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

關(guān)鍵詞：蜜蜂(Apis mellifera)；基因組；研究進展

蜜蜂隸屬于節(jié)肢動物門(Arthropoda)昆蟲綱(Insecta)膜翅目(Hymenoptera)蜜蜂總科(Apoidea)蜜蜂科(Apidae)蜜蜂屬(Apis)。蜜蜂屬的特點是，后足脛節(jié)上無距，巢脾由自身分泌的蜂蠟建造，群體生活，一群中只有一個蜂王，靠采集花粉和花蜜為生。蜜蜂基因組的研究開始于2002年，美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)把西方蜜蜂(Apis mellifera)列人了優(yōu)先測序的物種名單。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、澳大利亞、德國、巴西、瑞典、日本、比利時、新西蘭、以色列、丹麥、英國、法國、斯洛伐克、加拿大等14個國家90個科研機構(gòu)的180多名科學家組成的蜜蜂基因組測序聯(lián)盟(The Honeybee Genome Seguencing Consodium，HGSC)公布了他們對西方蜜蜂基因組的測序結(jié)果和分析。2006年10月27日《科學》雜志同時發(fā)表了3篇與蜜蜂基因組研究相關(guān)的文章，報道了蜜蜂從非洲的遷徒蜂的一個重要的基因調(diào)節(jié)過程蜜蜂社會行為的研究結(jié)果。在隨后的《基因組》雜志發(fā)表的蜜蜂基因組?？苍敿毧橇嗣鄯浠蚪M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。鑒于此，就蜜蜂基因組研究的最新進展作一綜述。

1 基因組測序

蜜蜂的基因數(shù)量只相當于人類的約十分之一?？茖W家們分析了蜜蜂16對染色體包含的基因，初步發(fā)現(xiàn)10157個基因，比果蠅和蚊子的基因總數(shù)少30％左右，基因組全長約236 Mb，即2．36億個堿基，大約有26 Mb的序列尚未被克隆和測序。HGSC采用全基因組鳥槍法及BAC克隆法測序，基因組DNA測序的素材來自一群近交純種蜂王的單倍體雄蜂，序列結(jié)果用Atlas等軟件進行拼接，并利用微衛(wèi)星標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

動物的基因組是一個均一的 G＋C 結(jié)構(gòu)域嵌合體，但是蜜蜂的基因組有自己的特點。它沒有特征性長度，相反富含短片段且只有一少部分長片段。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。除最長的1號染色體為兩條近端著絲粒染色體融合成一條沒有近端的端粒外，只有在它兩條長臂上有兩個遠端的端粒外，其余15條染色體都有一個遠端的端粒在長臂上及一個近端的端粒在短臂上問。對這些染色體的17個長端的端粒分析后發(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，每個遠端的端粒有一個3～4 kb的亞端粒結(jié)構(gòu)區(qū)，在17個端粒中約有70％～92％的序列是相同的，在最后幾個Kb之后有一個TTAGG重復(fù)序列。

2．3 縱向同源基因及蜜蜂進化速度

與3種脊椎動物[人(Homo sapiens)、雞(Gallusgallus)和魚(Tetraodon nigroviridis)]及昆蟲中的蚊子及果蠅的縱向同源基因比較，發(fā)現(xiàn)蜜蜂與人類的平均基因相似度比果蠅和蚊子要高，這說明蜜蜂進化為昆蟲的速度比較慢。并且含有與后口動物相同的基因，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)與其它昆蟲不同，它沒有劑量補償效應(yīng)，也沒有雄性的減數(shù)分裂。蜂王長成后經(jīng)婚飛與多個雄蜂交配，儲存了大量的******，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，而是決定于一個互補性別決定基因(complementary sex determiner，csd)。蜜蜂沒有性染色體，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程中有明顯差異，但在基因組水平上有相似性。

3．2 氣味識別基因

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

3．3 社會分工

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

4 蜜蜂的級型分化、繁殖及蜂王長壽現(xiàn)象的研究

4．1 級型分化

級型是指在社會性昆蟲的群體中，同一性別具有不同的形態(tài)、身體結(jié)構(gòu)、職能和行為的個體類型。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)境及營養(yǎng)的差異而產(chǎn)生不同級型的分化。如蜂王在王臺中發(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。

對級型分化的分子水平(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類群是非常重要的，這更多證實了早期對蜜蜂級型分化決定主要是由于代謝改變的假說是正確。例如，蜂王和工蜂在氧化還原酶和水解酶的基因表達上有不同的形式，在氧化還原酶的表達上蜂王是過量表達的，但在水解酶的表達上，蜂工是過量表達的。在高度社會性物種中，由于分工不同，膜翅目昆蟲雌性在前胚胎時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。MRJPs是王漿中的主要成分?；蚪M分析表明，MRLPs包含9條基因，均來源于一個黃蛋白基因家族。這個古老的黃蛋白基因家族在蜂王和工蜂中都是相同的，但在社會進化中功能有了分化。這為基因家族在進化過程中獲得新功能提供了一個好例子。

