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蜜蜂级型分化机理_李文峰

蜜蜂级型分化机理_李文峰
蜜蜂级型分化机理_李文峰

昆虫学报Acta Entomologica Sinica ,February 2014,

57(2):248-256ISSN 0454-6296

基金项目:现代农业产业技术体系建设专项(CARS-45-KXJ3);国家自然科学基金项目(31340061)作者简介:李文峰,男,

1985年7月生,湖北鄂州人,博士研究生,研究方向为蜜蜂发育生物学,E-mail :liwenfeng_000@163.com *

通讯作者Corresponding author ,E-mail :susongkun@zju.edu.cn 收稿日期Received :2013-11-27;接受日期Accepted :2014-01-13蜜蜂级型分化机理

李文峰1,钟伯雄1,苏松坤

1,2,*

(1.浙江大学动物科学学院,杭州310052;2.福建农林大学蜂学学院,福州350002)

摘要:蜜蜂Apis spp.能有效地为多种植物及农作物授粉,具有重要的经济和生态价值;蜜蜂作为高度真社会性昆虫,已成为社会生物学研究的模式生物。社会性昆虫的生殖劳动分工具有重要的进化意义,而级型分化是形成生殖劳动分工的基础。近年来,关于蜜蜂级型分化的研究已取得诸多重要成果,其机理也得到了较为深入的阐释。

营养差异引发蜜蜂幼虫的级型分化。蜂王浆中的主要蛋白组分之一—

——Royalactin 是诱导蜂王发育的关键营养因子,而脂肪体细胞的表皮生长因子受体介导了Royalactin 的这种蜂王诱导作用。DNA 甲基化是重要的表观遗传机制之一,且与个体发育和疾病发生紧密相关,近来的研究表明DNA 甲基化在蜜蜂级型分化过程中发挥重要的调控作用。此外,越来越多的研究进一步深化了人们对内分泌系统调节级型分化作用的认识。本文从关键营养因子调控、表观遗传调控和内分泌调节3方面综述蜜蜂级型分化的机理,并对未来的研究提出可能的方向。关键词:蜜蜂;级型分化;营养因子;Royalactin ;表观遗传机制;DNA 甲基化;内分泌调节

中图分类号:Q965文献标识码:A 文章编号:0454-

6296(2014)02-0248-09Mechanisms of caste differentiation in honey bees

LI Wen-Feng 1,ZHONG Bo-Xiong 1,SU Song-Kun 1,2,*

(1.College of Animal Sciences ,Zhejiang

University ,Hangzhou 310052,China ;2.College of Bee Science ,Fujian Agriculture and Forestry University ,Fuzhou 350002,China )

Abstract :Because of the efficient pollination for many natural plants and crops ,honey bees (Apis spp.)are of great value in economy and ecology.As a highly eusocial insect ,the honey bee has become a model organism in sociobiology.The reproductive division of labor ,based on the caste differentiation in social insects is of great significance in evolution.Many important findings about honey bee caste differentiation have been obtained in recent years ,and the mechanisms underpinning this process were well elucidated.Different nutritional stimuli trigger the caste differentiation of honey bee larvae.Royalactin ,a major protein component of royal jelly ,is found to be the key nutritional factor inducing queen development.The queen inducing function of royalactin is mediated by the epidermal growth factor receptors (Egfr )in fat body cells.DNA methylation ,one of the important epigenetic mechanisms ,is associated with the development and disease of vertebrates.Recently ,it is evident that DNA methylation is also involved into the regulation of honey bee caste differentiation.Moreover ,more and more findings

have deepened people ’

s understanding of the important regulation roles of endocrine system in the caste differentiation.In this article ,we reviewed the mechanisms of honey bee caste differentiation from three aspects ,i.e .,the key nutritional factors ,epigenetic regulation ,and endocrine modulation.We also proposed several directions for future studies in this area.

Key words :Honey bee ;caste differentiation ;nutritional factor ;royalactin ;epigenetic mechanisms ;DNA methylation ;endocrinal regulation

社会性昆虫,如白蚁(termites )、胡蜂(wasps )、蚂蚁(ants )、蜜蜂(bees )等之所以能取得生态上的巨大成功,其高效而精细的劳动分工(division of labor )发挥了关键的作用(Wilson ,1985)。对于高

度真社会性昆虫,不同形式的劳动分工存在于社会群体中,其中生殖劳动分工(reproductive division of labor )发生在雌性个体之间。以西方蜜蜂Apis mellifera 为例,在雌性蜜蜂的两种级型中,蜂王专

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司产卵,而工蜂则从事维持蜂群生存和发展等一系列工作,基本不参与生殖(Wilson,1971)。可塑性(plasticity)是社会性昆虫劳动分工的关键特征之一(Robinson,1992),而生殖劳动分工的可塑性表现在级型发育的调节过程。级型发育通常不是遗传上固定的,而是可接受外在环境因子调节的过程。级型发育的差异调节引起级型分化,最终导致生殖分工的发生(Hartfelder and Engels,1998)。

蜜蜂广泛分布于全世界,在为农作物授粉方面发挥着重要作用,具有极高的经济和生态价值。同时,蜜蜂具有复杂而精细的社会结构和丰富多样的行为特征,目前已发展成为一种新的模式生物,用以探究昆虫社会性、社会行为以及级型分化等(Dearden et al.,2009)。蜜蜂级型分化具体是指蜜蜂受精卵或雌性蜜蜂小幼虫既可发育为可育的蜂王个体也可成为不可育的工蜂个体的现象。早在19世纪初,生物学家们就已经提出了营养差异决定雌性蜜蜂幼虫发育命运的观点(Melampy and Willis,1939)。人们对级型分化现象的探索始终围绕着两个核心问题进行:1)引发级型分化的营养因子是什么;2)级型发育的调节是通过哪些途径实现的(Shuel and Dixon,1960)。近年来的研究发现并证实了该关键营养因子的存在,同时从表观遗传学角度阐述了级型发育的调节机理,而且进一步揭示了内分泌系统在级型分化过程中的作用。本文围绕蜜蜂级型分化问题展开,着重讨论蜜蜂级型分化的机理,包括关键营养因子及其作用机制、表观遗传学机制和内分泌调节的作用等。在此基础上,我们对现有的研究做了系统的总结,并展望未来可能的研究方向。

