你的「吃货基因」,她的「打工指南」:中国科学家揭示蜜蜂采集行为调控基因

年轻人纷纷自嘲是「打工人」的时候,小蜜蜂已经在自然界「打工」1 亿多年了。每生产一斤成熟蜂蜜,需要蜜蜂 200 多万次造访花朵,此外还要经过酿造、脱水和熟化等一系列繁复工序。蜜蜂还是典型的不「白吃」,在从植物中获取食物的同时,也承担了传粉的重要职责。

有趣的是,让蜜蜂如此勤劳能干的竟然是一种特殊的「吃货基因」在这种基因的驱动下,蜜蜂不仅实现了精细分工,还能适应不同的生存环境

这项由中国农业大学、吉林养蜂科学研究所和扬州大学等团队合作开展的研究于北京时间 2020 年 12 月 19 日在 Science Advances 上发表。

你的「吃货基因」,她的「打工指南」:中国科学家揭示蜜蜂采集行为调控基因

东方蜜蜂采粉蜂采集云南紫薇花粉(周欣摄于西双版纳热带植物园)

都是「打工人」,职责大不同

众所周知,蜂群中有蜂王、雄蜂和工蜂,每个级型各司其职。但事实上,蜜蜂的内部分工远比你想象得还要讲究。

工蜂在羽化后的 1 周内就可以承担起照顾弟弟妹妹的职责,她们在这个阶段的角色可以称之为「哺育蜂」。2~3 周的时候,「翅膀硬了」,就成长为能出门闯荡的「采集蜂」。采集蜂还可以进一步细分为采蜜蜂、采粉蜂、采水蜂……

「一个蜂群内部对采集蜂各工种比例进行调整,可以让这个家庭的食谱结构发生变化。」论文通讯作者之一、扬州大学教授吉挺对《中国科学报》说。

在自然界中,不同地区开花植物的种类和物候特征不同,蜂群在采集行为上的最佳适应策略也不同。

「蜜蜂在繁殖期需要大量花粉,而为了应对寒冷的冬季则需要储备蜂蜜。」论文通讯作者之一、吉林省养蜂科学研究所研究员牛庆生做了进一步的介绍,「生活在热带地区的蜜蜂种群不须担心食物来源枯竭,四季都可以繁殖,因此蜂群会采集较多的花粉,而采蜜能力整体有所降低;相反,生活在温带或高山地区的蜜蜂种群需要在有限的开花季节采集足够的花蜜,为寒冬做准备,因此蜂群的产蜜能力就会显著增强。」

那么,蜜蜂如何调节蜂群中采粉蜂和采蜜蜂的比例呢?

 

你的「吃货基因」,她的「打工指南」:中国科学家揭示蜜蜂采集行为调控基因

东方蜜蜂工蜂(张巍巍摄于云南盈江)

别人的「吃货基因」,蜜蜂的「打工指南」

已有研究显示,早在哺育蜂阶段,这些小家伙们就已经表现出对糖的不同感受力。其中对糖比较敏感的工蜂在长大后,更倾向于采集花粉;而对糖相对不敏感的工蜂则更倾向于采集花蜜

「糖敏感度比较低的采集蜂能采到浓度更高的花蜜,在同样的采集效率下,蜂群所获得的食物质量就会有所提高。」论文通讯作者之一、中国农业大学教授周欣向中国科学报解释。

本次研究中,中国科学家发现,一种白细胞激肽受体基因(Lkr 基因)在脑部的表达直接调控了蜜蜂对糖的敏感度水平

他们对中国及周边国家和地区的 343 个大陆东方蜜蜂代表个体进行了全面取样和基因组分析。结果显示,我国现有的东方蜜蜂种群由 7 个遗传独立单元组成:中部、东北、青海、阿坝、波密、海南、台湾,在遗传差异程度上已经达到了西方蜜蜂的亚种水平。而后面这 6 个位于我国东方蜜蜂分布区边缘的种群,是各自独立地从共同的中部祖先种群分化而来的。

「在几乎所有的平行分化种群中,Lkr 基因都受到了选择,说明这个基因在蜜蜂的演化和对新生境的适应过程中发挥了重要的作用。」周欣说。

在学术界,Lkr 及同源基因也算是「明星基因」。在人和小鼠、果蝇等动物模型的研究中发现,这类基因跟控制食欲、减轻焦虑等关系密切。你的进食欲望,每顿的食量,能否忍受不合口味的食物,甚至一焦虑就想吃东西,背后可能都有它们在作怪。

但对蜜蜂这种劳模动物来说,「吃货基因」的一大作用,竟然是让她们化食欲为动力,更加明确了自己作为「打工人(蜂)」的责任

研究人员首先检测了 Lkr 基因在采集蜂和哺育蜂不同组织中的表达水平。结果发现,Lkr 基因在采集蜂的脑部和触角中的表达量都显著高于其它组织,同时也显著高于哺育蜂的脑部和触角中的表达量,说明这个基因主要在采集蜂的中枢神经系统中发挥作用。他们进而研究了采集蜂中的两大工种:采粉蜂和采蜜蜂,发现前者脑部 Lkr 表达水平显著高于后者。

研究人员还开展了蜜蜂行为学中经典的喙伸反应实验:当饥饿的蜜蜂感知到水溶液中的糖分时,会本能地伸出口喙试图取食。但当蜜蜂脑中的 Lkr 基因被人为敲降后,蜜蜂对糖的敏感水平也会显著下降。

 

用科学保护小小劳模

 

聪明的蜂群还可以根据内外部条件的变化,对采集分工作出调整。如果蜂王产子量上升,蜂群就会派出更多的工蜂采集花粉,以提高食物组成的蛋白比例。「本研究首次揭示,在蜜蜂种群扩张并适应环境的过程中,Lkr 基因作为一种调节采集分工行为相关的基因,也受到了平行的重复选择。」周欣说,「在自然选择和基因调控的协同作用下,蜜蜂种群得以适应当地开花植物的物候特性,更好地维持生存,繁衍后代。」

尽管努力地在适应环境,蜜蜂这种劳苦功高的小动物仍然面临严重的生存威胁:生境破坏、野生开花植物减少、杀虫剂、抗生素污染、外来物种竞争…… 近百年来,我国本地分布的东方蜜蜂更是在种群数量和分布范围上都减少了 80% 左右。

「本项研究得出的结论,在帮助我们深刻理解我国东方蜜蜂的遗传结构、演化历史和适应机制的同时,也为制定我国本土蜜蜂物种的保护策略提供了重要参考。」牛庆生对《中国科学报》说。

吉挺表示,未来围绕采集蜂分工机制开展进一步的深入研究,将有助于更高效地发挥蜜蜂的传粉功能和提高蜂蜜生产能力,让蜜蜂和人类的明天都更美好。

 

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参考文献:

doi:10.1126/sciadv.abd3590

题图来源:站酷海洛 Plus

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