熊蜂生殖勞動分工的進化基礎

熊蜂生殖勞動分工的進化基礎

熊蜂和蜜蜂一樣屬于社會化昆蟲。作為植物和谷物的傳粉者，熊舌三是一個明確的分工和合作。不同形式的勞動分工存在于社會群體中,其中生殖勞動分工發(fā)生在雌性個體之間。在熊蜂群體中,蜂王主要負責產(chǎn)卵,而工蜂則從事維持蜂群生存和發(fā)展的一系列工作。與蜜蜂不同,熊蜂以單獨蜂王作為蜂群發(fā)展的起點,經(jīng)歷產(chǎn)卵、工蜂出房、群勢不斷壯大,到后期出現(xiàn)雄蜂以及新蜂王,預示著蜂群進入衰退階段。在工蜂出現(xiàn)之前,蜂王除了負責產(chǎn)卵,還負責筑巢、采食以及幼蟲的飼喂工作,而工蜂在蜂群發(fā)展后期,也會由于蜂王統(tǒng)治力的衰退逐漸顯現(xiàn)出產(chǎn)卵或者預產(chǎn)卵的行為。這種可塑性是社會性昆蟲勞動分工的關鍵特征之一(Robinson,1992),而生殖勞動分工的可塑性表現(xiàn)在級型發(fā)育的調(diào)節(jié)過程。級型發(fā)育通常不是遺傳上固定的,而是可接受外在環(huán)境因子調(diào)節(jié)的過程。級型發(fā)育的差異調(diào)節(jié)引起級型分化,最終導致生殖分工的發(fā)生(HartfelderandEngels,1998)。熊蜂以其在設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮的不可替代的授粉作用,以及復雜的社會結(jié)構和行為特征,目前已發(fā)展成為一種新的模式生物,用以探究昆蟲社會性、社會行為以及級型分化等。熊蜂級型分化指熊蜂受精卵或者雌性小幼蟲既可以發(fā)育為蜂王也可以發(fā)育為工蜂個體的現(xiàn)象。早在19世紀初,生物學家們就已經(jīng)提出了營養(yǎng)差異決定雌性蜜蜂幼蟲發(fā)育命運的觀點(MelampyandWillis,1939)。熊蜂級型分化的研究在國內(nèi)還未見報道,基于熊蜂的發(fā)育特征及近年來的國外研究結(jié)果表明營養(yǎng)供給、遺傳因子、內(nèi)分泌系統(tǒng)以及群體發(fā)展狀態(tài)等都可能影響熊蜂的級型發(fā)育(Amsalemetal.,2015)。本文圍繞熊蜂級型分化問題展開,著重討論熊蜂級型分化的可能機理,包括關鍵營養(yǎng)作用機制、群體作用機制和內(nèi)分泌調(diào)節(jié)的作用等。在此基礎上,我們對現(xiàn)有的研究進行了系統(tǒng)的總結(jié),并展望未來可能的研究方向。1蜂王和工蜂體型差異熊蜂幼蟲從孵化到停止供給飼喂,蜂王一般為18d,工蜂為15d;從預蛹階段到成蟲,蜂王發(fā)育時間也長于工蜂,蜂王一般為13d,而工蜂為10d(Cnaanietal.,2000a)。不考慮級型間的差異,以熊蜂幼蟲頭殼的寬度為依據(jù)(頭殼是幼蟲唯一硬化的部分,不隨體重的增加而改變,可以代表不同齡期的幼蟲大小)將幼蟲發(fā)育過程劃分為4個階段,即4個齡期。雌性幼蟲經(jīng)歷不同的發(fā)育時間,最終發(fā)育為蜂王或者工蜂,蜂王體重(1.3g)是工蜂(0.3g)的4倍之多(Cnaanietal.,1997)。用于描述真社會性昆蟲級型差異的一個重要特征是幼蟲發(fā)育過程中描述體型大小的雙峰分布圖(蜂王大于工蜂,沒有重疊的部分)或者是顯著的形態(tài)差異。不同種類熊蜂的蜂王和工蜂大小差異不同,體型發(fā)展分布可能是連續(xù)的,也可能出現(xiàn)雙峰(PlowrightandJay,1968)。歐洲熊蜂Bombusterrestris1和2齡幼蟲時期,蜂王和工蜂體型大小的分布完全重疊,從3齡幼蟲開始逐漸分離,直到4齡幼蟲,兩個級型的體型大小沒有重疊部分(Rue56eseler,1989;Cnaani,1998)。影響工蜂和蜂王體型差異懸殊的因素因熊蜂種類不同而有所差異,主要包括營養(yǎng)(飼喂食物種類、數(shù)量),工蜂/蜂王之間的矛盾沖突,群體發(fā)展的結(jié)果等(Goulson,2010)。