蜜蜂基因组研究进展

发布时间:2011-08-07 12:22    文章来源:湖北天马养蜂场    浏览量:2741 次    【字体大小:正常 偏大 最大

摘要:蜜蜂投粉对农业生产和全球生态起重要的作用,蜜蜂也是研究社会行为和学习记忆导航行为的模式生物,其简单的脑部结构和卓越的学习记忆能力又为神经生物学家提供了绝好的研究模型,此外,蜜蜂可以成为免疫、过敏、精神疾病和长寿等试验的研究模型。本文从蜜蜂的基因组序列、基因组结构、发育、级型分化及繁殖衰老、基因调节、群体遗传学等方面综述了蜜蜂基因组研究的最新进展。

关键词:蜜蜂(Apismellifera);基因组;研究进展

蜜蜂隶属于节肢动物门(Arthropoda)昆虫纲(Insecta)膜翅目(Hymenoptera)蜜蜂总科(Apoidea)蜜蜂科(Apidae)蜜蜂属(Apis)。蜜蜂属的特点是,后足胫节上无距,巢脾由自身分泌的蜂蜡建造,群体生活,一群中只有一个蜂王,靠采集花粉和花蜜为生。蜜蜂基因组的研究开始于2002年,美国国立卫生研究院(NIH)把西方蜜蜂(Apismellifera)列人了优先测序的物种名单。在2004年,第一份蜜蜂基因组的草图公布。在2006年10月26日出版的《自然》杂志上,由美国、澳大利亚、德国、巴西、瑞典、日本、比利时、新西兰、以色列、丹麦、英国、法国、斯洛伐克、加拿大等14个国家90个科研机构的180多名科学家组成的蜜蜂基因组测序联盟(TheHoneybeeGenomeSeguencingConsodium,HGSC)公布了他们对西方蜜蜂基因组的测序结果和分析。2006年10月27日《科学》杂志同时发表了3篇与蜜蜂基因组研究相关的文章,报道了蜜蜂从非洲的迁徒蜂的一个重要的基因调节过程蜜蜂社会行为的研究结果。在随后的《基因组》杂志发表的蜜蜂基因组专刊也详细刊登了蜜蜂基因组的相关内容。蜜蜂是继果蝇、蚊子、家蚕之后,第4种全基因组被破译的昆虫。鉴于此,就蜜蜂基因组研究的最新进展作一综述。

1基因组测序

蜜蜂的基因数量只相当于人类的约十分之一。科学家们分析了蜜蜂16对染色体包含的基因,初步发现10157个基因,比果蝇和蚊子的基因总数少30%左右,基因组全长约236Mb,即2.36亿个碱基,大约有26Mb的序列尚未被克隆和测序。HGSC采用全基因组鸟枪法及BAC克隆法测序,基因组DNA测序的素材来自一群近交纯种蜂王的单倍体雄蜂,序列结果用Atlas等软件进行拼接,并利用微卫星标记连锁固定位到染色体上。

2基因组结构

2.1序列特征

动物的基因组是一个均一的G+C结构域嵌合体,但是蜜蜂的基因组有自己的特点。它没有特征性长度,相反富含短片段且只有一少部分长片段。蜜蜂基因组最显著的特征是,它比果蝇等含更多的富集(A十T)区域。此外,蜜蜂基因组中另一个特征为高含量的CpG结构。

2.2端粒结构

蜜蜂有16条染色体,其中只有一条最大的染色体具有中间着丝粒,其余15条染色体都为端着丝粒。除最长的1号染色体为两条近端着丝粒染色体融合成一条没有近端的端粒外,只有在它两条长臂上有两个远端的端粒外,其余15条染色体都有一个远端的端粒在长臂上及一个近端的端粒在短臂上问。对这些染色体的17个长端的端粒分析后发现,在每条染色体的最后的基因约1~7kb特定序列之后,每个远端的端粒有一个3~4kb的亚端粒结构区,在17个端粒中约有70%~92%的序列是相同的,在最后几个Kb之后有一个TTAGG重复序列。

2.3纵向同源基因及蜜蜂进化速度

与3种脊椎动物[人(Homosapiens)、鸡(Gallusgallus)和鱼(Tetraodonnigroviridis)]及昆虫中的蚊子及果蝇的纵向同源基因比较,发现蜜蜂与人类的平均基因相似度比果蝇和蚊子要高,这说明蜜蜂进化为昆虫的速度比较慢。并且含有与后口动物相同的基因,但这些基因在果蝇中已经消失。

