蜜蜂生物学研究三十年回顾

蜜蜂生物学研究三十年回顾

蜜蜂生物学是研究蜜蜂的形态、发育和行为特征以及蜜蜂群结构和功能规律的学科。蜜蜂生物学研究属于基础性研究,而重大基础性研究成果往往都会对行业的发展产生巨大的、不可估量的推动作用。1961年原苏联塔兰诺夫出版了第一本《蜜蜂生物学》专著,此书于1973年被翻译成中文,对中国养蜂研究和生产起了非常重要的作用;1987年美国Winston出版了“Thebiologyofthehoneybee”专著;2003年云南科技出版社出版了云南农业大学匡邦郁和匡海鸥主编的《蜜蜂生物学》,该书是我国正式出版的第一本蜜蜂生物学专著。2007年中国农业出版社出版了曾志将主编的全国高等农业院校“十一五”规划教材《蜜蜂生物学》。蜜蜂生物学特性一直受到广大生物学家关注,其原因一方面是人们意识到蜜蜂给农作物授粉的重要性,另一方面是蜜蜂生物学研究结果对整个社会生物学及行为生态学领域都有深远影响。近三十年来,蜜蜂生物学研究取得了许多令人鼓舞的成果。1蜜蜂从来地和来源关于蜜蜂的起源地点,学术观点不统一。一是蜜蜂的起源地在华北古陆,理由是迄今为止最古老的北泊子古蜜蜂化石,出自中国山东莱阳县。根据已知化石的对比与分析,一些学者认为中国华北古陆应是蜜蜂的起源地;二是蜜蜂起源于东南亚,原因是通过分析现有蜜蜂属中蜜蜂的地理分布、形态特征、生物学特性和蜂毒的氨基酸顺序得出的研究结果;三是蜜蜂的起源于非洲,直接证据来自2006年蜜蜂分子生物学最新研究成果,Whitfield等(2006)利用1136个单核苷酸多态标记研究蜜蜂DNA多态性,结果发现蜜蜂起源非洲并曾经两次“走出非洲”———恰如人类起源非洲然后逐渐迁徙到欧亚大陆和美洲大陆。2实验引发了反科学家的重数量2002年,美国国立卫生研究院把西方蜜蜂(Apis*国家蜂产业技术体系资助项目(nycytx-43-kxj15)mellifera)列入了优先测序的物种名单。2006年10月26日,《自然》杂志发表了西方蜜蜂基因组的测序结果。蜜蜂是继果蝇、蚊子、家蚕之后,第四种全基因组被测序的昆虫。蜜蜂基因组测序工作,前后历经4年时间,耗资800万美元,来自15个国家、64个实验室的170名科学家参加才得以完成。蜜蜂基因组测序和分析结果表明:蜜蜂的基因组约有2.36亿个碱基,其中67%为A和T,比别的昆虫基因组要高得多(果蝇为58%,库蚊为56%),预计蜜蜂基因数为10157个,比果蝇和库蚊少30%左右;蜜蜂和果蝇只有10%同源,这比人和鸡之间共同的85%要少,说明昆虫的进化速度较快;人和蜜蜂基因的共同率为47.5%,人和果蝇的为44.5%,人和蚊子的为46.6%;蜜蜂的气味受体基因有163个,比别的昆虫多(果蝇和库蚊分别是62个和79个);蜜蜂只有71个与免疫和抗病的基因,而库蚊有209个,果蝇有196个,可能是因为蜜蜂的清洁行为,以及蜂蜜、蜂王浆和蜂胶的抗细菌特性,加上蜂群有像城堡一样的结构,使蜜蜂不需要库蚊和果蝇那么多的抗病和免疫基因;蜜蜂对农药和毒药的解毒基因只有80个,而果蝇和库蚊分别有157个和188个。蜜蜂基因组测序的完成标志着蜂学研究进入后基因组时代,基因功能和调控机制的研究将成为新热点。3农蜂业损失减少,引发乡村振兴危机2006年以来美国等地发生大量蜂群离奇死亡,这一被称为“蜂群衰竭失调病(colonycollapsedisorder,简称CCD)”的奇怪现象出现在美国35个州,加拿大的5个省和欧洲一些国家。从2006年9月到2007年3月,美国384家养蜂企业中有24%的企业损失了50%以上的蜂群,有的损失高达90%。这种现象造成美国养蜂人直接损失约1.5亿美元,授粉蜜蜂的锐减威胁到美国农业的发展,引起了美国农业部的高度重视。