歐洲熊蜂級型分化的關鍵時期是2齡幼蟲,此時幼蟲大概是5日齡。Cnaani等(2000a)將不同日齡的幼蟲從青年蜂群(利于工蜂發(fā)育的環(huán)境)移到無王蜂群(利于蜂王發(fā)育的環(huán)境),結(jié)果80%~100%的1-4日齡幼蟲發(fā)育為蜂王,而5日齡幼蟲50%發(fā)育為蜂王,其余發(fā)育為工蜂。而前人的研究則認為蜂王級型的決定時間更早,是3.5d而不是5d(Rue56eseler,1970,1976)。為了探索蜂王幼蟲逆轉(zhuǎn)為工蜂級型的時間,Cnaani(1998)將飼養(yǎng)在有利于蜂王發(fā)育環(huán)境的幼蟲(并有12頭有飼喂蜂王經(jīng)驗的老工蜂)轉(zhuǎn)移到適宜工蜂發(fā)展的環(huán)境(青年蜂群,全部為工蜂),發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的5日齡蜂王幼蟲中,只有30%的幼蟲發(fā)育為蜂王,而6日齡蜂王幼蟲發(fā)育為蜂王的數(shù)量高達60%。不同的研究結(jié)果可能是在關鍵時期決定級型分化的途徑不同造成的。2食物對級型分化的影響熊蜂和蜜蜂相似,幼蟲的整個發(fā)育過程基本處于不動狀態(tài),它們所需要的營養(yǎng)只能依靠工蜂飼喂提供。研究表明,蜜蜂的級型分化過程是一個差別飼喂過程,同樣,對于不同種類的熊蜂級型間體型差異的研究也說明這種結(jié)果可能是由飼喂蜂對幼蟲的飼喂頻率和飼喂總量不同造成的。對幼蟲飼喂頻率的增加,能夠?qū)е掠紫x向蜂王級型發(fā)育,而不充分的營養(yǎng)供給則使幼蟲發(fā)育為工蜂(PlowrightandJay,1977);同樣的研究表明,如果是工蜂幼蟲得到更豐富的營養(yǎng),也可以發(fā)育為蜂王(Rue56eseler,1989)。多數(shù)熊蜂種類的級型分化發(fā)生在幼蟲發(fā)育的最后時期,與食物存在一定關系,而歐洲熊蜂級型分化發(fā)生在幼蟲發(fā)育的早期階段,沒有直接的研究發(fā)現(xiàn)歐洲熊蜂級型分化與食物的相關作用。研究表明,隨著群體的發(fā)展壯大,歐洲熊蜂雌性幼蟲接受的飼喂時間逐漸增加,即第3批幼蟲比第1和第2批接受飼喂時間更長,然而,工蜂和蜂王幼蟲接受飼喂時間沒有顯著差異(Ribeiro,1999)。在幼蟲個體發(fā)育過程中飼喂頻率是不斷變化的,只有在幼蟲發(fā)育的最后階段,蜂王幼蟲接受飼喂的頻率比工蜂幼蟲更高(Ribeiroetal.,1999),這可能是級型分化的結(jié)果,因為歐洲熊蜂級型分化發(fā)生在幼蟲發(fā)育的較早階段,在幼蟲發(fā)育最后階段為了保障雌性個體的體型差異,而增加了蜂王幼蟲的飼喂頻率。有人推測出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是工蜂通過接收幼蟲饑餓信號來飼喂幼蟲,蜂王幼蟲由于其個體較大,食物新陳代謝可能較快,從而饑餓信號發(fā)出的頻率較高(Pereboometal.,2003)。在蜜蜂中,由于蜂王和工蜂幼蟲食物類型的差異導致級型分化的發(fā)生,說明食物類型可能是一個調(diào)節(jié)熊蜂級型的因子(Kamakura,2011)。Pereboom(2000)通過對熊蜂蜂王和工蜂幼蟲的食物進行比較,發(fā)現(xiàn)幼蟲3種主要食物(蔗糖、花粉和蛋白)在兩種級型間無顯著差異。導致這種結(jié)果的原因可能是研究的因素過于籠統(tǒng),如蜜蜂研究就細化到了食物中的微量元素、維生素、酶類等在兩種級型間的差異,因此,對于營養(yǎng)因素對熊蜂級型分化的影響還需要更精細的分析研究,最終才有可能探索出決定熊蜂級型分化的關鍵營養(yǎng)因子。3jh合成與蛻皮激素的關系激素平衡(hormonebalance)對于昆蟲變態(tài)至關重要(Wigglesworth,1954)。