1诱导蜜蜂级型分化的关键营养因子

1.1差别饲喂

蜜蜂幼虫在整个发育过程中基本处于不动的状态,因此它们所需的营养只能单纯由哺育蜂饲喂提供。事实上,级型分化过程也是一个差别饲喂的过程(Barchuk et al.,2007)。具体情形是,哺育蜂分泌大量的蜂王浆(royal jelly,RJ)并持续饲喂给蜂王幼虫,直到幼虫期结束;相对地,工蜂幼虫只在前3日龄得到充足的食物,即同样由哺育蜂分泌且与蜂王浆类似的工蜂浆(worker jelly,WJ),而之后取食有限的经修饰过的工蜂浆(modified WJ)———除了腺体分泌物外,还加入蜂蜜和花粉。因此,蜂王和工蜂幼虫获得不同的营养,不仅食物总量差别悬殊,而且食物组分也不同,其中组分差异主要体现在3日龄以后的食物上(Shuel and Dixon,1960;Haydak,1970)。然而,幼虫培养实验证明食物量的不同仅仅增强了级型发育间的差异,而食物组分的差别才是引发级型分化的根本原因(Weaver,1955,1966;Shuel and Dixon,1960)。

1.2食物组分差异与级型分化的关系

比较分析蜂王食物(蜂王浆)和工蜂食物的化学组成发现,二者在主要成分如水分、糖类、蛋白质和脂类等,以及微量成分如生物蝶呤、B族维生素等均存在显著差异(Shuel and Dixon,1960;Haydak,1970)。Asencot和Lensky(1976,1988)进一步研究表明,向以工蜂浆为基础的食物配方中添加葡萄糖和果糖以提高食物的糖分含量,能获得更高比例的蜂王个体;储存的蜂王浆易产生糖分结晶,向其中添加与结晶等量的葡萄糖和果糖也能提高蜂王出房比例,究其原因,糖分发挥着诱食剂的作用,增加食物的糖分含量能提高幼虫进食率和发育速率。然而,糖分并非引发级型分化的关键因素,而是起到辅助和增强分化过程的作用。10-羟基-癸烯酸(10-hydroxy-2-decenoic acid,10-HDA)是蜜蜂幼虫食物中的特有成分,由哺育蜂上颚腺分泌而来,且蜂王浆中的10-HDA含量显著高于工蜂幼虫食物(Barker et al.,1959)。表观遗传调控是蜜蜂级型分化的重要机制之一(Kucharski et al.,2008),细胞学研究证实,10-HDA具有组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histone deacetylase inhibitor,HDACi)活性,因此,蜂王发育的表观遗传调控可能由蜂王浆中的10-HDA引发(Spannhoff et al.,2011),但目前仍缺乏这方面的直接证据。MicroRNAs(miRNAs)是一类长度约22nt的内源性非编码RNA,能够在转录后水平对基因表达产生负调控作用(Bartel,2004)。miRNAs在生命活动具有广泛而重要的功能,例如影响动植物生长发育、表观遗传、疾病发生等(Esquela-Kerscher and Slack,2006;Rassoulzadegan et al.,2006;Bartel,2009)。利用高通量测序技术检测蜜蜂幼虫食物中的miRNAs发现,无论是来自东方蜜蜂Apis cerana的蜂王浆,还是西方蜜蜂的蜂王浆,都含有丰富的miRNAs,且两种蜂王浆的miRNAs在种类和丰度上都存在显著差异;使用这两种miRNAs异质性的蜂王浆分别培养西方蜜蜂幼虫能引发不同的基因表达结果(Shi et al.,2012);同样地,在西方蜜蜂工蜂幼虫食物中也检测到大量

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miRNAs,而且其miRNAs种类数和丰度均显著高于同物种蜂王浆的miRNAs;向蜂王浆中人为添加某些在工蜂浆中显著高表达的miRNAs(如miR-184)能影响所培养幼虫的基因表达以及出房后的形态特征,但并不能完全改变幼虫的发育轨迹(Guo et al.,2013)。总之,关于幼虫食物的miRNAs能在多大程度上影响蜜蜂级型分化过程,目前尚无定论。其他差异成分对蜜蜂级型分化均无显著影响(Hartfelder and Engels,1998),其可能仅仅作为维持幼虫发育的基本营养物质,或发挥其他方面的功能。