CCD症状是蜂群中大量的成年工蜂短时间内突然在巢外失踪,没有发现尸体,只剩下蜂王、卵、一些未成年的工蜂和大量蜜粉残留于巢脾内的症状。到目前为止,经调查发现以色列急性麻痹病毒(Israeliacuteparalysisvirus,IAPV)是导致CCD的最大嫌疑,但CCD的确切致病机理尚未揭示。CCD在欧美的大规模爆发,造成美国受灾地区蜜蜂群势急剧下降,加重了近年日益严重的农作物授粉危机。到目前为止,中国尚未报道CCD病例,我国养蜂业能否避免这场浩劫,现在下结论为时尚早。但我们必须提高警惕,采取防范措施,方可减少可能发生的严重危害。4蜂王幼虫dnnt3基因回复突变试验2008年澳大利亚科学家Kucharski在《科学》发表了最新的蜜蜂表观遗传学结果。蜂王和工蜂都是来自蜂王产的未受精卵,具有相同的遗传物质,但由于幼虫期的食物不同,蜂王和工蜂二者不仅在外表形态上差异巨大,而且具有截然不同的生殖能力、悬殊的生命期限以及相差甚远的行为方式。这种营养的差异是如何与基因表达相联系的,是世界各国科学家所热衷研究的课题。Kucharski等通过向刚孵化的蜜蜂幼虫体内注射Dnmt3(DNAmethyltransferase3)siRNA,使其DNA甲基转移酶Dnmt3表达沉默。定量PCR和原位杂交实验结果表明:被Dnmt3siRNA处理过的幼虫体内Dnmt3表达水平比对照组幼虫低;72%幼虫发育成具有成熟卵巢的蜂王,28%幼虫则发育成具有初级卵巢的工蜂。为了证实蜂王、工蜂之间的级型差异与幼虫DNA甲基化相关,他们又研究了基因Dynactinp62的胞嘧啶残基在幼虫躯体和头部的甲基化水平,结果表明:蜂王幼虫头部和躯体中,基因Dynactinp62的甲基化均下降了10%。为了识别在幼虫发育过程中哪些因素还会受到甲基化的影响,他们还利用蜜蜂基因组寡核苷酸微阵列来比较对照组和Dnmt3沉默组幼虫之间全基因组表达的差异,得到了与脂质运输、激素调节、翻译后修饰、蛋白翻转、核糖体形成、能量转移、生理代谢等过程相关的差异表达基因,以及一批可能是新的功能未知的蜜蜂特异基因。以上实验的结果表明:蜜蜂DNA甲基化是调控工蜂和蜂王级型分化的关键因素,从而首次从分子水平阐释了蜜蜂表观遗传现象的原因。5研究方法的成果关于蜜蜂是如何估计食源的距离存在不同的理论:一种理论认为蜜蜂是借助能量的消耗量来估计飞行距离;第二种理论认为蜜蜂是借助视觉光流来估计距离,当飞行距离远时,在视网膜上经历的运动景物的图像将更多。澳大利亚国立大学的蜜蜂实验室和德国威茨尔堡大学的蜜蜂实验室,就蜜蜂如何估计飞行距离的问题开展实验研究,提出并通过行为实验证实蜜蜂用光流来估计飞行距离的理论。这项实验研究结果发表在《科学》杂志上。随后澳大利亚和德国实验室的科学家与美国印地安那州NotreDame大学的研究人员进行合作,通过实验证实从实验通道中约10m远处,从糖水饲喂器上,采集糖水回巢的蜜蜂,在蜂巢中跳起摆尾舞,巢内其它的工蜂获得信息后,没有一个蜜蜂飞到通道中去搜索,而是飞向跳摆尾舞的蜜蜂指出的方向,飞到与通道中经历的相当光流的距离,即72m的观察站。这个实验有力地支持了Frisch蜜蜂舞蹈语言的理论,这项研究结果发表在《自然》杂志上。苏松坤等(2008)以中蜂与意蜂组成的混合蜂群为研究对象,采用录像方式来研究混合蜂群中中蜂工蜂与意蜂工蜂是否能相互理解彼此的舞蹈语言。结果表明:中蜂和意蜂的的舞蹈语言之间存在差异显著的“方言”,但中蜂采集蜂可以解码意蜂的舞蹈语言,并且成功找到所指示的食物。黄强等(2009)在同群意大利蜜蜂和中华蜜蜂混合群中,观察自然分蜂中意大利蜜蜂是否能解读并参与中华蜜蜂的自然分蜂。结果表明,意大利蜜蜂会参与中华蜜蜂的分蜂,说明意大利蜜蜂具有解读中华蜜蜂自然分蜂语言的能力。6无瞳装片的选择澳大利亚国立大学张少吾教授与德国研究人员合作,采用了心理实验中常用的延迟比配样本实验的范例,来研究蜜蜂是否具有数数的能力。