陳 兵,駱家宇

(河北大學生命科學學院, 保定 071002)

中華蜜蜂Apisceranacerana為膜翅目(Hymenoptera)蜜蜂科(Apidae)蜜蜂屬Apis東方蜜蜂Apiscerana亞種的昆蟲,擁有所有亞洲蜜蜂屬物種中最大的原生范圍,是亞洲自然和農業(yè)種植系統(tǒng)中最重要的本地傳粉媒介之一(國家畜禽遺傳資源委員會, 2011)。我國除新疆和內蒙古北部外的其余各省市均有中華蜜蜂分布(楊冠煌, 2001)。在長期的自然選擇作用下,中華蜜蜂很好地適應了當地的開花植物,融入了當地的自然環(huán)境,成為當地生態(tài)環(huán)境不可替代的一環(huán),發(fā)揮著至關重要的生態(tài)作用(Abroletal., 2012)。盡管如此,中華蜜蜂正面臨著前所未有的種群多樣性下降,對亞洲區(qū)域的作物授粉服務功能造成直接損害,加劇了人類的食物短缺態(tài)勢(Abrol, 2013; Theisen-Jones and Bienefeld, 2017)。研究人員認為,中華蜜蜂數量下降的原因包括氣候變化和人為影響而加速的棲息地變化(Pottsetal., 2010)。

我國作為中華蜜蜂分布的大國,隨著蜜蜂分子生物學領域的發(fā)展,從2000年開始應用形態(tài)標記和分子標記開展形態(tài)遺傳分化和遺傳多樣性的研究(陳晶等, 2008; 劉之光和石巍, 2008)。通過形態(tài)學測量分析,在我國共發(fā)現中華蜜蜂14個形態(tài)類群,解釋了中華蜜蜂在中國地理環(huán)境下的遺傳分化和遺傳資源分布(朱翔杰等, 2022)。采用線粒體DNA對我國中華蜜蜂遺傳多樣性分析,已發(fā)現多種線粒體非編碼區(qū)序列單倍型(姜玉鎖等, 2007)。采用基因組測序技術分析發(fā)現6個中華蜜蜂外周群是由一個中心群輻射分化出來的,并獨立適應不同棲息地(Jietal., 2020)。這些研究為深入探究中華蜜蜂種群結構和遺傳進化分析提供有力的支撐。

研究廣泛分布的蜜蜂種群對揭示環(huán)境適應的遺傳學基礎具有重要意義。我國南方熱帶雨林到北方溫帶森林、草原及高原地帶均有中華蜜蜂分布,生活在青藏高原的中華蜜蜂主要棲息于海拔3 300 m左右的山谷,且具有個體大、絨毛長、體色深等特點(楊冠煌, 2001)。而地處南方熱帶邊緣的海南島,其獨特的地理資源環(huán)境和氣候環(huán)境造就了具有個體小、分蜂性強、耐熱等生物學特性的海南中華蜜蜂種群(楊冠煌, 1982, 1984)。這些多樣性的中華蜜蜂種群為探究其遺傳多樣性以及環(huán)境適應性奠定了基礎。

基于相關的研究進展,在本文中我們主要綜述了環(huán)境因素對中華蜜蜂種群的遺傳分化的影響,討論中華蜜蜂在不同環(huán)境下的適應行為,提出未來關于中華蜜蜂環(huán)境適應性研究的重點方向,這對深入研究中華蜜蜂不同環(huán)境的適應性機制和制定有效的保護策略至關重要。

1 種群遺傳分化與環(huán)境因素相關性

已有的研究比較分析了不同地理環(huán)境下中華蜜蜂種群遺傳結構,以及與鄰近大陸中華蜜蜂種群遺傳分化,探索中華蜜蜂種群遺傳分化的環(huán)境因素,從而促進蜜蜂種群遺傳學理論的構建,為中華蜜蜂資源保護和區(qū)域性適應奠定基礎。研究表明,促進中華蜜蜂種群遺傳分化的環(huán)境因素主要如下。