1.3Royalactin蛋白与蜂王发育

1.3.1Royalactin诱导蜂王发育的作用:蜂王浆成分十分复杂,不利于从其中直接寻找决定级型分化的关键营养因子,因此,对蜂王浆进行分部分析不失为一种可行的选择(Rembold et al.,1974)。对蜂王浆进行透析处理后,将析出物划分为若干组分,然后分别探索各组分对蜂王发育的影响,结果表明其中某一组分对蜂王发育是必需的,向蜂王浆的剩余部分添加高浓度的该组分并以此培养蜜蜂幼虫,能获得更多的蜂王个体;另外,这一组分在哺育蜂头部组织中也被检测到,且十分不稳定(Weaver,1966)。此外,蜂王浆在储存过程中也表现出化学组成不稳定性,其57kDa蛋白(也称王浆主蛋白1,MRJP1)随着储存温度上升和储存时间延长而成比例降解,但10-HDA和其他几种维生素在不同储存条件下仍表现稳定,因此认为57kDa蛋白可作为一种评价蜂王浆新鲜度的指标(Kamakura et al.,2001a,2011)。57kDa蛋白还显示出显著的体外生理效应,如促进肝脏再生等(Kamakura et al.,2001b),但更有趣的是其与蜜蜂级型分化的密切关系———Royalactin(即57kDa蛋白)能诱导蜂王的发育(Kamakura,2011)。选择40?下储存30d的蜂王浆(此时Royalactin已完全降解)作为基础食物培养蜜蜂幼虫,当向该食物中分别添加2%分离自蜂王浆的Royalactin或者通过原核表达生产的Royalactin时,实验培养所得个体均为蜂王,且与使用新鲜蜂王浆培养的结果一致;而等量添加酪蛋白或不添加其他成分的对照组只得到工蜂个体。并且,Royalactin诱导蜜蜂级型分化的能力与其在食物中的含量成正相关(Kamakura,2011)。

1.3.2Royalactin诱导蜂王发育的分子机理:由于蜜蜂本身不具备成熟的遗传操作工具,直接探索Royalactin诱导蜂王发育的分子机制显得十分困难。而另一方面,黑腹果蝇Drosophila melanogaster作为经典的遗传学模式生物,在遗传操作方面具有先天优势,并已开发出多种多样的突变体。那么,若希望利用果蝇模型探究Royalactin作用的分子机制,则须查明Royalactin能否对果蝇发育产生类似于影响蜂王发育的效果。实验证明Royalactin的确能影响果蝇发育。在基础食物中添加Royalactin可以显著缩短果蝇幼虫发育时间,增大成年个体的体积,提高雌蝇的繁殖力,以及延长其寿命等,这些效应与诱导蜂王发育过程基本一致,因此,证明可以利用果蝇模型探索Royalactin诱导级型分化的分子机制(Kamakura,2011)。借助于果蝇突变体研究发现,Royalactin(或蜂王浆)通过脂肪体细胞表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,Egfr)介导的信号通路影响果蝇发育并产生上述一系列表型;RNA干扰(RNA interference,RNAi)抑制蜜蜂幼虫Egfr基因的表达则显著减小了出房个体的初生重和卵巢体积而延长了发育时间,由此表明,与果蝇相似,Royalactin通过Egfr介导的信号通路诱导蜂王发育(Kamakura,2011)。

2蜜蜂级型分化的表观遗传学机制

广义上讲,表观遗传学(epigenetics)研究的是不改变DNA序列而影响某一基因位点或者染色体的最终表达结果的现象(Goldberg et al.,2007)。DNA甲基化(DNA methylation)及组蛋白修饰(histone modification)是最重要的表观遗传机制之一,且与个体发育和疾病发生紧密关联(Jones and Baylin,2002;Dawson and Kouzarides,2012)。

2.1蜜蜂的DNA甲基化系统

DNA甲基化现象普遍存在于动物界中,而不同动物的基因组DNA甲基化水平和模式差别明显(Bird,2002)。哺乳动物有完善的DNA甲基化系统和高水平的基因组甲基化,且5-甲基胞嘧啶(m5C)分散存在于基因组的大部分区域(Bird,2002)。相对地,果蝇表现出十分有限的甲基化,仅在胚胎发育早期检测到相对显著的基因组甲基化水平,且DNA甲基化大多数发生在CpT二核苷酸而不是哺乳动物中常见的CpG二核苷酸上(Lyko et al.,2000),这归因于果蝇仅有唯一的DNA甲基转移酶家族成员dDNMT2(Kunert et al.,2003)。蜜蜂基因组测序工作的完成极大地促进了蜜蜂生物学的发展(The Honeybee Genome Sequencing Consortium,

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2006),同时有利于从全基因组层面探索和发掘蜜蜂的DNA甲基化系统。与果蝇不同,蜜蜂具有和哺乳动物类似的全功能DNA甲基化系统(Wang et al.,2006;Schaefer and Lyko,2007)。除了Dnmt2之外,从蜜蜂基因组中还发现有负责从头甲基化(de novo methylation)的Dnmt3直系同源物———AmDnmt3,以及参与维持甲基化(maintenance methylation)的直系同源物———AmDnmt1a和AmDnmt1b。此外,蜜蜂还有与甲基化DNA结合域(methyl-DNA binding domain,MBD)蛋白家族同源的基因,其可变剪接体之一———AmMBD-l包含MBD的高度保守氨基酸残基,同时在体外能与甲基化DNA互作(Wang et al.,2006)。上述研究表明蜜蜂具有完善的DNA甲基化系统,该系统为蜜蜂发育调控提供了强大的表观遗传工具。