3蜜蜂的发育

3.1性别决定

蜜蜂的性别决定系统与其它昆虫不同,它没有剂量补偿效应,也没有雄性的减数分裂。蜂王长成后经婚飞与多个雄蜂交配,储存了大量的精子,不再飞行。蜂王产下的受精卵发育成工蜂,产下的未受精卵发育成雄蜂,所以,在蜜蜂中,雌蜂是二倍体,雄蜂是单倍体。但是蜜蜂的性别并不是由染色体倍数决定的,而是决定于一个互补性别决定基因(complementarysexdeterminer,csd)。蜜蜂没有性染色体,但蜜蜂拥有与果蝇mn、ec及却n基因同源的基因,尽管它们并不在性别决定中发挥作用,其功能至今尚未被揭示。果蝇性别决定系统中的其它基因,如msl-3、mle、mof、Trl、dsx等也在蜜蜂中有同源的基因存在。所以,虽然蜜蜂与果蝇在性别决定过程中有明显差异,但在基因组水平上有相似性。

蜜蜂基因组研究进展

3.2气味识别基因

蜜蜂基因组分析表明,蜜蜂控制嗅觉的基因极为发达,数量超过果蝇和蚊子的同类基因,而控制味觉的基因明显较少,这说明灵敏的嗅觉是影响蜜蜂觅食和与同类通信的主要因素。

3.3社会分工

基因可能决定蜜蜂的社会分工。比如,工蜂神经中枢里一些“主控基因”的开启或关闭,会使工蜂由照料蜂王的“护工”转变成以攻击为主的“守卫”。果蝇也有同样的基因,却没有这些功能。

4蜜蜂的级型分化、繁殖及蜂王长寿现象的研究

4.1级型分化

级型是指在社会性昆虫的群体中,同一性别具有不同的形态、身体结构、职能和行为的个体类型。在蜂群中,蜂王和工蜂都是由受精的二倍体卵发育而成,遗传基因完全相同,但由于发育环境及营养的差异而产生不同级型的分化。如蜂王在王台中发育,能得到充足且质优的王浆,并在最佳温湿度下发育,工蜂发育却不是如此,以致性器官发育不完全。

对级型分化的分子水平(ESTs和GO分析)研究发现,与代谢相关的基因对与极型分化的EST类群是非常重要的,这更多证实了早期对蜜蜂级型分化决定主要是由于代谢改变的假说是正确。例如,蜂王和工蜂在氧化还原酶和水解酶的基因表达上有不同的形式,在氧化还原酶的表达上蜂王是过量表达的,但在水解酶的表达上,蜂工是过量表达的。在高度社会性物种中,由于分工不同,膜翅目昆虫雌性在前胚胎时期的分化就可以改变表现型。

4.2MRJPs(majorroyaljellyproteins,王浆主蛋白)的研究

王浆是6~18日龄青年工蜂发达的咽下腺和上颚腺分泌的物质,为蜂王的终身食物及养育工蜂幼虫。MRJPs是王浆中的主要成分。基因组分析表明,MRLPs包含9条基因,均来源于一个黄蛋白基因家族。这个古老的黄蛋白基因家族在蜂王和工蜂中都是相同的,但在社会进化中功能有了分化。这为基因家族在进化过程中获得新功能提供了一个好例子。

4.3胰岛素/类胰岛素生长因子信号

胰岛素/类胰岛素生长因子信号对调节衰老、能量代谢、繁殖及其它重要的生物学进程有很重要的作用。与果蝇相比,蜜蜂的胰岛素/类胰岛素生长因子信号路径有显著不同。蜜蜂只有两个基因编码类胰岛素肤,两种尚还是假设的胰岛素/IGF-1受体。蜜蜂还有4种与线虫同源的与长寿调节相关的基因,而果蝇只有一种。或许,这些差异与一个传统问题繁殖率和寿命之间的联系问题有关。一般认为,繁殖率高(即新陈代谢快)的寿命短,但对于蜂群中的蜂王,同时拥有高繁殖率和长寿,这可作为研究胰岛素/类胰岛素生长因子信号可以延长寿命而又无负面影响于繁殖能力的一个很重要模型。

4.4表皮形成系统及免疫和解毒系统

通过对基因组的研究发现,蜜蜂体内与表皮形成相关的基因少于其它昆虫。

在蜜蜂身上的病原体有病毒、细菌、真菌和原生生物病原体及其它寄生虫。由于蜜蜂处于一个比较拥挤的巢内,容易受到病原体的侵害。但对蜜蜂基因组的研究发现蜜蜂在免疫系统及疾病防治方面的基因也少于其它昆虫,这说明蜜蜂有新的免疫途径,在蜜蜂个体水平上的免疫力是很弱的,只限于对一小群共同进化的病原体的免疫系统。