1.1 生態(tài)環(huán)境

生態(tài)環(huán)境,特別是與海拔和經緯度相關的生態(tài)環(huán)境變化,是導致遺傳分化的基因流限制的重要原因。首先是海拔相關的環(huán)境變化上,棲息在山區(qū)的中華蜜蜂與鄰近的低海拔地區(qū)的種群在形態(tài)上不同,生理和行為上亦表現出差異。研究人員比較了從中國云南和甘肅兩省采集的60頭中華蜜蜂的基因組,基于種群遺傳分化指數(Fst)、群體遺傳多樣性(θw)以及群體間擴展單倍型純合度法(cross population extended haplotype homozygosity, XP-EHH)分析發(fā)現,候選區(qū)編碼序列豐富,單倍型純合度高,特別是與平原種群相比,高原蜜蜂種群的分化程度增加(Montero-Mendietaetal., 2019),表明中華蜜蜂在高海拔生境經歷了選擇。青藏高原平均海拔超過4 000 m唐古拉山脈將帕隆藏布河谷、金沙河谷、亞龍河谷和大渡河谷隔開,限制了青藏高原東部與南部低海拔地區(qū)中華蜜蜂種群的混合,從而將其分為波密種群,小金種群,雅江、九龍、木里種群以及巴塘、德榮、迪慶種群。其中波密種群有4個特有單倍型(Yuetal., 2019),說明高原山脈導致西藏種群出現特定遺傳分化。Shi等(2020)在中國14個地點采集中華蜜蜂并對全基因組測序后,根據種群結構和主成分分析將中華蜜蜂分成7組,其中西藏和滇南種群與其他種群出現遺傳分化。隨后研究人員構建進化樹分析這7個不同種群的系統(tǒng)發(fā)育關系,結果大致可以組合成3個主要的系統(tǒng)發(fā)育群,其中C1支是由亞熱帶地區(qū)的滇南和青藏高原地區(qū)的種群組成,這兩個種群均來自中國西南部,與其余中華蜜蜂種群形成姊妹種群,共同代表了此研究中最早的分化譜系。從上可以看出,喜馬拉雅山脈作為世界海拔最高的山脈,導致中華蜜蜂種群之間出現顯著分化,故海拔在進化的相對速率中起著關鍵作用,可能會影響全球生物多樣性的模式。

中華蜜蜂種群遺傳分化還與緯度相關。Songram等(2006)在泰國的5個主要地點采集中華蜜蜂,研究發(fā)現北緯、中緯地區(qū)種群與南緯地區(qū)種群出現譜系分化,說明泰國地區(qū)的中華蜜蜂遺傳多樣性可能是受緯度影響。來自長白山的種群與青藏種群、南方種群、西北種群及北方種群的平均Fst值均高于0.21,顯示長白山種群與其他種群間具有高度的遺傳分化,中華蜜蜂長白山種群因此被認為是長白山區(qū)的獨特生態(tài)型(Liuetal., 2022),這可能與長白山地區(qū)的緯度密切相關。

1.2 地理距離

遺傳距離是研究種群遺傳多樣性的基礎,可用來描述種內的遺傳結構和種間變異,反映所研究種群的系統(tǒng)進化(Barker, 1994)。徐新建等(2013b)利用微衛(wèi)星DNA分型技術分析黃土高原9個中華蜜蜂種群樣本,計算得到黃土高原不同樣點間的Fst范圍為0.010～0.067,Monte Carlo檢驗結果也顯示各樣點間的遺傳分化水平與地理距離呈正相關,這一結果表明地理距離越遠,中華蜜蜂的遺傳分化越大。但吉挺等(2009)對華東地區(qū)的6個中華蜜蜂種群進行遺傳分析發(fā)現,在群體的形成過程中地理距離并不是影響其群體遺傳結構的決定因素。隨后,Chen等(2018)計算了中國各地18個中華蜜蜂種群的Fst值,發(fā)現一些相隔距離較遠的種群被連接起來,如安康和納雍種群等,而岷縣和九寨種群等相隔距離較近的種群未被連接,這表明遺傳距離和地理距離相關性并不顯著。因此,地理位置的相對隔離是中國各地理種群中華蜜蜂形成重要因素之一,但地理因素并沒有完全影響到其群體間的基因流動。

