熊蜂生殖勞動(dòng)分工的進(jìn)化基礎(chǔ)

熊蜂生殖勞動(dòng)分工的進(jìn)化基礎(chǔ)

熊蜂和蜜蜂一樣屬于社會(huì)化昆蟲。作為植物和谷物的傳粉者，熊舌三是一個(gè)明確的分工和合作。不同形式的勞動(dòng)分工存在于社會(huì)群體中,其中生殖勞動(dòng)分工發(fā)生在雌性個(gè)體之間。在熊蜂群體中,蜂王主要負(fù)責(zé)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(dú)蜂王作為蜂群發(fā)展的起點(diǎn),經(jīng)歷產(chǎn)卵、工蜂出房、群勢(shì)不斷壯大,到后期出現(xiàn)雄蜂以及新蜂王,預(yù)示著蜂群進(jìn)入衰退階段。在工蜂出現(xiàn)之前,蜂王除了負(fù)責(zé)產(chǎn)卵,還負(fù)責(zé)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(huì)由于蜂王統(tǒng)治力的衰退逐漸顯現(xiàn)出產(chǎn)卵或者預(yù)產(chǎn)卵的行為。這種可塑性是社會(huì)性昆蟲勞動(dòng)分工的關(guān)鍵特征之一(Robinson,1992),而生殖勞動(dòng)分工的可塑性表現(xiàn)在級(jí)型發(fā)育的調(diào)節(jié)過程。級(jí)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(jí)型發(fā)育的差異調(diào)節(jié)引起級(jí)型分化,最終導(dǎo)致生殖分工的發(fā)生(HartfelderandEngels,1998)。熊蜂以其在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮的不可替代的授粉作用,以及復(fù)雜的社會(huì)結(jié)構(gòu)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(huì)性、社會(huì)行為以及級(jí)型分化等。熊蜂級(jí)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(gè)體的現(xiàn)象。早在19世紀(jì)初,生物學(xué)家們就已經(jīng)提出了營(yíng)養(yǎng)差異決定雌性蜜蜂幼蟲發(fā)育命運(yùn)的觀點(diǎn)(MelampyandWillis,1939)。熊蜂級(jí)型分化的研究在國(guó)內(nèi)還未見報(bào)道,基于熊蜂的發(fā)育特征及近年來的國(guó)外研究結(jié)果表明營(yíng)養(yǎng)供給、遺傳因子、內(nèi)分泌系統(tǒng)以及群體發(fā)展?fàn)顟B(tài)等都可能影響熊蜂的級(jí)型發(fā)育(Amsalemetal.,2015)。本文圍繞熊蜂級(jí)型分化問題展開,著重討論熊蜂級(jí)型分化的可能機(jī)理,包括關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)作用機(jī)制、群體作用機(jī)制和內(nèi)分泌調(diào)節(jié)的作用等。在此基礎(chǔ)上,我們對(duì)現(xiàn)有的研究進(jìn)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(yù)蛹階段到成蟲,蜂王發(fā)育時(shí)間也長(zhǎng)于工蜂,蜂王一般為13d,而工蜂為10d(Cnaanietal.,2000a)。不考慮級(jí)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(gè)階段,即4個(gè)齡期。雌性幼蟲經(jīng)歷不同的發(fā)育時(shí)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(huì)性昆蟲級(jí)型差異的一個(gè)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(shí)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(gè)級(jí)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(yíng)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(jí)型分化的關(guān)鍵時(shí)期是2齡幼蟲,此時(shí)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(rèn)為蜂王級(jí)型的決定時(shí)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(jí)型的時(shí)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(yàn)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(dá)60%。不同的研究結(jié)果可能是在關(guān)鍵時(shí)期決定級(jí)型分化的途徑不同造成的。2食物對(duì)級(jí)型分化的影響熊蜂和蜜蜂相似,幼蟲的整個(gè)發(fā)育過程基本處于不動(dòng)狀態(tài),它們所需要的營(yíng)養(yǎng)只能依靠工蜂飼喂提供。研究表明,蜜蜂的級(jí)型分化過程是一個(gè)差別飼喂過程,同樣,對(duì)于不同種類的熊蜂級(jí)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(duì)幼蟲的飼喂頻率和飼喂總量不同造成的。對(duì)幼蟲飼喂頻率的增加,能夠?qū)е掠紫x向蜂王級(jí)型發(fā)育,而不充分的營(yíng)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(yíng)養(yǎng),也可以發(fā)育為蜂王(Rue56eseler,1989)。多數(shù)熊蜂種類的級(jí)型分化發(fā)生在幼蟲發(fā)育的最后時(shí)期,與食物存在一定關(guān)系,而歐洲熊蜂級(jí)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(jí)型分化與食物的相關(guān)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(shí)間逐漸增加,即第3批幼蟲比第1和第2批接受飼喂時(shí)間更長(zhǎng),然而,工蜂和蜂王幼蟲接受飼喂時(shí)間沒有顯著差異(Ribeiro,1999)。在幼蟲個(gè)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(jí)型分化的結(jié)果,因?yàn)闅W洲熊蜂級(jí)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(gè)體的體型差異,而增加了蜂王幼蟲的飼喂頻率。有人推測(cè)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(hào)來飼喂幼蟲,蜂王幼蟲由于其個(gè)體較大,食物新陳代謝可能較快,從而饑餓信號(hào)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(dǎo)致級(jí)型分化的發(fā)生,說明食物類型可能是一個(gè)調(diào)節(jié)熊蜂級(jí)型的因子(Kamakura,2011)。Pereboom(2000)通過對(duì)熊蜂蜂王和工蜂幼蟲的食物進(jìn)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(jí)型間無顯著差異。導(dǎo)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(xì)化到了食物中的微量元素、維生素、酶類等在兩種級(jí)型間的差異,因此,對(duì)于營(yíng)養(yǎng)因素對(duì)熊蜂級(jí)型分化的影響還需要更精細(xì)的分析研究,最終才有可能探索出決定熊蜂級(jí)型分化的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)因子。