2.2DNA甲基化调控蜜蜂级型分化

Shuel和Dixon(1960)指出雌性蜜蜂二态性(dimorphism)的建立不是由遗传决定的,而是一个表观遗传过程,营养是控制蜜蜂级型表达的主要环境外因。研究证实环境因子(如食物等)可借助于表观遗传机制改变基因表达而调控哺乳动物个体发育及疾病发生(Jaenisch and Bird,2003;Vercelli,2004;Feil,2006),这种环境与基因之间的互作机制在非脊椎动物中也较为常见,如蜜蜂(Kucharski et al.,2008;Maleszka,2008)。Kucharski等(2008)通过沉默雌性蜜蜂小幼虫的DNA甲基化,获得了与营养影响早期幼虫发育命运的类似效果。与对照组相比,抑制刚孵化幼虫的Dnmt3基因表达使大多数幼虫转而发育为具有完全发育卵巢的蜂王个体。dynactin p62基因已证实在蜜蜂幼虫发育过程中被差异甲基化(Wang et al.,2006),以该基因为例验证沉默Dnmt3基因表达引起的基因序列甲基化改变,结果表明Dnmt3基因表达沉默的个体,dynactin p62基因甲基化水平显著降低,这与自然蜂群内蜂王幼虫基因甲基化水平显著低于工蜂幼虫的事实保持一致(Kucharski et al.,2008)。伴随着Dnmt3基因表达沉默,幼虫体内Dnmt3酶活性也显著降低;同时,除了卵巢完全发育之外,出房个体其他形态指标也向着蜂王方向发生改变(石元元等,2011)。对幼虫取食蜂王浆的时间进行人为控制,随着取食蜂王浆时间延长,幼虫Dnmt3酶活性、Dnmt3基因表达量和dynactin p62基因甲基化水平都逐渐降低,而蜂王个体比例逐步提高,这进一步印证了此前的结论(Shi et al.,2011)。Egfr基因介导Royalactin发挥蜂王诱导作用,事实上,Egfr基因同样发生了DNA甲基化,并且幼虫个体无论是实验室培养,还是自然蜂群培育所得,蜂王幼虫Egfr基因的甲基化水平均显著低于工蜂幼虫(Kamakura,2011)。

了解基因组甲基化模式(genomic methylation patterns)对于评价DNA甲基化在蜜蜂中的作用及意义显得尤为重要(Wang et al.,2006;Kucharski et al.,2008)。根据CpG二核苷酸在序列中含量不同,蜜蜂基因可分为两类———低CpG基因和高CpG 基因(Elango et al.,2009)。低CpG基因在生殖系(germline)中呈现超甲基化(hypermethylated),并富集到基本生物学过程相关功能中;而高CpG基因在生殖系中呈现次甲基化(hypomethylated),并富集到发育过程相关功能中,表明DNA甲基化与蜜蜂发育密切相关。另外,对已知级型分化过程差异表达基因的分析发现,这些基因中绝大多数都属于高CpG基因类别,进一步表明DNA甲基化等表观修饰与蜜蜂级型形成紧密关联(Elango et al.,2009)。联合甲基化组(methylome)和转录组(transcriptome)进行研究能够在基因组范围把握DNA甲基化对相关生物学过程的表观调控作用。对蜜蜂级型分化过程比较研究发现,蜂王和工蜂幼虫头部的差异甲基化基因(differentially methylated genes,DMGs)数量远高于成年蜂脑部的DMGs(2399vs.560)(Foret et al.,2012),而且工蜂幼虫的上调甲基化基因显著多于蜂王幼虫,显示出更高的基因组甲基化水平(Foret et al.,2012;Shi et al.,2013)。一些高度保守的代谢和信号通路富集到甲基化基因中,凸显了食物摄入和代谢流动之间的联系。另外发现已报道的级型分化过程差异表达基因(Barchuk et al.,2007)都经历DNA甲基化修饰,且许多是DMGs,同时,响应保幼激素作用的基因(Barchuk et al.,2007)都是甲基化基因,且有些也属于DMGs(Foret et al.,2012)。综上所述,基因组甲基化是蜜蜂级型分化的重要调控机制之一。

3内分泌系统对蜜蜂级型分化的调节

激素平衡(hormone balance)对于昆虫变态至关重要(Wigglesworth,1954)。Shuel和Dixon(1960)将这一概念扩展到级型分化命题上来,并提出假设:早期幼虫期建立的激素平衡差别可作为媒介因子将营养和级型分化联系起来。20世纪70年代,成功实现了人工合成保幼激素(juvenile hormone,

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JH)为验证这一假说提供了物质基础。Wirtz和Beetsma(1972)首先证实对西方蜜蜂5龄工蜂幼虫体表施用JH或JH类似物能引起个体分化出蜂王特征,且当JH应用于4龄和5龄早期工蜂幼虫时,JH表现出的蜂王诱导作用最为显著。除了能改变工蜂幼虫的发育轨迹之外,JH对蜂王幼虫自身发育也有调节作用,向西方蜜蜂(或东方蜜蜂)蜂王幼虫食物中添加一定浓度的JH类似物能够显著延长幼虫未封盖期,提高个体初生重,促进卵巢发育等(周冰峰等,1995a,1995b,2002)。越来越多的研究进一步证实了JH具有蜂王诱导的功能,同时揭示了内分泌系统对蜜蜂级型发育的关键调控作用。对以往的研究国内外学者均有比较全面的总结(Hartfelder and Engels,1998;黄少康和陈盛禄,2002;李文峰等,2010),这里仅着重概述近年来有关该方向的最新研究进展。

已知蜂王幼虫血淋巴的JH滴度显著高于工蜂幼虫,尤其表现在分化的关键时间点,这表明级型分化过程中伴随着严格的JH合成与代谢调节(Hartfelder and Engels,1998)。然而,目前关于蜜蜂的JH生物合成与代谢过程及其调节仍存在许多空白。保幼激素酸甲基转移酶(juvenile hormone acid methyltransferase,JHAMT)参与昆虫JH的终端合成步骤。自从JHAMT基因首次从家蚕Bombyx mori中鉴定得到之后,一系列的研究克隆和分析了多个不同昆虫物种的JHAMT基因,并证明其影响昆虫发育、变态及生殖等生理过程(Shinoda and Itoyama,2003;Minakuchi et al.,2008;Niwa et al.,2008;Marchal et al.,2011)。Li等(2013)首先克隆并鉴定了西方蜜蜂的JHAMT基因(AmJHAMT),这也是膜翅目昆虫第一个系统研究的JHAMT基因。研究表明,在级型发育过程中,蜂王幼虫的AmJHAMT基因mRNA和蛋白质表达水平均显著高于工蜂幼虫,尤其表现在分化的关键时间点,即5龄早期(Weaver,1966;Dedej et al.,1998),并且变化过程与幼虫JH滴度走势基本一致,因此,AmJHAMT可能是蜜蜂JH生物合成的关键酶而参与级型分化的调节(Li et al.,2013)。