1.3 物理屏障

關于物理屏障對遺傳分化影響的研究發(fā)現,在皖南山區(qū)與皖西大別山區(qū)中華蜜蜂群體間平均遺傳分化系數為16.7%,這是由于山區(qū)阻礙種群間的基因交流,造成兩個種群出現極顯著的遺傳分化現象(陳楊等, 2011)?；谖⑿l(wèi)星DNA的研究發(fā)現,中華蜜蜂海南島種群同大陸種群的遺傳結構達到中等分化,推測了海南島中華蜜蜂同大陸蜜蜂發(fā)生遺傳分化是由于瓊州海峽的隔離起到了重要作用(徐新建等, 2013a)。隨后谷瑛等(2016)發(fā)現了3個新的東方蜜蜂單倍型,分別是大巴山CqH4、大婁山CqH7和西部丘陵CqH13,這表明中華蜜蜂在復雜地形下種群遺傳資源豐富,所處山脈的不同會導致中華蜜蜂產生分化。Chen等(2018)發(fā)現,波密、?？诤婉R爾康3個種群的Fst值均大于0.1,與其他種群相比分化明顯,這也與主成分分析的結果相一致。這些種群主要生活在如島嶼和山區(qū)的物理屏障中,與其他種群獨立,此研究很好的解釋了強大的物理屏障是影響種群分化的主要原因之一,而非單純的地理距離。

1.4 其他

中華蜜蜂囊狀幼蟲病是嚴重危害中華蜜蜂幼蟲的傳染性病害,發(fā)病時蜂群的死亡率常達50%以上(王雙進, 2008),個體的死亡會造成等位基因喪失,最終導致遺傳多樣性的下降。郭慧萍等(2016)對暴發(fā)過中華蜜蜂囊狀幼蟲病的樣點分析后發(fā)現,其微衛(wèi)星位點遺傳多樣性顯著低于未發(fā)病區(qū)的,部分位點出現大量等位基因丟失的現象,如Ac-2在發(fā)病區(qū)與未發(fā)病區(qū)等位基因數丟失50%,充分說明中華蜜蜂囊狀幼蟲病也是降低中華蜜蜂的遺傳多樣性的原因之一。人為干預或許也會使蜂種的遺傳結構發(fā)生變異。例如,近年來大量內陸的中華蜜蜂由于利益驅使被販賣到海南,內陸種群和海南種群產生基因交流,從而導致海南中華蜜蜂在遺傳結構上發(fā)生顯著變化(徐祖蔭, 2022)。比較華中地區(qū)黃岡市和神農架地區(qū)的兩個種群遺傳參數,發(fā)現平原上的中華蜜蜂表現出比高山地區(qū)更高的遺傳多樣性(Fangetal., 2022),這很好地說明人類活動導致的平原過度城市化也會極大影響中華蜜蜂的種群分化。

2 形態(tài)變異與環(huán)境適應

昆蟲形態(tài)發(fā)育受環(huán)境條件,包括溫度、氧氣、濕度、寄主等影響。昆蟲作為變溫動物,其體型與該物種活動時期的環(huán)境溫度存在顯著的相關性(Sheppard and Smith, 2000; Stillwell and Fox, 2007),該變化符合貝格曼法則或反貝格曼法則。除溫度以外,濕度會比溫度對黑腹果蠅Drosophilamelanogaster種內體型變異有更高度的相關性,暗示了濕度可能是一個比溫度更重要的體型選擇因素(Hoffmann and Harshman, 1999)。有研究者對遠古化石的研究表明,在昆蟲進化的前150百萬年,隨著空氣中氧濃度的下降,昆蟲的翅長逐漸縮短(Clapham and Karr, 2012)。而四紋豆象Callosobruchusmaculatus的體型與種子的大小顯著相關,表明寄主大小限制了昆蟲的生長(Stillwelletal., 2007)。同樣,作為廣布種,中華蜜蜂在不同環(huán)境因素的限制下,其形態(tài)發(fā)育會受到明顯影響,我們將影響中華蜜蜂形態(tài)特征的主要環(huán)境因子匯總為表1。

表1 影響中華蜜蜂形態(tài)特征的主要環(huán)境因子Table 1 Major environmental factors affecting the morphological characteristics of Apis cerana cerana