Shuel和Dixon(1960)將這一概念擴展到級型分化命題上來,并提出假設:早期幼蟲期建立的激素平衡差別可作為媒介因子將營養(yǎng)和級型分化聯(lián)系起來。保幼激素(JH)和蛻皮激素(Ecd)是很多昆蟲調(diào)節(jié)幼蟲發(fā)育的主要激素(NijhoutandWheeler,1982;Wheeler,1986;Hartfelderetal.,2015)。Wirtz和Beetsma(1972)首先證實對西方蜜蜂5日齡工蜂幼蟲體表施用JH或JH類似物能引起個體分化出蜂王特征,且當JH應用于4日齡和5日齡早期工蜂幼蟲時,JH表現(xiàn)出的蜂王誘導作用最為顯著。保幼激素和蛻皮激素除了能調(diào)節(jié)熊蜂行為和繁殖,還參與熊蜂幼蟲發(fā)育和級型分化。Cnaani等(1997)詳細研究了熊蜂幼蟲發(fā)育過程JH生物合成狀況,發(fā)現(xiàn)JH生物合成速率在工蜂整個幼蟲發(fā)育階段一直較低,而蜂王在這個生理過程出現(xiàn)兩個合成高峰。第1個合成高峰發(fā)生在1齡幼蟲中間時期,在1齡幼蟲期結(jié)束時下降到與工蜂水平一致。第2個峰值從2齡幼蟲發(fā)育的中間開始,在3齡幼蟲期結(jié)束時降低至與工蜂水平一致,4齡蜂王幼蟲JH水平與工蜂幼蟲持平。蜜蜂蜂王幼蟲血淋巴的JH滴度顯著高于工蜂幼蟲,尤其表現(xiàn)在分化的關鍵時間點,這表明級型分化過程中伴隨著嚴格的JH合成與代謝調(diào)節(jié)(HartfelderandEngels,1998)。熊蜂幼蟲血液JH滴度測定發(fā)現(xiàn)蜂王和工蜂幼蟲發(fā)育過程中血液的JH滴度與上述測定的合成速率存在很高的相關性(Cnaanietal.,2000b)。盡管沒有直接的試驗證明熊蜂蜂王幼蟲發(fā)育過程中第1個JH合成高峰是級型分化的關鍵時間點,但根據(jù)蜜蜂研究經(jīng)驗,可以將此峰值點作為熊蜂蜂王幼蟲的決定點,那么,第2個JH合成峰值就發(fā)生在幼蟲決定其向蜂王級型發(fā)育后。在鱗翅目昆蟲中,保幼激素能夠抑制促前胸腺素,最終導致蛻皮(Riddiford,1981)?？赡艿?個JH合成高峰將蛻皮延遲到了下一個蟲齡,結(jié)果導致蜂王幼蟲發(fā)育期延長,最終使蜂王得到更大的體型發(fā)育。蛻皮激素是另一種熊蜂蜂王和工蜂幼蟲之間存在顯著差異的激素。關于歐洲熊蜂幼蟲蛻皮激素的兩個研究,提供了幼蟲發(fā)育期間蛻皮激素滴度變化的完整圖像(Strambietal.,1984;Hartfelderetal.,2000)。在2齡幼蟲和3齡幼蟲中間有兩個清晰的高峰區(qū)。蜂王幼蟲的蛻皮激素滴度較工蜂幼蟲普遍偏高,但只在2齡幼蟲期與工蜂幼蟲差異顯著。出現(xiàn)峰值的原因可能是昆蟲預蛻皮時期需要的蛻皮激素增加。同樣地,在4齡幼蟲期出現(xiàn)的一個小峰值可能是預蛹期的決定點(Riddiford,1981)。與工蜂幼蟲相比,蜂王幼蟲的這個蛻皮激素的峰值一直持續(xù)到蜂王達到相應的體重,與齡期延長相一致,說明蛻皮激素的作用在于幼蟲體質(zhì)的改變。最后,在預蛹階段有一個更大的蛻皮激素滴度峰值,作用可能是誘導蛹化。這個峰值在蜂王發(fā)育過程中推遲,直到蜂王幼蟲達到蛹化的合適體重,這與蜂王和工蜂的體型差異相一致。保幼激素和蛻皮激素在蜂王和工蜂幼蟲發(fā)育過程中的差異是同步的,二者之間可能存在相互作用(Hartfelderetal.,2000)。迄今為止,只有少數(shù)研究試圖確定參與熊蜂級型分化的相關基因。Pereboom等(2005)采用消減雜交技術(subtractivehybridization)鑒定了12個在蜂王和工蜂早期和晚期蟲齡間差異表達的基因,由于差異基因較少,不能掌握級型分化的機制,但是,發(fā)現(xiàn)這些差異基因中有一些基因參與營養(yǎng)儲存和代謝,其中有4個基因(hexamerin,ATP-synthasebetasubunit,CytochromeOxidaseI和LarvalCuticleProtein)在蜜蜂級型分化中也存在差異表達現(xiàn)象。