尽管昆虫体内JH滴度变化主要受到JH生物合成过程的控制,但其他生化过程,如JH代谢也发挥着相应的调节作用(Gilbert et al.,2000)。JH 酯酶(JH esterase,JHE)是JH代谢通路的成员之一,JH在JHE作用下转变为JH酸(JH acid,JHA),并进一步代谢为其他产物(Gilbert et al.,2000;李胜等,2004)。目前已从西方蜜蜂基因组中鉴定得到JHE基因Amjhe-like(Mackert et al.,2008)。在工蜂胚后发育期和成年生活中,Amjhe-like基因表达水平与血淋巴中JH滴度变化均保持高度负相关性,这印证了其JH降解属性(Mackert et al.,2008),而JHE活性随着工蜂日龄增长而逐渐降低,尤其表现在哺育蜂向采集蜂行为转变过程中,这与同期JH滴度变化也保持协同相关(颜伟玉等,2004)。此外,Amjhe-like受到来自JH和蜕皮激素(ecdysteroid,Ecd)的双重调节:JH诱导Amjhe-like表达,而Ecd则抑制Amjhe-like表达(Mackert et al.,2008)。由此表明,Amjhe-like基因参与JH在蜜蜂体内的代谢过程并影响JH滴度的变化,该基因可能是级型分化内分泌调节的另一个重要靶点。

4小结与展望

级型分化是蜜蜂研究领域的热点之一,经过长期不间断的研究,目前人们已对这一复杂、有趣且意义重大的发育现象形成了比较全面的认识(图1)。总的看来,蜜蜂级型分化是一个渐进发展的过程(Weaver,1966;Dedej et al.,1998),其终点是建立差异明显的雌性二态性。这个过程起始于差别饲喂引发的营养差异,其中Royalactin是关键营养因子。营养差异决定了幼虫发育命运呈现两种不同轨迹:一种是蜂王轨迹,另外一种是工蜂轨迹。自然状态下二者非此即彼。以蜂王轨迹为例,持续丰富的营养物质(RJ)作用于幼虫脂肪体细胞,通过Egfr 受体介导的信号通路(也可能还有IIS信号通路)及下游TOR等通路产生一系列分子细胞生理效应,并进一步作用于神经内分泌系统(脑、咽侧体等)促进JH等激素合成,进而促进身体生长、卵巢发育及其他蜂王特有器官发育,同时缩短发育时间,抑制神经发生以及工蜂特异器官发生,最终产生蜂王个体。级型分化过程伴随着全局性基因差异表达(Evans and Wheeler,1999;Barchuk et al.,2007;Chen et al.,2012),而基因组DNA甲基化通过调控基因表达而紧密参与级型分化过程。

尽管人们对蜜蜂级型分化的研究已经取得了很大进展,但仍有许多问题值得进一步探讨。比如,对参与级型发育调节的具体信号通路及其作用范围,不同学者之间就存在较大分歧。胰岛素信号通路(insulin/insulin-like signaling pathway,IIS)是进化上保守的调控后生动物躯体大小、器官生长、代

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图1

蜜蜂级型分化的一般模型(改自Maleszka ,

2008)Fig.1

General model of honey bee caste differentiation (adapted from Maleszka ,2008)

谢、生殖以及寿命的重要机制之一(Brogiolo et al .,

2001;Garofalo ,2002;Oldham and Hafen ,2003;Edgar ,2006)。Kamakura (2011)的研究表明IIS 通路并不参与Royalactin 对果蝇和蜜蜂幼虫的发育调控过程。而另有研究通过对比分析级型分化关键期IIS 通路相关基因在蜂王和工蜂幼虫的表达发现,胰岛素样多肽-1(insulin-like peptide-1,ILP-1)和胰岛素受体底物(insulin receptor substrate ,IRS )(Wheeler et al .,2006)以及胰岛素受体(insulin

receptor ,InR)(de Azevedo and Hartfelder ,2008)基因在蜂王幼虫中的表达水平均显著高于工蜂幼虫;RNAi 抑制蜜蜂幼虫IRS 基因表达能导致蜂王幼虫转而发育为工蜂个体(Mutti et al .,2011;Wolschin et al .,2011)。雷帕霉素靶标(target of rapamycin ,TOR)是一种营养和能量敏感的蛋白激酶,能响应不同营养状态并调控细胞和有机体的生长(Oldham and Hafen ,2003;Soulard et al .,2009)。研究表明,Royalactin 通过Egfr 信号通路激活TOR而提高幼虫及出房个体大小,但不影响其他表型,如发育时间和卵巢大小(以卵巢管数目衡量)(Kamakura ,2011)。另有研究也证实了TOR信号通路在蜜蜂级型分化过程中的关键作用,但TOR不仅影响出房个体大小,还与发育时间和卵巢大小调节有关,即