2.1 高原和海拔因素影響

高原地區(qū)較平原地區(qū)而言,一般具有更低溫度和氧分壓、更高紫外輻射和不一樣的植被。為適應高海拔環(huán)境,高原上的動物在形態(tài)、生理和行為等方面具有適應性特征(Bush, 2001; Simonsonetal., 2013)。譚墾和張炫(2001)及譚墾等(2005)從我國34個不同地區(qū)采集中華蜜蜂樣本,海拔范圍為100～2 700 m,測定發(fā)現中華蜜蜂的38個形態(tài)特征中有13個表示體型大小的特征與海拔顯著相關,隨著海拔高度增加,中華蜜蜂個體逐漸變大,體色變深。李華等(2008)測量發(fā)現,青海民和縣高海拔地區(qū)中華蜜蜂的形態(tài)特征包括前翅、后腿、腹部背板、絨毛長、腹片寬和蠟鏡間距等值變大,腹部背板和喙的色度變深,可能與其高海拔低溫的生境有關。席景平等(2012)發(fā)現,甘肅低海拔地區(qū)(海拔<1 200 m)的中華蜜蜂形態(tài)上比較接近東北、華中和北京的中華蜜蜂,高海拔地區(qū)(海拔>2 700 m)的中華蜜蜂則常表現為個體大、體色深、絨毛長的特點。體表附著的絨毛,除能黏附大量花粉粒外,還有保護和保溫的作用(徐祖蔭, 2022)。張祖蕓等(2014)對云貴高原中華蜜蜂與滇南中華蜜蜂的38個形態(tài)特征的測定結果表明,滇南中華蜜蜂比云貴高原中華蜜蜂體型相對較小,這可能與高海拔低溫環(huán)境有關,其體型變化符合貝格曼法則。Sousa等(2016)使用形態(tài)學分析了71個中華蜜蜂種群的形態(tài),發(fā)現翅面積與海拔高度顯著相關。此特征與高原低氧環(huán)境相關,因為在高海拔地區(qū),稀薄的空氣影響了個體的氧氣供應(Klok and Harrison, 2009)。此外,空氣密度隨著高度的增加而降低,為拍打翅提供的支撐更少,從而改變了這些昆蟲翅大小和重量之間的理想比例(Harrisonetal., 2010)。朱翔杰等(2022)測量了喜馬拉雅山脈藏南蜜蜂的形態(tài),并將其與中國其他地區(qū)的東方蜜蜂進行了比較,同樣發(fā)現高海拔藏南群與中國其他類群在形態(tài)上有明顯的差異,其體型僅次于川西高原的蜂群,并具有特殊的翅脈結構。因第5背板毛帶較長,展示藏南蜂體色深的獨特之處。綜上,這些表型差異表明,中華蜜蜂已經進化出更好的能力來應對高原環(huán)境,這對我們理解中華蜜蜂對高海拔的適應性進化機制有重要意義。

2.2 經緯度因素影響

沿經、緯度梯度的變化的環(huán)境條件可以為構建生物體的適應性性狀提供重要的選擇力,在許多生物群中經緯度的變化會影響生物的形態(tài)特征(Mittelbachetal., 2007; Myersetal., 2020)。龔雪等(2017)對山東省沂蒙山區(qū)(沂源、蒙陰)和海南文昌采集的中華蜜蜂樣本進行形態(tài)測量,與經緯度相關的形態(tài)特征有19項,包括腹部第2-4背板色度,腹部第4背板長,第7腹板寬度,第4腹板長度,后翅鉤數,翅脈角A4, K19, L13和N23脛節(jié)長,基跗節(jié)長,基跗節(jié)寬, 前頦寬及總體長等,它們與緯度呈極顯著正相關。劉強等(2021)對陜西省不同氣候類型中華蜜蜂的形態(tài)進行測定發(fā)現,其體長、肘脈指數等表型與緯度呈顯著正相關,與Franck(2000)等研究北緯的西方蜜蜂Apismellifera的地理形態(tài)趨化得出相同的結論。中華蜜蜂的體型隨著緯度的北移而增大,體色隨經度的東移而加深,這可能與經緯度協(xié)變相關的年氣溫降低有關(Vargasetal., 2010),即中華蜜蜂為了御寒,需要不斷地補充食物以滿足正常生命活動,因此導致個體發(fā)育變慢,個體變小。翅大小的變化一定程度上反映出體型大小的變化(Baietal., 2016)。邱立飛等(2018)對秦巴山區(qū)17個樣點的中華蜜蜂前翅進行量化分析,發(fā)現不同樣點翅大小的衡量指標CS(centroid size)值與經度、緯度之間存在顯著相關性,翅大小隨著緯度的升高而變大的結果與譚墾和祁文忠(2004)及譚墾(2005)對中華蜜蜂的體型及翅大小的研究結果一致。張睿(2022)對長白山地區(qū)中華蜜蜂種群所有形態(tài)特征測定發(fā)現,蠟鏡寬度與經度呈顯著正相關,蠟鏡大小作為衡量蜜蜂分泌蠟能力的重要指標,與蜂群的生存和繁衍能力密切相關。以上的研究已經確定了中華蜜蜂在大尺度經度和緯度梯度上的幾個關鍵特征的變化,這有助于更全面地了解經緯度是中華蜜蜂不同環(huán)境形態(tài)適應的驅動因素之一。