Kodaira等(2009)發(fā)現(xiàn)Bifor基因表達取決于紅光熊蜂B.ignitus個體大小,其表達水平與行為級型分化相關聯(lián)。4工蜂群產(chǎn)與組織結(jié)構熊蜂新一代蜂王的出現(xiàn)發(fā)生在群體發(fā)展末期,與蜂王、工蜂雄性生殖沖突發(fā)生的關系密切(DuchateauandVelthuis,1988;Cnaanietal.,2000a)。蜂王和工蜂擁有各自認為的最佳出現(xiàn)處女王的時間,為群體沖突提供了基礎。蜜蜂中工蜂存在親屬優(yōu)惠、辨認和相互監(jiān)督的現(xiàn)象(吳小波等,2008),而熊蜂的蜂王和工蜂在產(chǎn)生雌性個體時間上也存在競爭和相互作用(BourkeandRatnieks,1999)。從幼蟲生存及發(fā)展環(huán)境看,蜂王、工蜂以及發(fā)育的雌性幼蟲是決定幼蟲命運的操控者。蜂王可能通過改變卵子類型調(diào)節(jié)級型分化,例如,通過營養(yǎng)的儲量和影響基因表達的分子因素的調(diào)整改變卵母細胞的組成。蜂王還可能通過調(diào)節(jié)工蜂對幼蟲的照顧行為間接地影響幼蟲發(fā)育。工蜂作為幼蟲主要的飼喂者,可能通過調(diào)節(jié)幼蟲營養(yǎng),如飼喂量、營養(yǎng)豐富度以及內(nèi)源性影響因子等,影響甚至改變幼蟲發(fā)育的最終級型(Amsalemetal.,2015)。實驗證明群體效應對級型分化也有一定的影響。將青年蜂群產(chǎn)的卵(一般情況這種卵發(fā)育為工蜂)轉(zhuǎn)移到距離競爭點開始前5d的宿主群體,這些卵發(fā)育為工蜂,而轉(zhuǎn)移到接近競爭點的群體這些卵則發(fā)育為蜂王(Cnaanietal.,2000a)。Alaux等(2005)將幼蟲與20頭青年工蜂分別與青年蜂王和年老蜂王放在一起,發(fā)現(xiàn)與青年蜂王一起的幼蟲發(fā)育為工蜂,與年老蜂王一起的幼蟲發(fā)育為蜂王。早期關于歐洲熊蜂級型分化的假說是蜂王在群體起初始段能夠通過信息素控制幼蟲發(fā)育為工蜂,隨著群體的發(fā)展,這種信息素的作用減弱,幼蟲發(fā)育途徑因此切換成為蜂王發(fā)育途徑(Rue56eseler,1970,1976,1989)。Rue56eseler(1970)將幼蟲與蜂王隔離,與工蜂一起飼養(yǎng),幼蟲發(fā)育為蜂王,反之,如果利用隔王柵與蜂王隔開(工蜂可以在隔室之間來回穿行),幼蟲發(fā)育為工蜂;將一些工蜂每24h在有王和無王隔室(兩個隔室完全分離)進行調(diào)換,無王群隔室的幼蟲依然發(fā)育為蜂王。作者得出結(jié)論:蜂王能夠產(chǎn)生一種信息素影響工蜂行為,指導工蜂將幼蟲飼喂成為工蜂或者蜂王,這種信息素不能通過工蜂傳遞。以上實驗說明,信息素調(diào)節(jié)至少是歐洲熊蜂級型分化調(diào)節(jié)因素之一,但是這種信息素來源于自然還是腺體尚未知曉,可能蜂王添加一些分泌物給發(fā)育的幼蟲,或者至少在發(fā)育的幼蟲的蠟杯上留下了分泌物。青年群體中,放入年老蜂王,雌性個體產(chǎn)生量增加;年老群體中,放入青年蜂王,依舊產(chǎn)生蜂王?？赡茉谶@種情況下,來自年老群體的工蜂經(jīng)歷了不可逆的變化,使它們對于蜂王信息素反應不敏感,或者大量的工蜂向蜂王發(fā)出群體處于晚期階段的發(fā)展趨勢的信號,誘導蜂王改變信息素的輸出。后者解釋與早期的發(fā)現(xiàn)相一致,成倍數(shù)量的工蜂加速了處女王的產(chǎn)生(Bloch,1999)。從雌性產(chǎn)生與競爭階段開啟兩者之間的相關性得出了更進一步的結(jié)論,相同的信息素能夠抑制新蜂王產(chǎn)生和工蜂產(chǎn)卵,蜂王停止產(chǎn)生信息素標志著失去