对蜂王发育产生综合性影响(Patel et al .,2007;Mutti et al .,2011)。综上所述,学术界对于蜜蜂级型分化分子机制的有关细节问题尚无定论,后续研究有必要深入探索这些存在矛盾之处,以求达到一致认识。另一方面,虽然Kamakura (2011)已经绘制了较为细致而完整的分子机制网络,但影响级型分化各分表型,如个体大小、发育时长、卵巢大小等的具体分子机制仍有待进一步验证、发掘和完善。此外,如何将基因组甲基化作用与信号通路网络整合起来也是亟待解决的问题。要解决这些问题,一方面需要付出艰辛的努力;另一方面还需要采纳和探索先进的研究方法。虽然蜜蜂已经发展成为生物学研究的模式生物之一,但与果蝇相比,蜜蜂研究仍缺乏有效而多样化的遗传操作手段,客观上给进一步探索相关生物学课题造成了极大的困难。所幸的是,科学家们已经意识到了这个问题,并正在着手解决,例如,在蜜蜂转基因方法研究方面已经取得一些进展(Ando et al .,2007;Schulte et al .,2013)。相信在不久的将来,人们能够获得更多先进的蜜蜂遗传操作手段,同时结合愈发成熟的深度测序技术及生物信息学方法,最终为解决上述问题打开胜利之门。这些问题的解决将使得蜜蜂级型分化的调控机理更加

254昆虫学报Acta Entomologica Sinica57卷

清晰和完备。并且,由于生殖劳动分工在进化上具有重要意义,从级型分化过程和机理中探索社会性昆虫生殖劳动分工的进化起源及机制势必会带来许多值得人们期待的重要发现。

参考文献(References)

Ando T,Fujiyuki T,Kawashima T,Morioka M,Kubo T,Fujiwara H,2007.In vivo gene transfer into the honeybee using a nucleopolyhedrovirus vector.Biochem.Bioph.Res.Commun.,352(2):335-340.

Asencot M,Lensky Y,1976.The effect of sugars and juvenile hormone on the differentiation of the female honeybee larvae(Apis mellifera L.)to queens.Life Sci.,18(7):693-699.

Asencot M,Lensky Y,1988.The effect of soluble sugars in stored royal jelly on the differentiation of female honeybee(Apis mellifera L.)larvae to queens.Insect Biochem.,18(2):127-133.

Barchuk A,Cristino A,KucharskiR,Costa L,Simoes Z,MaleszkaR,2007.Molecular determinants of caste differentiation in the highly eusocial honeybee Apis mellifera.BMC Dev.Biol.,7(1):70.Barker SA,Foster AB,Lamb DC,Jackman LM,1959.Biological origin and configuration of10-hydroxy-2-decenoic acid.Nature,184(4686):634-634.

Bartel DP,2004.MicroRNAs:genomics,biogenesis,mechanism,and function.Cell,116(2):281-297.

Bartel DP,2009.MicroRNAs:target recognition and regulatory functions.Cell,136(2):215-233.

Bird A,2002.DNA methylation patterns and epigenetic memory.Gene Dev.,16(1):6-21.

Brogiolo W,Stocker H,Ikeya T,Rintelen F,FernandezR,Hafen E,2001.An evolutionarily conserved function of the Drosophila insulin receptor and insulin-like peptides in growth control.Curr.Biol.,11(4):213-221.

Chen X,Hu Y,Zheng H,Cao L,Niu D,Yu D,Sun Y,Hu S,Hu F,2012.Transcriptome comparison between honey bee queen-and worker-destined larvae.Insect Biochem.Molec.Biol.,42(9):665-673.

Dawson MA,Kouzarides T,2012.Cancer epigenetics:from mechanism to therapy.Cell,150(1):12-27.

de Azevedo SV,Hartfelder K,2008.The insulin signaling pathway in honey bee(Apis mellifera)caste development-differential expression of insulin-like peptides and insulin receptors in queen and worker larvae.J.Insect Physiol.,54(6):1064-1071.Dearden PK,Duncan EJ,Wilson MJ,2009.The honeybee Apis mellifera.CSH Protoc.,4(6):pdb.emo123.

Dedej S,Hartfelder K,Aumeier P,Rosenkranz P,Engels W,1998.Caste determination is a sequential process:effect of larval age at grafting on ovariole number,hind leg size and cephalic volatiles in the honey bee(Apis mellifera carnica).J.Apicult.Res.,37(3):183-190.

Edgar BA,2006.How flies get their size:genetics meets physiology.Nat.Rev.Genet.,7(12):907-916.Elango N,Hunt BG,Goodisman MAD,Yi SV,2009.DNA methylation is widespread and associated with differential gene expression in castes of the honeybee,Apis mellifera.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,106(27):11206-11211.

Esquela-Kerscher A,Slack FJ,2006.Oncomirs-microRNAs with a role in cancer.Nat.Rev.Cancer,6(4):259-269.

Evans JD,Wheeler DE,1999.Differential gene expression between developing queens and workers in the honey bee,Apis mellifera.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,96(10):5575-5580.

FeilR,2006.Environmental and nutritional effects on the epigenetic regulation of genes.Mutat.Res./Fund.Mol.M.,600(1-2):46-57.

Foret S,KucharskiR,Pellegrini M,Feng S,Jacobsen SE,Robinson GE,MaleszkaR,2012.DNA methylation dynamics,metabolic fluxes,gene splicing,and alternative phenotypes in honey bees.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,109(13):4968-4973.

GarofaloRS,2002.Genetic analysis of insulin signaling in Drosophila.Trends Endocrinol.Metab.,13(4):156-162.

Gilbert LI,Granger NA,RoeRM,2000.The juvenile hormones:historical facts and speculations on future research directions.Insect Biochem.Molec.Biol.,30(8-9):617-644.

Goldberg AD,Allis CD,Bernstein E,2007.Epigenetics:a landscape takes shape.Cell,128(4):635-638.

Guo X,Su S,Skogerboe G,Dai S,Li W,Li Z,Liu F,NiR,Guo Y,Chen S,Zhang S,ChenR,2013.Recipe for a busy bee:microRNAs in honey bee caste determination.PLoS ONE,8:e81661.

