[中國(guó)科學(xué)報(bào)] 逆襲!工蜂咋當(dāng)上了蜂王
發(fā)布時(shí)間:2023-09-13
|來(lái)源: 中國(guó)科學(xué)報(bào)|作者:李晨
圓圓的腦袋、胖胖的身體、鼓鼓的屁股、顯眼的黃色和黑色的斑紋,看起來(lái)非??蓯?ài)的熊蜂,是設(shè)施農(nóng)作物最理想的授粉昆蟲(chóng)之一。熊蜂不僅外表和蜜蜂不同,其習(xí)性和生理構(gòu)造也不一樣。熊蜂工蜂保留著完整的受精囊,而蜜蜂工蜂的生殖器官已經(jīng)退化或喪失。
近日,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所研究員李繼蓮牽頭完成的研究成果在《自然-通訊》發(fā)表。該成果揭開(kāi)了熊蜂的進(jìn)化之謎,挑戰(zhàn)了熊蜂工蜂終身不能交配是羽化前決定的這一認(rèn)知。這一發(fā)現(xiàn)也是了解蜂類(lèi)等社會(huì)性昆蟲(chóng)進(jìn)化歷程的一個(gè)重大飛躍。
李繼蓮從事熊蜂研究長(zhǎng)達(dá)22年,她告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,熊蜂大概有250種,分布在世界各地。其中,中國(guó)有125種,約占全世界熊蜂種類(lèi)的50%,是熊蜂種類(lèi)最豐富的國(guó)家。
與蜜蜂是復(fù)雜高級(jí)社會(huì)性昆蟲(chóng)不同,熊蜂是簡(jiǎn)單高級(jí)社會(huì)性昆蟲(chóng)。熊蜂大部分一年一代,蜂王需要越冬度過(guò)滯育期。熊蜂蜂群由一只交配過(guò)的蜂王獨(dú)居繁殖而來(lái),因而蜂王在初始階段負(fù)責(zé)產(chǎn)卵、采集和飼喂。第一批工蜂成熟后,才開(kāi)始勞動(dòng)分工,承擔(dān)起哺育幼蟲(chóng)、清理巢房、采集食物等工作。當(dāng)工蜂開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)卵,蜂群就出現(xiàn)雄性蜂,新的蜂王性成熟后交配,又進(jìn)入下一輪滯育期,就這樣一代一代地繁衍。
一個(gè)多世紀(jì)前,昆蟲(chóng)學(xué)家William Morton Wheeler將社會(huì)性昆蟲(chóng)定義為超有機(jī)體。其群體成員有嚴(yán)格的勞動(dòng)分工和協(xié)作,形態(tài)和生理也有所不同。個(gè)體則擔(dān)當(dāng)不同角色,就像一個(gè)有機(jī)體的各種器官。個(gè)體離開(kāi)群體不能單獨(dú)生活,但每個(gè)成員自身又是一個(gè)完整的動(dòng)物有機(jī)體,它們通過(guò)協(xié)作和互相依賴(lài)實(shí)現(xiàn)共同的生存和繁殖目標(biāo)。典型的例子就是蟻群和蜜蜂群。
丹麥哥本哈根大學(xué)社會(huì)進(jìn)化中心教授Jacobus J. Boomsma 認(rèn)為,超有機(jī)體的一個(gè)主要特征就是雌性在羽化前就決定了生殖勞動(dòng)分工的兩種級(jí)型。級(jí)型是指社會(huì)性昆蟲(chóng)群體中同為雌性卻具有不同形態(tài)、身體結(jié)構(gòu)、勞動(dòng)分工和行為的個(gè)體類(lèi)型,如蜜蜂中的工蜂和蜂王。
蜂王具有繁殖優(yōu)勢(shì),能夠交配、儲(chǔ)存精子和產(chǎn)下受精卵;而工蜂同為雌性,終身不交配。工蜂和蜂王的級(jí)型分化類(lèi)似于后生動(dòng)物的體細(xì)胞和生殖細(xì)胞的分化,而且級(jí)型分化是不可逆的。
一旦工蜂進(jìn)化為義務(wù)幫工,它們就不能生殖雌性后代,但可以產(chǎn)下不需要受精的單倍體雄蜂。因此,工蜂的生殖器官如卵巢和受精囊退化或喪失等現(xiàn)象,在蜜蜂和大多數(shù)螞蟻中普遍存在。傳統(tǒng)理論認(rèn)為,這不僅消除了在未交配個(gè)體中發(fā)育和維持這些器官的成本,而且級(jí)型之間的這種形態(tài)特殊化將促進(jìn)有效的勞動(dòng)分工,減少群體內(nèi)的生殖沖突。
然而,2000年,科學(xué)家在解剖比較熊蜂的工蜂和蜂王的生殖器官時(shí)發(fā)現(xiàn),熊蜂工蜂具有和蜂王類(lèi)似的受精囊,而且受精囊的生理結(jié)構(gòu)和分泌物也與蜂王類(lèi)似,只是大小不同。
后來(lái),科學(xué)家又在胡蜂和某些螞蟻亞科中發(fā)現(xiàn),終身不能交配的雌性工蜂保留著完整的受精囊。這成為一個(gè)未解的進(jìn)化之謎。
