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作者:李晨陽 來源:中國科學報 發布時間:2020/12/19 8:10:09
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中國科學家揭示蜜蜂采集行為調控基因
你的“吃貨基因”,她的“打工指南”

 

東方蜜蜂工蜂(張巍巍攝于云南盈江)

 

 東方蜜蜂采粉蜂采集云南紫薇花粉(周欣攝于西雙版納熱帶植物園)

 

年輕人紛紛自嘲是“打工人”的時候,小蜜蜂已經在自然界“打工”1億多年了。每生產一斤成熟蜂蜜,需要蜜蜂200多萬次造訪花朵,此外還要經過釀造、脫水和熟化等一系列繁復工序。蜜蜂還是典型的不“白吃”,在從植物中獲取食物的同時,也承擔了傳粉的重要職責。

有趣的是,讓蜜蜂如此勤勞能干的竟然是一種特殊的“吃貨基因”。在這種基因的驅動下,蜜蜂不僅實現了精細分工,還能適應不同的生存環境。這項由中國農業大學、吉林養蜂科學研究所和揚州大學等團隊合作開展的研究于北京時間12月19日在《科學進展》上發表。

都是“打工人”,職責大不同

眾所周知,蜂群中有蜂王、雄蜂和工蜂,每個級型各司其職。但事實上,蜜蜂的內部分工遠比你想象得還要講究。

工蜂在羽化后的1周內就可以承擔起照顧弟弟妹妹的職責,她們在這個階段的角色可以稱之為“哺育蜂”。2~3周的時候,“翅膀硬了”,就成長為能出門闖蕩的“采集蜂”。采集蜂還可以進一步細分為采蜜蜂、采粉蜂、采水蜂……

“一個蜂群內部對采集蜂各工種比例進行調整,可以讓這個家庭的食譜結構發生變化。”論文通訊作者之一、揚州大學教授吉挺對《中國科學報》說。

在自然界中,不同地區開花植物的種類和物候特征不同,蜂群在采集行為上的最佳適應策略也不同。

“蜜蜂在繁殖期需要大量花粉,而為了應對寒冷的冬季則需要儲備蜂蜜。”論文通訊作者之一、吉林省養蜂科學研究所研究員牛慶生做了進一步的介紹,“生活在熱帶地區的蜜蜂種群不須擔心食物來源枯竭,四季都可以繁殖,因此蜂群會采集較多的花粉,而采蜜能力整體有所降低;相反,生活在溫帶或高山地區的蜜蜂種群需要在有限的開花季節采集足夠的花蜜,為寒冬做準備,因此蜂群的產蜜能力就會顯著增強。”

那么,蜜蜂如何調節蜂群中采粉蜂和采蜜蜂的比例呢?

別人的“吃貨基因”,蜜蜂的“打工指南”

已有研究顯示,早在哺育蜂階段,這些小家伙們就已經表現出對糖的不同感受力。其中對糖比較敏感的工蜂在長大后,更傾向于采集花粉;而對糖相對不敏感的工蜂則更傾向于采集花蜜。

“糖敏感度比較低的采集蜂能采到濃度更高的花蜜,在同樣的采集效率下,蜂群所獲得的食物質量就會有所提高。”論文通訊作者之一、中國農業大學教授周欣向中國科學報解釋。

本次研究中,中國科學家發現,一種白細胞激肽受體基因(Lkr基因)在腦部的表達直接調控了蜜蜂對糖的敏感度水平。

他們對中國及周邊國家和地區的343個大陸東方蜜蜂代表個體進行了全面取樣和基因組分析。結果顯示,我國現有的東方蜜蜂種群由7個遺傳獨立單元組成:中部、東北、青海、阿壩、波密、海南、臺灣,在遺傳差異程度上已經達到了西方蜜蜂的亞種水平。而后面這6個位于我國東方蜜蜂分布區邊緣的種群,是各自獨立地從共同的中部祖先種群分化而來的。

“在幾乎所有的平行分化種群中,Lkr基因都受到了選擇,說明這個基因在蜜蜂的演化和對新生境的適應過程中發揮了重要的作用。”周欣說。

在學術界,Lkr及同源基因也算是“明星基因”。在人和小鼠、果蠅等動物模型的研究中發現,這類基因跟控制食欲、減輕焦慮等關系密切。你的進食欲望,每頓的食量,能否忍受不合口味的食物,甚至一焦慮就想吃東西,背后可能都有它們在作怪。

但對蜜蜂這種勞模動物來說,“吃貨基因”的一大作用,竟然是讓她們化食欲為動力,更加明確了自己作為“打工人(蜂)”的責任。

研究人員首先檢測了Lkr基因在采集蜂和哺育蜂不同組織中的表達水平。結果發現,Lkr基因在采集蜂的腦部和觸角中的表達量都顯著高于其它組織,同時也顯著高于哺育蜂的腦部和觸角中的表達量,說明這個基因主要在采集蜂的中樞神經系統中發揮作用。他們進而研究了采集蜂中的兩大工種:采粉蜂和采蜜蜂,發現前者腦部Lkr表達水平顯著高于后者。

研究人員還開展了蜜蜂行為學中經典的喙伸反應實驗:當饑餓的蜜蜂感知到水溶液中的糖分時,會本能地伸出口喙試圖取食。但當蜜蜂腦中的Lkr基因被人為敲降后,蜜蜂對糖的敏感水平也會顯著下降。

用科學保護小小勞模

聰明的蜂群還可以根據內外部條件的變化,對采集分工作出調整。如果蜂王產子量上升,蜂群就會派出更多的工蜂采集花粉,以提高食物組成的蛋白比例。“本研究首次揭示,在蜜蜂種群擴張并適應環境的過程中,Lkr基因作為一種調節采集分工行為相關的基因,也受到了平行的重復選擇。”周欣說,“在自然選擇和基因調控的協同作用下,蜜蜂種群得以適應當地開花植物的物候特性,更好地維持生存,繁衍后代。”

盡管努力地在適應環境,蜜蜂這種勞苦功高的小動物仍然面臨嚴重的生存威脅:生境破壞、野生開花植物減少、殺蟲劑、抗生素污染、外來物種競爭……近百年來,我國本地分布的東方蜜蜂更是在種群數量和分布范圍上都減少了80%左右。

“本項研究得出的結論,在幫助我們深刻理解我國東方蜜蜂的遺傳結構、演化歷史和適應機制的同時,也為制定我國本土蜜蜂物種的保護策略提供了重要參考。”牛慶生對《中國科學報》說。

吉挺表示,未來圍繞采集蜂分工機制開展進一步的深入研究,將有助于更高效地發揮蜜蜂的傳粉功能和提高蜂蜜生產能力,讓蜜蜂和人類的明天都更美好。

論文doi:10.1126/sciadv.abd3590

 
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