蜜蜂用于解毒的基因也比较少,所以对杀虫剂很敏感。杀虫剂是亲脂型的,所以可以在巢房内的亲脂物质(如蜂蜡和花粉液)上积累,使得巢脾成了杀虫剂的累积器,最后影响蜂王产卵率和幼虫发育。有些致死因子还能影响蜜蜂学习能力及对气味的条件反应,这些特性直接影响蜜蜂采集。

5基因调节

5.1DNA甲基化

DNA甲基化是脊椎动物的特征。在果蝇和其它非脊椎生物是否有甲基化现象还存在争论。对蜜蜂基因组的研究发现,蜜蜂基因可以编码所有脊椎动物DNA甲基化所需要的蛋白的同源物。此外,蜜蜂DNA甲基化系统在活体内也是有功能的。

5.2RNA干扰

蜜蜂基因组中只有一个RNA干扰体系必须的基因(sid-1)的同系物。在类SID-1基因数量上的不同可能与蜜蜂RNA干扰功效有关。对蜜蜂RNA干扰的第一次证明是在胚胎时期注入dsRNA,但只有15%表现出减弱目标基因表达的干扰效果,随后将dsRNA注人到新的胚胎时,96%表现出突变异体。然而,对蜜蜂基因沉默的分子机制细节部分还没有得到详细的阐述,而且对昆虫的RNAi体系中的SID-1也了解得很少。

蜜蜂基因组也能够编码在其它物种中与RNA干扰核心机制有关的许多相似的蛋白上,如有两个Dicer(Dcr)酶、Drosha同系物和RISC复合体以及dsRNA结合蛋白的所有组件等都证明为蜜蜂RNAi路径的组成体。

5.3核受体

核受体,是存在于动物的DNA结合蛋白家族,许多发育和生殖过程都受其调控。Fahrbach及其同事研究蜜蜂基因组序列,寻找所有的核受体(nuclearreceptor)。发现控制生命早期阶段神经系统发育的核受体,在成年蜜蜂中表达于特异的、高度可塑脑区,仍旧发挥调节大脑生长的相似功能。这些结果有助于研究核受体在蜜蜂早期发育、生殖以及成年蜜蜂特定行为发育中的作用N。蜜蜂与果蝇可能有同套核受体,因为它们的生命过程中都存在变态(metamorphosis)环节,但是在蜜蜂基因组中发现一个果蝇基因组中不存在的基因。对于人类,此基因是研究正常发育所不可或缺的。尽管还不是很清楚此基因在蜜蜂中的功能,但已首次证实此基因编码的蛋白只在蜜蜂发育过程的复眼中存在。

6蜜蜂发展史及群体遗传学

通过对蜜蜂基因组信息的初步研究,可以提供关于蜜蜂起源以及该物种在世界范围内的传播的相关信息,并可以支持膜翅目昆虫起源于早期的全变态昆虫的假说,挑战了现在认为比甲虫类分化晚的观点。并且得出蜜蜂科的分科早于现今认为的时间,这些证据来源于最早蜜蜂的化石(Melittosphexburmensis),在缅甸北部的琥珀样品中发现,为1亿年前(即白垩纪早期),它们具有现在蜜蜂的几种特征和形态结构包括分叉的毛,研究人员认为这种毛与采集花粉有关。

基因组分析还表明,蜜蜂的祖先与人类祖先一样来自非洲。科学家们认为,最古老的蜜蜂来自撒哈拉沙漠以南,后来经过两次迁徒,逐步分布到欧亚大陆各个角落,并发生适合当地条件的进化,但这两次迁徒也发生在很久以前。17世纪以后才来到美洲,被称为“一次外来物种入侵的精彩范例”。这一发现突破了蜜蜂起源于欧亚大陆的传统观点。

蜜蜂不仅具有重要的授粉利用价值,蜂产品亦为人类健康之友,更为重要的是蜜蜂具有惊人的学习、记忆、导航能力和复杂的社会性行为,蜜蜂已成为学习、记忆、导航等神经生物学研究领域的良好模型,其复杂社会性行为的机制和应对周围环境的策略必将对人类社会的发展提供有益的启迪。蜜蜂的免疫系统和长寿机制研究将为人类过敏、精神疾病、长寿及x染色体相关疾病的研究提供新的模型。蜜蜂基因组测序的完成标志着蜂学研究进入后基因组时代,基因功能和调控机制的研究将成为新热点。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《中国蜂业》2007(4)

浙江大学蔡芳苏松坤钟伯雄陈盛禄

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