2.3 降水、濕度和氣溫(積溫)等因素影響

體型變化還與其他氣候因素的組合有關,體型較小與炎熱潮濕條件有關,較大體型與較冷和干燥的條件有關(James, 1970)。Yom-Tov和Nix(1986)研究表明,濕度和降水指數與體型的相關性通常比與溫度的相關性更好。王桂芝(2007)對華北等地區(qū)中華蜜蜂資源做了較為詳細的調查后發(fā)現,體型大小隨年均氣溫的降低而增大,體色隨年均降雨量的減少、年均氣溫的降低而變深。龔雪等(2017)發(fā)現年降水量與中華蜜蜂的9項形態(tài)特征相關,體色隨著年降雨量的增多而加深。劉強等(2021)同樣發(fā)現了翅長和翅寬與年平均降水量呈顯著負相關,喙長和翅面積與年平均氣溫呈顯著正相關,體長與年平均濕度呈正相關。由此推測,中華蜜蜂為了適應高溫高濕的氣候環(huán)境,體色變淺有利于散熱,而體型變大是蜜蜂自我調節(jié)的一種環(huán)境適應性體現,以保證采集更多的食物,保證正常生命活動。

此外,王桂芝(2007)發(fā)現,在紫外線輻射強的地區(qū),中華蜜蜂體色多為黑色,而在山東平原及近海地區(qū),光、溫、水資源適宜,中華蜜蜂體色較強輻射地區(qū)偏淺,一般呈淺棕或黃色。張睿(2022)發(fā)現,蠟鏡寬度與積溫、光合有效輻射呈顯著正相關,如前翅寬度、跗節(jié)長度、跗節(jié)寬度、蠟鏡長度、蠟鏡寬度、腹部第4背板長度,其中蠟鏡寬度與≥15 ℃積溫具有正相關性,這是由于15 ℃是大部分蜜源植物生長發(fā)育的起始溫度,也是中華蜜蜂出巢采蜜的臨界溫度,因此,長白山地區(qū)的中華蜜蜂種群的生存和散布受到≥15 ℃積溫的直接或間接影響,故積溫也是影響蜜蜂的生長和分布的因素之一。

3 環(huán)境適應性生理和行為改變

蜜蜂的生命活動和地理分布具有很強的溫度依賴性,這為我們研究中華蜜蜂環(huán)境適應性生理提供理論基礎。研究表明,寒冷地區(qū)的昆蟲面臨著低溫脅迫,嚴重制約其新陳代謝和生理活動(Colinetetal., 2017)。馬海清(1988)發(fā)現,中華蜜蜂存活的最適溫度是20～34 ℃,溫度5～6 ℃時中華蜜蜂仍保有振翅飛行能力,這因為低溫環(huán)境下中華蜜蜂個體具有極強的自我調節(jié)能力,通過減弱蒸發(fā)作用、消耗體內脂肪、促進肌肉收縮等運動產生熱量,使體溫高于環(huán)境溫度,從而確保在短期的低溫條件下保持活性(Tautzetal., 2003; Grohetal., 2004; Teets and Denlinger, 2013; Wangetal., 2016)。秦明等(2017)在低溫環(huán)境檢測到中華蜜蜂體內游離水含量會顯著降低,將體內游離水轉化為結合水,以降低過冷卻點(Wolfeetal., 2002),這或許是蜜蜂重要的抗寒機制。甘油是中華蜜蜂體內重要的低溫保護劑,參與蛋白質的穩(wěn)定和細胞膜的保護途徑(Kostáletal., 2007; Overgaard and MacMillanetal., 2017)。徐凱等(2018)研究表明低溫處理后蜂體內甘油水平顯著上調;蘇曉玲等(2022)同樣發(fā)現蜜蜂的甘油水平在低溫下持續(xù)增加。上述種種現象證實甘油是蜜蜂應對低溫環(huán)境的一種調節(jié)物質,起到了低溫保護作用。蘇曉玲等(2022)同時還發(fā)現低溫環(huán)境中糖原含量顯著降低,這可能與蜜蜂消耗大量的糖原以抵御寒冷相關(歐陽芳和戈峰, 2014)。相反,在高溫脅迫下,昆蟲會發(fā)生抗氧化反應,清除體內多余的氧自由基以維持正常的生理活動(Felton and Summers, 1995; Wuetal., 2011)。研究人員在35, 40和45 ℃的極端高溫下對中華蜜蜂的失水率進行測定,發(fā)現失水率會隨著溫度的升高而增加,這與Roberts和Harrison(1999)的發(fā)現一致,當西方蜜蜂暴露在33 ℃后水分流失增加且抗氧化酶的活性顯著增加,說明中華蜜蜂的抗氧化系統(tǒng)對高溫脅迫高度敏感(Li Xetal., 2019)。