Hartfelder K,Engels W,1998.Social insect polymorphism:hormonal regulation of plasticity in development and reproduction in the honeybee.Curr.Top.Dev.Biol.,40:45-77.

Haydak MH,1970.Honey bee nutrition.Annu.Rev.Entomol.,15(1):143-156.

Huang SK,Chen SL,2002.Research progress on the queen-worker caste differentiation in the honeybee(Apis mellifera).Entomological Knowledge,39(3):176-181.[黄少康,陈盛禄,2002.蜜蜂蜂王与工蜂级型分化研究进展.昆虫知识,39(3):176-181]JaenischR,Bird A,2003.Epigenetic regulation of gene expression:how the genome integrates intrinsic and environmental signals.Nat.Genet.,33:245-254.

Jones PA,Baylin SB,2002.The fundamental role of epigenetic events in cancer.Nat.Rev.Genet.,3(6):415-428.

Kamakura M,2011.Royalactin induces queen differentiation in honeybees.Nature,473(7348):478-483.

Kamakura M,Fukuda T,Fukushima M,Yonekura M,2001a.Storage-dependent degradation of57-kDa protein in royal jelly:a possible marker for freshness.Biosci.Biotechnol.Biochem.,65(2):277-284.

Kamakura M,Suenobu N,Fukushima M,2001b.Fifty-seven-kDa protein in royal jelly enhances proliferation of primary cultured rat hepatocytes and increases albumin production in the absence of serum.Biochem.Biophys.Res.Commun.,282(4):865-874.KucharskiR,Maleszka J,Foret S,MaleszkaR,2008.Nutritional

2期李文峰等:蜜蜂级型分化机理255

control of reproductive status in honeybees via DNA methylation.Science,319:1827-1830.

Kunert N,Marhold J,Stanke J,Stach D,Lyko F,2003.A Dnmt2-like protein mediates DNA methylation in Drosophila.Development,130(21):5083-5090.

Li S,JiangRJ,Cao MX,2004.Metabolism of juvenile hormone.Acta Entomologica Sinica,47(3):389-393.[李胜,蒋容静,曹梅讯,2004.保幼激素的代谢.昆虫学报,47(3):389-393]

Li W,Huang ZY,Liu F,Li Z,Yan L,Zhang S,Chen S,Zhong B,Su S,2013.Molecular cloning and characterization of juvenile hormone acid methyltransferase in the honey bee,Apis mellifera,and its differential expression during caste differentiation.PLoS ONE,8(7):e68544.

Li WF,Li ZG,Liu F,Su SK,2010.Advances on the physiological factors relating to honeybee caste differentiation.Chinese Bulletin of Entomology,47(5):856-861.[李文峰,李志国,刘芳,苏松坤,2010.蜜蜂级型分化相关生理因子研究进展.昆虫知识,47(5):856-861]

Lyko F,Ramsahoye BH,JaenischR,2000.DNA methylation in Drosophila melanogaster.Nature,408(6812):538-540.Mackert A,do Nascimento AM,Bitondi MMG,Hartfelder K,Sim es ZLP,2008.Identification of a juvenile hormone esterase-like gene in the honey bee,Apis mellifera L.-Expression analysis and functional assays.Comp.Biochem.Physiol.B,150(1):33-44.MaleszkaR,2008.Epigenetic integration of environmental and genomic signals in honey bees:the critical interplay of nutritional,brain and reproductive networks.Epigenetics,3(4):188-192.

Marchal E,Zhang J,Badisco L,Verlinden H,Hult EF,Van Wielendaele P,Yagi KJ,Tobe SS,Vanden Broeck J,2011.Final steps in juvenile hormone biosynthesis in the desert locust,Schistocerca gregaria.Insect Biochem.Molec.Biol.,41(4):219-227.

MelampyRM,Willis ER,1939.Respiratory metabolism during larval and pupal development of the female honeybee(Apis mellifica L.).Physiol.Zool.,12(3):302-311.

Minakuchi C,Namiki T,Yoshiyama M,Shinoda T,2008.RNAi-mediated knockdown of juvenile hormone acid O-methyltransferase gene causes precocious metamorphosis in the red flour beetle Tribolium castaneum.FEBS J.,275(11):2919-2931.

Mutti NS,Dolezal AG,Wolschin F,Mutti JS,Gill KS,Amdam GV,2011.IRS and TORnutrient-signaling pathways act via juvenile hormone to influence honey bee caste fate.J.Exp.Biol.,214(23):3977-3984.

NiwaR,Niimi T,Honda N,Yoshiyama M,Itoyama K,Kataoka H,Shinoda T,2008.Juvenile hormone acid O-methyltransferase in Drosophila melanogaster.Insect Biochem.Molec.Biol.,38(7):714-720.

Oldham S,Hafen E,2003.Insulin/IGF and target of rapamycin signaling:a TORde force in growth control.Trends Cell Biol.,13(2):79-85.

Patel A,Fondrk MK,Kaftanoglu O,Emore C,Hunt G,Frederick K,Amdam GV,2007.The making of a queen:TORpathway is a key

player in diphenic caste development.PLoS ONE,2(6):e509.

Rassoulzadegan M,Grandjean V,Gounon P,Vincent S,Gillot I,Cuzin F,2006.RNA-mediated non-mendelian inheritance of an epigenetic change in the mouse.Nature,441(7092):469-474.

Rembold H,Lackner B,Geistbeck I,1974.The chemical basis of honeybee,Apis mellifera,caste formation.Partial purification of queen bee determinator from royal jelly.J.Insect Physiol.,20(2):307-314.

Robinson GE,1992.Regulation of division of labor in insect societies.Annu.Rev.Entomol.,37(1):637-665.

