蜜蜂父系研究进展

发布时间:2011-08-07 12:15    文章来源:湖北天马养蜂场    浏览量:1811 次    【字体大小:正常 偏大 最大

摘要:Hamilton把人工授精技术运用于昆虫之后,昆虫的遗传特性和社会结构就成为了生物进化研究中的核心内容之一。如果能确定特定蜂群内工蜂之间的血缘关系,就能够更好地理解和解释群体行为和个体行为的产生机制,以及社会性昆虫的进化特点。主要介绍国内外有关蜜蜂父系研究的最新进展。

关键词:父系;人工授精;进化;亲缘关系;社会性昆虫

Hamilton在1963年提出的社会性昆虫的亲缘关系理论认为,个体之间的社会交往应根据它们亲缘关系的不同而有所差异。当个体生活在亲缘关系非常亲密的群体中时,它们应该合作,并且组成能够生产、繁殖和防御的功能性团体。亲缘关系理论提出之后,立即引起了生物学家的广泛关注。Wheeler认为如果能够组成功能性团体,就可以称之为超级生物。从亲缘关系角度来讲,蜜蜂群体中的个体并不完全是纯系,这就有可能使群内成员之间存在潜在的冲突。

1鉴定父系的方法 

研究处女蜂王与雄蜂交配数量的方法很多。最早的方法是研究者观察蜂群巢门口处女蜂王交配后带交配标志进行计数,显然这种方法不够科学和准确,因为处女蜂王交配标志有可能在归巢前丢失,另外观察者也很可能漏数蜂王交配后归巢的次数。后来有人利用蜂群内工蜂体色来估算处女蜂王与雄蜂交配数量以及雄蜂精液的利用情况,这种方法要求工蜂体色必须存在明显差异。Page和Metcal用同功酶标记技术研究处女蜂王与雄蜂交配数量以及雄蜂精液的使用情况。但是,绝大多数同工酶在膜翅目昆虫中缺乏多态性,这就大大限制了它们的用途。Sasaki认为这种方法因分辨力低而不能有效判断工蜂的父系来源,便运用DNA指纹技术分析出蜂王是高度多雄性交配昆虫,但采集DNA样品的指纹很耗时间,且受个体提取的DNA数量的限制,必需的每个反应和产生复合带模型也都比较难分析,并且需要使用放射性探针,DNA指纹技术因而没有得到广泛的应用。Fondrk等应用随机扩增多态性DNA标记和同功酶标记技术,准确地测定出每只工蜂的父系来源。可变串联重复序列(VNTR)标记在蜜蜂亲缘关系鉴定上的应用也非常广泛,VNTR多位于基因非编码区以及染色体的近端粒区。Estoup成功利用微卫星技术精确标记工蜂父系来源,苏松坤也运用王浆主蛋白标记出群内亚家庭数。随机扩增多态DNA(randomamplifledpolymorphicDNA,简称RAPD),是利用一系列碱基顺序随机排列的寡核苷酸单链(通常为十聚体)为引物,对靶核昔酸序列进行PCR扩增,得到不同条带的电泳图谱,再利用聚类的方法分析个体多态性。Fondrk和颜伟玉分别用20对和14对引物鉴别出意大利蜜蜂和中华蜜蜂群内的父系数目。这种方法比较简单经济,避免了放射性探针的使用,而且不需要预先了解碱基序列,标记可覆盖整个基因组。但是RAPD标记重复性较差,PCR扩增条件稍有变化,扩增结果就会改变,而且它是显隐性遗传,无法判断是杂合子还是隐性纯合子。

微卫星DNA(microsatelliteDNA,简称MS),又称短串联重复序列,以2-6hP为核心重复序列。利用微卫星DNA两侧特异序列设计引物,不同个体核心序列因重复次数不同而产生多态性。MS稳定性好,呈共显性遗传,且多态性含量丰富,但是必须了解微卫星侧翼序列才能设计引物。Estoup用10对微卫星引物A76,A107,A14,A7,A28,A29,A35,A43,A79,B124精确测定出意大利蜜蜂亚家庭数目。谢宪兵也用3对高度多态引物A14,A107,B124测定出中华蜜蜂亚家庭数目。目前在意大利蜜蜂中已经发现2000个微卫星,平均遗传距离为2.1cm,最大间隔也不超过10cm。

小卫星DNA(minisatelliteDNA),以15-76bP为核心重复序列。选择在特异序列上没有酶切位点的限制性内切酶将基因组DNA切成不同长度的片段,然后再进行Southem杂交,由于不同个体串联重复序列的数目和位置不同,能形成特异的杂交谱带,人们称为DNA指纹图谱(DNAfingerprinting,DFP)。DFP多态性高,个体特异性强,但成本太高,而且谱带有时过于复杂。