另外,氧氣也是影響中華蜜蜂生命活動的重要環(huán)境因子。有研究表明氧氣壓力隨著海拔高度的增加而逐漸降低,在海拔3 000 m時,氧氣壓力比平原降低25%(Zhaoetal., 2013)。昆蟲通常含有特定的受體細胞,可以感知和檢測環(huán)境中CO2(Robertson and Kent, 2009),西方蜜蜂利用這類受體檢測環(huán)境中的CO2并通過振翅調節(jié)巢房中的CO2濃度(Seeley, 1974; Sudarsanetal., 2012)。經測定發(fā)現中華蜜蜂群內CO2濃度比外界環(huán)境高10～15倍(楊冠煌等, 1999),且隨著季節(jié)變化,CO2的群體水平從0.5%～2%增加到5%～6%(Weast RC, 1972; Van Nerum and Buelens, 1997; Kozak and Currie, 2011),這為我們探究其低氧適應生理及和行為變化奠定基礎。暴露于大于或等于9.7 kPa氧壓的蜜蜂都可以持續(xù)地懸停飛行,暴露在4.9 kPa氧壓的蜜蜂有低幅度翅運動的反應,并觀察到了深層的腹部抽吸運動(Barbara, 1997),說明蜜蜂對低氧有一定的耐受能力。高濃度CO2會對蜂王的交配產生刺激,如中華蜜蜂蜂王羽化后形成的高CO2濃度環(huán)境會刺激卵巢會發(fā)生明顯的發(fā)育(周建陽, 2022),進而促使卵母細胞發(fā)育和卵黃發(fā)生(Herrmann, 1969; Bergeretal., 2005)。

由于全球氣候變化,地球表面紫外線(UV)輻射的強度有所增加(Williamsonetal., 1996; Andersonetal., 2012),從而對不同昆蟲產生影響,如發(fā)育、生理(Gunn, 1998)、行為(Cowan and Gries, 2009)等過程。此外,紫外線輻射還會導致昆蟲的氧化應激和光感受器損傷(Meyer-Rochow and Mishra, 2007; Lopez-Martinezetal., 2008)。研究人員對中華蜜蜂進行254 nm, 30 mJ/cm2強度的紫外照射后,其輻射干擾機體活性氧(reactive oxygen species, ROS)的動態(tài)平衡,進而增加氧化應激對生物體的損傷(Zhaietal., 2018; Zhangetal., 2021; Gongetal., 2022),但對其具體的生理代謝和行為尚未有研究。相對濕度在蜜蜂孵育期間對幼蟲有顯著影響,但對蜂群之外的成年工蜂的攝食行為沒有直接影響(Joshi and Joshi, 2010),這是因為工蜂通過各種方法穩(wěn)定地維持蜂群的濕度,包括蒸發(fā)花蜜水和收集水(Humanetal., 2006)。研究人員發(fā)現,在35或40 ℃恒溫下,相對濕度為60%或70%時,工蜂的存活率隨著濕度的增加而降低,但存活率下降可能是高濕度與高溫互作的結果(Li Xetal., 2019)。綜上,生理代謝和行為改變是中華蜜蜂適應不同環(huán)境的重要策略,無論是降低代謝率還是減弱行動能力,都是為了保持中華蜜蜂在不同棲息地中的代謝穩(wěn)態(tài)與生存需求,但為了達到這一目的,中華蜜蜂應當具有更廣泛的適應方式和更強的適應能力。因此,從多角度探尋中華蜜蜂生理代謝和行為改變可能是未來研究的重要方向。

4 環(huán)境適應性變異的遺傳機制

研究物種的本地適應(local adaptation)對了解物種的進化和多樣性以及預測環(huán)境變化對物種分布的影響具有重要意義。篩選參與當地適應的遺傳區(qū)域和變異位置可以幫助瀕危物種制定保護計劃,也可以為種群結構和進化史提供幫助(Allendorfetal., 2010)。蜜蜂基因組學領域研究的日漸成熟,特別是2015年中華蜜蜂基因組的發(fā)表加快了我們對中華蜜蜂本地適應性的理解(Parketal., 2015),特別是通過種群全基因組重測序可以更好地了解自然種群間適應性差異的特定遺傳機制(Radwan and Babik, 2012)。