Schaefer M,Lyko F,2007.DNA methylation with a sting:an active DNA methylation system in the honeybee.Bioessays,29(3):208-211.

Schulte C,Leboulle G,Otte M,Grünewald B,Gehne N,Beye M,2013.Honey bee promoter sequences for targeted gene expression.Insect Mol.Biol.,22(4):399-410.

Shi Y,Yan W,Huang Z,Wang Z,Wu X,Zeng Z,2013.Genomewide analysis indicates that queen larvae have lower methylation levels in the honey bee(Apis mellifera).Naturwissenschaften,100(2):193-197.

Shi YY,Huang ZY,Zeng ZJ,Wang ZL,Wu XB,Yan WY,2011.Diet and cell size both affect queen-worker differentiation through DNA methylation in honey bees(Apis mellifera,Apidae).PLoS ONE,6(4):e18808.

Shi YY,Wu XB,Huang ZY,Wang ZL,Yan WY,Zeng ZJ,2012.Epigenetic modification of gene expression in honey bees by heterospecific gland secretions.PLoS ONE,7:e43727.

Shi YY,Zeng ZJ,Wu XB,Yan WY,Wang ZL,2011.Influence of injecting Dnmt3siRNA on the development of females of the Italian honeybee,Apis mellifera ligustica.Acta Entomologica Sinica,54(3):272-278.[石元元,曾志将,吴小波,颜伟玉,王子龙,2011.人工注射Dnmt3siRNA对意大利蜜蜂雌蜂发育的影响.昆虫学报,54(3):272-278]

Shinoda T,Itoyama K,2003.Juvenile hormone acid methyltransferase:a key regulatory enzyme for insect metamorphosis.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,100(21):11986-11991.

ShuelRW,Dixon SE,1960.The early establishment of dimorphism in the female honeybee,Apis mellifera L.Insectes Soc.,7(3):265-282.

Soulard A,Cohen A,Hall MN,2009.TORsignaling in invertebrates.Curr.Opin.Cell Biol.,21(6):825-836.

Spannhoff A,Kim YK,Raynal NJM,Gharibyan V,Su MB,Zhou YY,Li J,Castellano S,Sbardella G,Issa JPJ,Bedford MT,2011.Histone deacetylase inhibitor activity in royal jelly might facilitate caste switching in bees.EMBORep.,12(3):238-243.

The Honeybee Genome Sequencing Consortium,2006.Insights into social insects from the genome of the honeybee Apis mellifera.Nature,443(7114):931-949.

Vercelli D,2004.Genetics,epigenetics,and the environment:switching,buffering,releasing.J.Allergy Clin.Immun.,113(3):381-386.

Wang Y,Jorda M,Jones PL,MaleszkaR,Ling X,Robertson HM,

256昆虫学报Acta Entomologica Sinica57卷

Mizzen CA,Peinado MA,Robinson GE,2006.Functional CpG methylation system in a social insect.Science,314(5799):645-647.

Weaver N,1955.Rearing of honeybee larvae on royal jelly in the laboratory.Science,121(3145):509-510.

Weaver N,1966.Physiology of caste determination.Annu.Rev.Entomol.,11(1):79-102.

Wheeler DE,Buck N,Evans JD,2006.Expression of insulin pathway genes during the period of caste determination in the honey bee,Apis mellifera.Insect Mol.Biol.,15(5):597-602.

Wigglesworth VB,1954.The Physiology of Insect Metamorphosis.Cambridge University Press,Combridge,UK.152pp.

Wilson EO,1971.The Insect Societies.Belknap/Harvard University Press,Cambridge,MA.548pp.

Wilson EO,1985.The sociogenesis of insect colonies.Science,228(4707):1489-1495.

Wirtz P,Beetsma J,1972.Induction of caste differentiation in the honeybee(Apis mellifera)by juvenile hormone.Entomol.Exp.Appl.,15:517-520.

Wolschin F,Mutti NS,Amdam GV,2011.Insulin receptor substrate influences female caste development in honeybees.Biol.Letters,7(1):112-115.

Yan WY,Xu B,Xie XB,Zeng ZJ,2004.Determination of activity of

juvenile hormone esterase in honey bees.Acta Agriculturae Universitis Jiangxiensis,26(5):785-786.[颜伟玉,许标,谢宪兵,曾志将,2004.化学放射法测定蜜蜂保幼激素酯酶活性.江西农业大学学报,26(5):785-786]

Zhou BF,Bao XL,Gong M,Wu G,Dai ZY,1995a.Effect of juvenoid (ZR512)on the emergence weight of bee queen.Journal of Fujian Agricultural University,24(1):109-112.[周冰峰,鲍秀良,龚蜜,吴刚,戴祝英,1995a.保幼激素类似物ZR512对蜜蜂蜂王初生重的影响.福建农业大学学报,24(1):109-112]

Zhou BF,Gong M,Bao XL,Zhou DY,Zhou ZB,Li XY,1995b.The role of juvenoid ZR512on the postembryonic development of bee queen.Journal of Fujian Agricultural University,24(2):227-230.[周冰峰,龚蜜,鲍秀良,周丹银,周泽标,李向阳,1995b.保幼激素类似物ZR512对蜜蜂蜂王胚后发育的调控作用.福建农业大学学报,24(2):227-230]

Zhou BF,Zhang SJ,Zhou BQ,Wang YM,2002.Effect of juvenoid ZR-512on the development of the reproductive system and the physiological function of bee queen.Apiculture of China,53(1):6-8.[周冰峰,张淑娟,周碧青,王育敏,2002.保幼激素类似物ZR-512对蜂王生殖系统发育和生理的影响.中国养蜂,53(1):6-8]

(责任编辑:袁德成)

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