾效果，隨后將dsRNA注人到新的胚胎時(shí)，96％表現(xiàn)出突變異體。然而，對(duì)蜜蜂基因沉默的分子機(jī)制細(xì)節(jié)部分還沒(méi)有得到詳細(xì)的闡述，而且對(duì)昆蟲(chóng)的RNAi體系中的SID-1也了解得很少。

蜜蜂基因組也能夠編碼在其它物種中與RNA干擾核心機(jī)制有關(guān)的許多相似的蛋白上，如有兩個(gè)Dicer(Dcr)酶、Drosha 同系物和RISC復(fù)合體以及dsRNA結(jié)合蛋白的所有組件等都證明為蜜蜂RNAi路徑的組成體。

5．3 核受體

核受體，是存在于動(dòng)物的DNA結(jié)合蛋白家族，許多發(fā)育和生殖過(guò)程都受其調(diào)控。Fahrbach及其同事研究蜜蜂基因組序列，尋找所有的核受體(nuclear receptor)。發(fā)現(xiàn)控制生命早期階段神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的核受體，在成年蜜蜂中表達(dá)于特異的、高度可塑腦區(qū)，仍舊發(fā)揮調(diào)節(jié)大腦生長(zhǎng)的相似功能。這些結(jié)果有助于研究核受體在蜜蜂早期發(fā)育、生殖以及成年蜜蜂特定行為發(fā)育中的作用N。蜜蜂與果蠅可能有同套核受體，因?yàn)樗鼈兊纳^(guò)程中都存在變態(tài)(meta morphosis)環(huán)節(jié)，但是在蜜蜂基因組中發(fā)現(xiàn)一個(gè)果蠅基因組中不存在的基因。對(duì)于人類(lèi)，此基因是研究正常發(fā)育所不可或缺的。盡管還不是很清楚此基因在蜜蜂中的功能，但已首次證實(shí)此基因編碼的蛋白只在蜜蜂發(fā)育過(guò)程的復(fù)眼中存在。

6 蜜蜂發(fā)展史及群體遺傳學(xué)

通過(guò)對(duì)蜜蜂基因組信息的初步研究，可以提供關(guān)于蜜蜂起源以及該物種在世界范圍內(nèi)的傳播的相關(guān)信息，并可以支持膜翅目昆蟲(chóng)起源于早期的全變態(tài)昆蟲(chóng)的假說(shuō)，挑戰(zhàn)了現(xiàn)在認(rèn)為比甲蟲(chóng)類(lèi)分化晚的觀(guān)點(diǎn)。并且得出蜜蜂科的分科早于現(xiàn)今認(rèn)為的時(shí)間，這些證據(jù)來(lái)源于最早蜜蜂的化石(Melittosphex burmensis)，在緬甸北部的琥珀樣品中發(fā)現(xiàn)，為1億年前(即白堊紀(jì)早期)，它們具有現(xiàn)在蜜蜂的幾種特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)包括分叉的毛，研究人員認(rèn)為這種毛與采集花粉有關(guān)。

基因組分析還表明，蜜蜂的祖先與人類(lèi)祖先一樣來(lái)自非洲?？茖W(xué)家們認(rèn)為，最古老的蜜蜂來(lái)自撒哈拉沙漠以南，后來(lái)經(jīng)過(guò)兩次遷徒，逐步分布到歐亞大陸各個(gè)角落，并發(fā)生適合當(dāng)?shù)貤l件的進(jìn)化，但這兩次遷徒也發(fā)生在很久以前。17世紀(jì)以后才來(lái)到美洲，被稱(chēng)為“一次外來(lái)物種入侵的精彩范例”。這一發(fā)現(xiàn)突破了蜜蜂起源于歐亞大陸的傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)。

蜜蜂不僅具有重要的授粉利用價(jià)值，蜂產(chǎn)品亦為人類(lèi)健康之友，更為重要的是蜜蜂具有驚人的學(xué)習(xí)、記憶、導(dǎo)航能力和復(fù)雜的社會(huì)性行為，蜜蜂已成為學(xué)習(xí)、記憶、導(dǎo)航等神經(jīng)生物學(xué)研究領(lǐng)域的良好模型，其復(fù)雜社會(huì)性行為的機(jī)制和應(yīng)對(duì)周?chē)h(huán)境的策略必將對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展提供有益的啟迪。蜜蜂的免疫系統(tǒng)和長(zhǎng)壽機(jī)制研究將為人類(lèi)過(guò)敏、精神疾病、長(zhǎng)壽及x染色體相關(guān)疾病的研究提供新的模型。蜜蜂基因組測(cè)序的完成標(biāo)志著蜂學(xué)研究進(jìn)入后基因組時(shí)代，基因功能和調(diào)控機(jī)制的研究將成為新熱點(diǎn)。

引自《中國(guó)蜂業(yè)》2007（4）

浙江大學(xué) 蔡芳 蘇松坤 鐘伯雄 陳盛祿