為了尋找環(huán)境和等位基因變異之間的關聯性,通過分析種群的進化歷史,推斷可能導致蜜蜂適應環(huán)境的候選基因。Montero-Mendieta等(2019)以海拔為環(huán)境變量,對中國云南和甘肅的不同海拔地區(qū)的東方蜜蜂樣本進行重測序,篩出10個候選基因區(qū)域,獲得23個與海拔高度顯著相關的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism, SNP),作為高海拔蜜蜂選擇證據,其中在2個分別編碼酯酶FE4-like和羧酸酯酶蛋白的基因中發(fā)現了大量的異常SNP。酯酶蛋白參與解毒、發(fā)育、求偶行為和繁殖等生命活動(Bloch Qazietal., 2003; Mackertetal., 2008),而且低溫會影響中華蜜蜂的酯酶活性(Maetal., 2018)。此外,在與蜜蜂嗅覺學習和記憶活動的增強以及覓食行為有關的N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid, NMDA)受體基因中發(fā)現大量SNP位點(Behrends and Scheiner, 2012; Kimetal., 2018),這與Park等(2015)重點關注的化學感受器基因相似,說明化學感應器在中華蜜蜂高原活動中扮演著十分重要的作用。

分布于青藏高原東南緣的中華蜜蜂是研究中華蜜蜂高原環(huán)境適應表型和遺傳變異的良好模型,通過對不同地區(qū)中華蜜蜂進行比較基因組探究,揭示了4個區(qū)域中華蜜蜂的重復序列存在明顯差異,且化學受體和免疫相關蛋白基因的缺失發(fā)生在不同的中華蜜蜂種群中,尤其是在阿壩種群。具體而言,阿壩種群包含最多的重復序列,并且丟失了最多的化學感覺受體和免疫相關蛋白以及亞家族(Lanetal., 2021)。

不同的自然環(huán)境影響當地植物的豐度和開花期,而蜜蜂緊密依賴于當地的花蜜和花粉資源,因此自然環(huán)境也是影響蜜蜂生活的一個重要因素。由于高原地區(qū)植物豐富度和年均開花期均低于非高原地區(qū)(Jietal., 2020),推測出高原環(huán)境中存在量較少的花蜜和花粉植物導致這一區(qū)域內的蜜蜂發(fā)育較少的化學感受器。通過對我國11個地區(qū)的中華蜜蜂種群篩選,獲得121個SNP位點,功能富集分析突顯了神經生物學、生物調節(jié)、行為和生長及物種間相互作用等基因(Li YCetal., 2019),表明與這些位點相關的基因參與本地適應。其次數百個受選擇基因參與蜜蜂的大腦功能和生理行為,蜜蜂的社會行為有助于種群維持巢穴的穩(wěn)態(tài)并抵消外部環(huán)境的變化(Seeley, 1985; Schmickl and Crailsheim, 2004)。此外,化學信號相關基因可能協(xié)調蜂群成員的行為和生理學,蛋白質編碼序列的變化可能與蜜蜂中發(fā)現的化學通訊系統(tǒng)的進化有關(Woodardetal., 2011)。物種的生存取決于其對環(huán)境脅迫的耐受程度,生態(tài)環(huán)境氣候的變化會影響物種的存活(Williamsetal., 2008)。研究人員對中國18個不同中華蜜蜂種群進行基因組測序后獲得的受選擇影響的基因主要富集在7個KEGG通路,其中最顯著的KEGG通路是Hippo信號通路,在西方蜜蜂中,該通路參與適應低溫氣候的適應(Chenetal., 2016)。GO的生物過程中最顯著富集的通路是對刺激的響應(response to stimuli)信號通路,這表明對外部信號的處理在中華蜜蜂適應不同環(huán)境中發(fā)揮重要作用(Chenetal., 2018)。Shi等(2020)通過對川西北高原中華蜜蜂種群和平原滇南種群比較轉錄組發(fā)現有151個差異基因,對這些不同功能基因進行通路富集分析,同樣富集到Hippo信號通路和海藻糖-磷酸合成酶(alpha trehalose-phosphate synthase)信號通路,說明中華蜜蜂受到低溫脅迫時,其中大多數基因參與了信號傳導和能量代謝過程。唐相友等(2022)基于對青藏高原東緣及東南緣高原中華蜜蜂與鄰近非高原中華蜜蜂的基因選擇壓力分析,發(fā)現受選擇的基因參與多個信號通路,其中Wnt, MAPK和Notch信號通路在蜜蜂等昆蟲的種群分化、胚胎形成、形態(tài)改變及器官大小調節(jié)等發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用(Deardenetal., 2006; Wilsonetal., 2011);同時,Hippo和FoxO信號通路被認為參與其溫度適應性過程(Halder and Johnson, 2011; Chenetal., 2018),這為中華蜜蜂適應低溫環(huán)境以及蜂種演化提供了分子生物學依據(圖1)。