实验装置由隧道和迷宫组成,要求蜜蜂学会选择与样本图形中单元数目相同的图形。结果表明:经过训练的蜜蜂,用不同变换的图形进行测试,尽管样本与被选择图形布局、形状、颜色和面积等因素变化,但蜜蜂都能根据样本是单元数目是2或3,做出正确的选择。这是关于无脊椎动物基于数字的视觉概念化首次报道。在自然条件下,同一蜂群中多只蜂王不能共存,蜂王存在互相厮打现象。胡福良等(2008)研究表明:蜂王具有“自我评估能力”。7工蜂群中的亲属优惠工蜂亲属辨认是指工蜂能够识别与自己有血缘关系的其它个体。大量研究表明工蜂具有辨认自己亲属的能力。工蜂亲属优惠是指工蜂给予亲缘关系指数高的亲属某些特别“利益”或特殊“优惠”。黄强等(2008)以中蜂为材料,应用分子标记方法研究中蜂自然分蜂过程中亲属优惠行为,结果表明:与封盖王台中处女王同一亚家庭中的工蜂,留在母巢内数量显著高于离开的数量;而与封盖王台中处女王不是同一亚家庭中的工蜂,则更多是随分蜂团离开母巢。这说明中蜂自然分蜂过程中存在亲属辨认行为。谢宪兵等(2008)为使中蜂失王而出现急造王台后,应用3个蜜蜂微卫星位点鉴别急造王台中的幼虫及其哺育蜂的亚家庭,以此来研究中华蜜蜂急造王台的工蜂亲属优惠。结果表明:蜂群中各亚家庭之间的工蜂分布差异不显著,然而蜂群中急造王台只出现在少数3~5个亚家庭中,各亚家庭之间在王台出现率上存在极显著的差异;哺育急造王台中幼虫工蜂并非只来自幼虫所在的亚家庭,而是分布在更多的亚家庭里。这说明中蜂急造王台时,在蜂王幼虫的选择过程中存在工蜂亲属优惠行为,但蜂王幼虫与它们的哺育工蜂之间并不存在工蜂亲属优惠现象。8工蜂群中蜂群的生长和组织状态工蜂监督是指工蜂通过某种行为或机制来限制其它工蜂产卵。大量研究表明:西方蜜蜂(Apismellifera)、东方蜜蜂(Apiscerana)、小蜜蜂(Apisflorae)、黄蜂(Vespulavulgaris)都存在工蜂监督现象。谢宪兵等(2008)以中蜂为实验材料,对处女蜂王分别进行单雄和双雄人工授精,并以蜂王自然交尾的蜂群作为对照。利用蜜蜂微卫星DNA和王浆主蛋白的串联重复序列多态性技术,分别检测蜂群内的雄蜂是由蜂王产的未受精卵发育而成,还是由工蜂产的未受精卵发育而成。结果表明:蜂群中的雄蜂都是由蜂王产的未受精卵发育而成。这说明中蜂蜂群中存在工蜂监督行为。颜伟玉(2009)等以中蜂为实验材料,利用扫描电镜分别观察了中蜂三种卵(即蜂王产的受精卵、未受精卵以及工蜂产的未受精卵)的表面超微结构和大小,同时用气-质联用技术测定了0h和5h三种卵的表面化学信息素成分。结果表明:中蜂三种卵表面均覆有六边形的结构,结构内充满小突起,三种卵的大小及表面超微结构无显著差异,工蜂不可能利用卵的形态来辨别蜂王产的卵与工蜂产的卵;蜂王产的卵表面化学信息素种类比工蜂产的卵更为丰富,C25∶1、C27∶2或C27∶1可能是蜂王产卵带有的标记化学信息素。9蜜蜂幼虫信息素的功能法国LeConte博士以西方蜜蜂为实验材料,首次从雄蜂幼虫中分离出蜜蜂幼虫信息素,发现西方蜜蜂幼虫信息素是由甲基棕榈酸酯、甲基油酸酯、甲基硬脂酸酯、甲基亚油酸酯、甲基亚麻酸酯、乙基棕榈酸酯、乙基油酸酯、乙基硬脂酸酯、乙基亚油酸酯和乙基亚麻酸酯组成,并发现蜜蜂幼虫信息素对大蜂螨有引诱作用,研究成果在世界著名学术刊物《科学》发表后,在学术界产生了很大反响,对蜜蜂幼虫信息素深入研究起了很大的推进作用。颜伟玉(2009)等以中蜂为实验材料,首次发现中华蜜蜂幼虫含有与西方蜜蜂幼虫相同的10种脂肪类信息素,但这两种蜜蜂信息素的含量及其分布规律不同。10精子诱导转移转基因技术是指用实验导入的方法将外源基因整合到生物体染色体内并能稳定表达和遗传。Omholt等第一次报道利用核移植技术通过显微