當(dāng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)熊蜂工蜂的受精囊與蜂王的受精囊類(lèi)似時(shí),并沒(méi)有揭示熊蜂工蜂的受精囊是否有功能,以及為何保留完整且耗能的受精囊。據(jù)論文評(píng)審人分析,可能是因?yàn)樾芊淙斯な诰且粋€(gè)相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)。
李繼蓮在10多年前就特別重視熊蜂的人工授精,但因種種原因,研究沒(méi)有進(jìn)行下去。直到2019年,她遇到了論文第一作者莊明省—— 一名會(huì)做蜜蜂人工授精的學(xué)生。
“中國(guó)養(yǎng)蜂學(xué)會(huì)40周年會(huì)議那天,我和李老師第一次見(jiàn)面,卻一見(jiàn)如故?!鼻f明省回憶說(shuō),當(dāng)時(shí)他們一拍即合,開(kāi)始著手做熊蜂人工授精。
在嘗試過(guò)程中,莊明省非常偶然地使用了熊蜂工蜂進(jìn)行人工授精練習(xí)。
“當(dāng)時(shí)我解剖授精的工蜂,清晰地看到精子竟然轉(zhuǎn)移到工蜂的受精囊內(nèi)。于是產(chǎn)生了一個(gè)想法——工蜂授精后能否產(chǎn)下受精卵?”李繼蓮得知了莊明省的這一想法,既驚喜又覺(jué)得不可思議,于是一起設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
然而,第一次和第二次嘗試都以失敗告終——授精的工蜂死了。
第三次,一只授精的工蜂成活了,并產(chǎn)下受精卵孵化出了工蜂。
“那時(shí)我只覺(jué)得神奇,但李老師不一樣,她非常重視這個(gè)現(xiàn)象。她說(shuō)這個(gè)科學(xué)問(wèn)題需要我們解決?,F(xiàn)在回想起來(lái),這應(yīng)該就是一位科研人員的敏銳之處吧,也讓我知道了什么是科學(xué)研究——發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題,然后解決問(wèn)題。”莊明省說(shuō)。
然而,這個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)的下一步,是如何證明工蜂在何種狀態(tài)下可以交配,這是研究中最難解決的問(wèn)題。
“我們一直在嘗試各種條件,看工蜂能在哪種情況下進(jìn)行交配,但都沒(méi)有結(jié)果?!崩罾^蓮說(shuō)。
那段時(shí)間,莊明省簡(jiǎn)直不眠不休。一天半夜,他睡不著覺(jué),又爬起來(lái)觀(guān)察養(yǎng)的那些熊蜂。他突然發(fā)現(xiàn),剛剛羽化出房沒(méi)多久的工蜂也會(huì)互相攻擊。
第二天,他告訴李繼蓮這個(gè)現(xiàn)象,二人猜測(cè)——是不是工蜂受到社會(huì)環(huán)境的抑制才不能交配?也就是說(shuō),工蜂孤立了就可以交配。
“于是我們開(kāi)始做驗(yàn)證,在看到孤立后的工蜂像蜂王一樣交配的那一刻,心情非常激動(dòng),同時(shí)強(qiáng)烈感受到這些生物的神秘?!崩罾^蓮說(shuō),羽化后孤立的熊蜂工蜂具有交配的能力,這意味著工蜂的交配能力并不是在羽化前喪失的,而是在受到蜂群社會(huì)因素的抑制后才喪失。
換句話(huà)說(shuō),工蜂的交配能力是與生俱來(lái)的,因?yàn)楣し溆鸹髥为?dú)飼養(yǎng)時(shí)可以與雄蜂交配,而在蜂群中飼養(yǎng)卻失去了交配能力。
他們還觀(guān)察到,失去蜂王的蜂群里的工蜂,也有機(jī)會(huì)交配且繁殖出雌性后代。“工蜂在失王的蜂群中有機(jī)會(huì)交配,可能是一種繁殖策略,以維持蜂群發(fā)展,應(yīng)對(duì)蜂王的早期損失。”李繼蓮說(shuō)。
該研究結(jié)果可以解釋熊蜂工蜂終身不交配卻保留完整受精囊的悖論,顛覆了已有認(rèn)知,為社會(huì)性昆蟲(chóng)熊蜂的進(jìn)化提供了新的理論指導(dǎo),將促使人們重新評(píng)估工蜂級(jí)型在社會(huì)性蜂群中的作用,具有重要的科學(xué)價(jià)值。
此外,人們還可以利用工蜂的交配和繁殖能力為阻止全球熊蜂數(shù)量下降提供新方法。李繼蓮說(shuō),對(duì)稀有和瀕危熊蜂物種的工蜂進(jìn)行人工授精,可用于熊蜂蜂王的大量繁殖,如果將它們放歸棲息地,對(duì)熊蜂多樣性的保護(hù)將會(huì)起到重要作用。
“熊蜂超出我們的想象。我們會(huì)繼續(xù)探索熊蜂世界的奧秘?!崩罾^蓮說(shuō),后續(xù)的科學(xué)問(wèn)題還有待進(jìn)一步探究,比如工蜂交配被抑制的機(jī)制、級(jí)型分化的機(jī)理等。
相關(guān)論文信息:
https://doi.org/10.1038/s41467-023-41198-6
(單位: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所)