圖1 中華蜜蜂環(huán)境適應性的分子機制Fig. 1 Molecular mechanisms underlying environmental adaptation in Apis cerana cerana在不同棲息地的中華蜜蜂種群面臨著不同的選擇壓力,受選擇通路常涉及多種行為和重要的生命活動及環(huán)境適應。圖中藍色和黃色框代表參與本地適應的基因和通路。A. c. cerana populations in different habitats face different selective pressures. Selected pathways often involve a variety of behaviors, important life activities and environmental adaptation. Blue and yellow boxes represent genes and pathways involved in local adaptation.

一些關鍵基因可能在蜜蜂的快速輻射和棲息地適應過程中被重復選擇利用。最近的研究表明,對中國及鄰近地區(qū)306頭中華蜜蜂成蜂進行基因組測序,篩選到候選基因共有179個,其中有26個基因在至少兩個外周組中處于選擇狀態(tài)。上述部分基因可能與當地環(huán)境的適應有關,其中許多與食欲、晝夜節(jié)律、趨光性、視覺、交配、免疫和DNA修復相關,這表明中華蜜蜂的一些基因在種群輻射過程中傾向于重復選擇,為適應性進化提供了有力的證據(Jietal., 2020)。在重復選擇的基因中發(fā)現Lkr(leucokinin receptor)基因在5個外周組中均受選擇,由于蜜蜂對蔗糖反應差異決定了它們采集任務的差異(Pankiw and Page, 2000),且該基因與雙翅目蠅和蚊的進食和蔗糖反應有關(Al-Anzietal., 2010);結合RNAi技術,該研究直接證明了Lkr基因參與了蜜蜂采集分工決定的機制過程(Jietal., 2020)。以上結果表明,研究不同環(huán)境下中華蜜蜂的適應性可以對未來研究該蜂在不同棲息地環(huán)境適應性分子機制提供幫助,同時為后續(xù)深入研究社會性昆蟲對不同環(huán)境的適應性機制和制定有效的保護策略奠定基礎。

5 小結與展望

中華蜜蜂作為我國主要蜂種之一,對其遺傳分化和環(huán)境適應的研究有助于我們加快對遺傳資源多樣性、種群擴散規(guī)律以及適應不同生境進化機制等問題的解析。以往研究表明,生態(tài)環(huán)境的變化,特別是海拔和緯度的變化是造成中華蜜蜂種群分化的主要原因。溫度、氧氣、輻射和濕度等氣候因子對中華蜜蜂環(huán)境適應性的形態(tài)改變和生理生態(tài)特征產生重要影響。形態(tài)特征的變化主要體現在體型大小、翅大小和體色深淺上,代謝生理和行為改變是其適應環(huán)境的重要策略。同時,研究人員也基于種群遺傳學和種群基因組學篩選出部分受到自然選擇作用的基因或通路,其功能涉及蜜蜂的社會分工行為、學習感知行為、信息感知、生長發(fā)育、溫度適應和新陳代謝等。目前研究主要集中在生境適應的表型進化以及進化歷史的相關分析,而關于中華蜜蜂對不同環(huán)境的適應性行為和生理及背后具體的分子機制尚不明晰。例如,目前的多個研究主要關注引起中華蜜蜂種群分化的單個環(huán)境因素,但這些因素之間的互作是否也會導致遺傳分化仍需要進一步研究。再者,不同氣候因子對中華蜜蜂數量、遺傳多樣性和生理代謝及行為的影響是否存在關聯性并不清楚。此外,對于長期生活在不同環(huán)境的中華蜜蜂,如何抵御溫度、氧氣、紫外線輻射等環(huán)境壓力以及相應的分子機制尚未明確。對上述問題的深入研究,必然是未來面對的一大挑戰(zhàn),突破這一挑戰(zhàn)不但能加深我們對古老蜂種演化歷史和遺傳多樣性的理解,也有助于對理解蜜蜂種群應對劇烈氣候變化適應機制以及制定蜜蜂的保護策略提供豐富的啟示。