单核苷酸多态性(singlenucleotidepolymorphismSNP),是指染色体某个位点存在单个碱基的变化,包括碱基的转换、颠换、插入和缺失。SNP密度高,平均遗传距离为2~3cm,特别是位于表达序列内的SNP(codingregionSNP,cSNP),可能直接影响蛋白质的结构和表达。DNA芯片已经实现了SNP分析的高通量和自动化。SNP被认为是继RFLP和微卫星标记之后的第三代分子标记,目前SNP在人类亲子鉴定方面的应用已经十分成熟,美国伊利诺伊大学也公布了大量用于蜜蜂血缘鉴定的SNP。

基因芯片(DNAchip),又称DNA微列阵(DNAmicroarray),它将许多特定的寡核昔酸片段或基因片段作为探针排列在硅片或玻璃晶片上,通过杂交的方式获得信息。基因芯片首先在遗传作图、疾病分析、多态性分析和寻找新基因中得到了广泛应用,更重要的是基因芯片能确定基因的表达程度。Gene.Robinson成功利用基因芯片对工蜂头部基因表达的量证明了环境对基因表达的反作用。

蜂群是由许多亚家庭组成的,并且群内存在异质型的基因型。亚家庭内工蜂亲缘关系r=0.75,亚家庭间工蜂的亲缘关系r=0.25。不同亚家庭对工作有不同的偏爱,不同年龄的个体发育行为也不同。正确认识基因型结构如何影响群体的社会性行为可以帮助我们更好地理解蜂群社会组织的进化模式。这些检测手段对于评估和检验现在的亲属优惠假说和社会性昆虫的进化是非常重要的。由于雄蜂是单倍体,基因组DNA完全来源于蜂王,可以用IBD(identicalbydescent)的方法推出蜂王的基因型,以更好地确定父系。值得注意的是雄蜂能在各个群内自由进出,为了避免误差,最好用封盖雄蜂幼虫或蛹作为样本。

2统计父系的方法

蜂王通常与多只雄蜂交配,她的后代会出现基因分离。蜂群由许多基因型不同的亚家庭组成,每个亚家庭的工蜂都来源于单独的雄蜂,这可以用分子标记进行检测,但是,由于取样的限制,不一定能取到所有的亚家庭成员,因此需要借助统计方法计算出遗传关系,父系来源和父系倾向。

Starr和Pamilo最早在统计学基础上提出的计算有效父系频率的方法在研究社会性昆虫基因结构方面应用非常广泛。Tapy和Nielsen在2002证明用这种方法计算出的父系会高于实际值,特别是在高父系频率和低样本的情况下,计算出的父系数目变化会很大。因此,Nielsen在2003年提出了新的计算方法:

蜜蜂父系研究进展

注:k:父系固定值;n:工蜂样本量;pi是第i个父亲的父系比率;ko是在样本里测出的不同父系数目;v[k]:父系变化值。

最后计算出的父系=k±v[k]。这种统计方法在工蜂样本量上,特别是在低样本情况下的偏差非常小,比较适合在小样本条件下计算父系数目。

3小结

在蜂群中,绝大多数工蜂都可以产发育成雄蜂的单倍体未受精卵。在单雄性交配情况下,相对于蜂王的雄性后代而言,工蜂与它们自己雄性后代的关系更加亲密。但在多雄性交配情况下,工蜂与蜂王雄性后代关系更加亲密。在多雄性社会性昆虫群体中对蜂王所产雄性后代的趋向性和与之更加亲密的关系促使了“工蜂监督”假设的形成(Ratnieks1988),在高强度的多雄性交配条件下,工蜂应该毁掉其它工蜂产的卵或者是对产卵工蜂表现出强烈的攻击性(Foster&Ratnieks2001)。

大量关于蜂群中雄性母系来源的数据与工蜂监督理论都是一致的(Ratnieks&Visscher1989;Foster&Ratnieks2001a;Foster2000;Halling2001;Oldroyd2001),蜂王是绝大多数雄性后代的母亲。但是,与工蜂监督理论相反,在单雄性蜂群中,虽然工蜂与自己雄性后代的亲缘关系更近,但群内雄蜂的繁殖还是由蜂王控制(Ar6valo1998;Walin1998;Foster2001;Paxton2001)。

用分子标记分析父系来源能更好地理解更大范围内的问题。在过去的几年中,国内许多实验室已经开始用DNA指纹技术和限制性片段长度多态性技术,希望能够找到更多的可用标记,DNA指纹技术已经证明了它在人类医学上的重要作用,但在群体学上的研究却不是那么成功。着力于开发SNP和EST的实验室也很多,用以制备更加精密的遗传图谱和物理图谱。1998年9月,美国国家生物技术情报中心NCBI在人类原有基因组数据库的基础上,增设了SNP数据库,包括各种族发现的基因组和cSNP档案性数据库。美国国家信息中心CenBank、欧洲分子生物学实验室EMBL、日本国家数据库DDB也都可以通过基因名称、染色体号、SNP检索号等方法来提取SNP信息。

参考文献(略)更多养蜂技术和蜂产品知识请关注湖北天马养蜂场官方微信公众号:"honeymarket",或者加QQ号2969169050,欢迎投稿和交流讨论蜜蜂文化。

引自《蜜蜂杂志》2007(10)

江西农业大学蜜蜂研究所黄强曾志将

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