4.3 胰島素/類胰島素生長因子信號

胰島素/類胰島素生長因子信號對調(diào)節(jié)衰老、能量代謝、繁殖及其它重要的生物學進程有很重要的作用。與果蠅相比，蜜蜂的胰島素/類胰島素生長因子信號路徑有顯著不同。蜜蜂只有兩個基因編碼類胰島素膚，兩種尚還是假設(shè)的胰島素/IGF-1受體。蜜蜂還有4種與線蟲同源的與長壽調(diào)節(jié)相關(guān)的基因，而果蠅只有一種?；蛟S，這些差異與一個傳統(tǒng)問題繁殖率和壽命之間的聯(lián)系問題有關(guān)。一般認為，繁殖率高(即新陳代謝快)的壽命短，但對于蜂群中的蜂王，同時擁有高繁殖率和長壽，這可作為研究胰島素/類胰島素生長因子信號可以延長壽命而又無負面影響于繁殖能力的一個很重要模型。

4．4 表皮形成系統(tǒng)及免疫和解毒系統(tǒng)

通過對基因組的研究發(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。

在蜜蜂身上的病原體有病毒、細菌、真菌和原生生物病原體及其它寄生蟲。由于蜜蜂處于一個比較擁擠的巢內(nèi)，容易受到病原體的侵害。但對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，這說明蜜蜂有新的免疫途徑，在蜜蜂個體水平上的免疫力是很弱的，只限于對一小群共同進化的病原體的免疫系統(tǒng)。

蜜蜂用于解毒的基因也比較少，所以對殺蟲劑很敏感。殺蟲劑是親脂型的，所以可以在巢房內(nèi)的親脂物質(zhì)(如蜂蠟和花粉液)上積累，使得巢脾成了殺蟲劑的累積器，最后影響蜂王產(chǎn)卵率和幼蟲發(fā)育。有些致死因子還能影響蜜蜂學習能力及對氣味的條件反應(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)象還存在爭論。對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RNA干擾體系必須的基因(sid-1)的同系物。在類SID-1基因數(shù)量上的不同可能與蜜蜂RNA干擾功效有關(guān)。對蜜蜂RNA干擾的第一次證明是在胚胎時期注入dsRNA，但只有15％表現(xiàn)出減弱目標基因表達的干擾效果，隨后將dsRNA注人到新的胚胎時，96％表現(xiàn)出突變異體。然而，對蜜蜂基因沉默的分子機制細節(jié)部分還沒有得到詳細的闡述，而且對昆蟲的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干擾核心機制有關(guān)的許多相似的蛋白上，如有兩個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，是存在于動物的DNA結(jié)合蛋白家族，許多發(fā)育和生殖過程都受其調(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，在成年蜜蜂中表達于特異的、高度可塑腦區(qū)，仍舊發(fā)揮調(diào)節(jié)大腦生長的相似功能。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，因為它們的生命過程中都存在變態(tài)(meta morphosis)環(huán)節(jié)，但是在蜜蜂基因組中發(fā)現(xiàn)一個果蠅基因組中不存在的基因。對于人類，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，但已首次證實此基因編碼的蛋白只在蜜蜂發(fā)育過程的復(fù)眼中存在。

6 蜜蜂發(fā)展史及群體遺傳學

通過對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起源于早期的全變態(tài)昆蟲的假說，挑戰(zhàn)了現(xiàn)在認為比甲蟲類分化晚的觀點。并且得出蜜蜂科的分科早于現(xiàn)今認為的時間，這些證據(jù)來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，蜜蜂的祖先與人類祖先一樣來自非洲?？茖W家們認為，最古老的蜜蜂來自撒哈拉沙漠以南，后來經(jīng)過兩次遷徒，逐步分布到歐亞大陸各個角落，并發(fā)生適合當?shù)貤l件的進化，但這兩次遷徒也發(fā)生在很久以前。17世紀以后才來到美洲，被稱為“一次外來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)觀點。

蜜蜂不僅具有重要的授粉利用價值，蜂產(chǎn)品亦為人類健康之友，更為重要的是蜜蜂具有驚人的學習、記憶、導航能力和復(fù)雜的社會性行為，蜜蜂已成為學習、記憶、導航等神經(jīng)生物學研究領(lǐng)域的良好模型，其復(fù)雜社會性行為的機制和應(yīng)對周圍環(huán)境的策略必將對人類社會的發(fā)展提供有益的啟迪。蜜蜂的免疫系統(tǒng)和長壽機制研究將為人類過敏、精神疾病、長壽及x染色體相關(guān)疾病的研究提供新的模型。蜜蜂基因組測序的完成標志著蜂學研究進入后基因組時代，基因功能和調(diào)控機制的研究將成為新熱點。

引自《中國蜂業(yè)》2007（4）

浙江大學 蔡芳 蘇松坤 鐘伯雄 陳盛祿