3jh合成與蛻皮激素的關(guān)系激素平衡(hormonebalance)對(duì)于昆蟲變態(tài)至關(guān)重要(Wigglesworth,1954)。Shuel和Dixon(1960)將這一概念擴(kuò)展到級(jí)型分化命題上來,并提出假設(shè):早期幼蟲期建立的激素平衡差別可作為媒介因子將營(yíng)養(yǎng)和級(jí)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(shí)對(duì)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(gè)體分化出蜂王特征,且當(dāng)JH應(yīng)用于4日齡和5日齡早期工蜂幼蟲時(shí),JH表現(xiàn)出的蜂王誘導(dǎo)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(jí)型分化。Cnaani等(1997)詳細(xì)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(gè)幼蟲發(fā)育階段一直較低,而蜂王在這個(gè)生理過程出現(xiàn)兩個(gè)合成高峰。第1個(gè)合成高峰發(fā)生在1齡幼蟲中間時(shí)期,在1齡幼蟲期結(jié)束時(shí)下降到與工蜂水平一致。第2個(gè)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(shí)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(guān)鍵時(shí)間點(diǎn),這表明級(jí)型分化過程中伴隨著嚴(yán)格的JH合成與代謝調(diào)節(jié)(HartfelderandEngels,1998)。熊蜂幼蟲血液JH滴度測(cè)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(cè)定的合成速率存在很高的相關(guān)性(Cnaanietal.,2000b)。盡管沒有直接的試驗(yàn)證明熊蜂蜂王幼蟲發(fā)育過程中第1個(gè)JH合成高峰是級(jí)型分化的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn),但根據(jù)蜜蜂研究經(jīng)驗(yàn),可以將此峰值點(diǎn)作為熊蜂蜂王幼蟲的決定點(diǎn),那么,第2個(gè)JH合成峰值就發(fā)生在幼蟲決定其向蜂王級(jí)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(dǎo)致蛻皮(Riddiford,1981)?？赡艿?個(gè)JH合成高峰將蛻皮延遲到了下一個(gè)蟲齡,結(jié)果導(dǎo)致蜂王幼蟲發(fā)育期延長(zhǎng),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(guān)于歐洲熊蜂幼蟲蛻皮激素的兩個(gè)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(gè)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(yù)蛻皮時(shí)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(gè)小峰值可能是預(yù)蛹期的決定點(diǎn)(Riddiford,1981)。與工蜂幼蟲相比,蜂王幼蟲的這個(gè)蛻皮激素的峰值一直持續(xù)到蜂王達(dá)到相應(yīng)的體重,與齡期延長(zhǎng)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(yù)蛹階段有一個(gè)更大的蛻皮激素滴度峰值,作用可能是誘導(dǎo)蛹化。這個(gè)峰值在蜂王發(fā)育過程中推遲,直到蜂王幼蟲達(dá)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(jí)型分化的相關(guān)基因。Pereboom等(2005)采用消減雜交技術(shù)(subtractivehybridization)鑒定了12個(gè)在蜂王和工蜂早期和晚期蟲齡間差異表達(dá)的基因,由于差異基因較少,不能掌握級(jí)型分化的機(jī)制,但是,發(fā)現(xiàn)這些差異基因中有一些基因參與營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存和代謝,其中有4個(gè)基因(hexamerin,ATP-synthasebetasubunit,CytochromeOxidaseI和LarvalCuticleProtein)在蜜蜂級(jí)型分化中也存在差異表達(dá)現(xiàn)象。Kodaira等(2009)發(fā)現(xiàn)Bifor基因表達(dá)取決于紅光熊蜂B.ignitus個(gè)體大小,其表達(dá)水平與行為級(jí)型分化相關(guān)聯(lián)。4工蜂群產(chǎn)與組織結(jié)構(gòu)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(guān)系密切(DuchateauandVelthuis,1988;Cnaanietal.,2000a)。蜂王和工蜂擁有各自認(rèn)為的最佳出現(xiàn)處女王的時(shí)間,為群體沖突提供了基礎(chǔ)。蜜蜂中工蜂存在親屬優(yōu)惠、辨認(rèn)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(gè)體時(shí)間上也存在競(jìng)爭(zhēng)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(yùn)的操控者。蜂王可能通過改變卵子類型調(diào)節(jié)級(jí)型分化,例如,通過營(yíng)養(yǎng)的儲(chǔ)量和影響基因表達(dá)的分子因素的調(diào)整改變卵母細(xì)胞的組成。蜂王還可能通過調(diào)節(jié)工蜂對(duì)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(yíng)養(yǎng),如飼喂量、營(yíng)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(jí)型(Amsalemetal.,2015)。實(shí)驗(yàn)證明群體效應(yīng)對(duì)級(jí)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(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)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(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)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(guān)于歐洲熊蜂級(jí)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(gè)隔室完全分離)進(jìn)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)說明,信息素調(diào)節(jié)至少是歐洲熊蜂級(jí)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(gè)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(duì)于蜂王信息素反應(yīng)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(shì)的信號(hào),誘導(dǎo)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(jìng)爭(zhēng)階段開啟兩者之間的相關(guān)性得出了更進(jìn)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(biāo)志著失去