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遗传多样性与蜜蜂健康关系研究

2018/08/10 阅读:

摘要:从多种应激因子角度综述遗传多样性与蜜蜂健康之间的关系.此外,总结了蜜蜂基因型、表型和应激因子三者之间的交互关系,表明了保护蜜蜂遗传多样性的重要性,同时为未来开展遗传多样性与蜜蜂健康关系研究提供可借鉴的理论基础.

关键词:蜜蜂;遗传多样性;蜜蜂健康;病原体;农药;生物学特性;环境-基因型-表型

作为最主要的社会性昆虫,蜜蜂在农业和社会经济发展及生态系统稳定性方面做出了重要的贡献.社会性昆虫中,雌性与多只雄性交尾的现象是少见的[1],但在短暂的婚飞过程中,意蜂(Apismellifera.Ligusti-ca.)蜂王可平均与12只雄蜂交尾[2-3],有的甚至可高达40多只[3-4],大蜜蜂(Apisdorsata)蜂王可与100多只雄蜂交尾[5].已有研究证明与多只雄蜂交尾的蜂王产生的工蜂后代具有多种基因型,增加了蜂群的遗传多样性[6-7].遗传多样性的出现是自然选择的结果,是有利进化,能够使蜜蜂更好地适应环境的变化,促进蜂群群势发展.单雄受精蜂王产生基因型相似的工蜂后代,工蜂对应激因子具有相似的耐受性,如果部分个体受到外界生物或非生物因子胁迫刺激而患病时,整个蜂群中的工蜂都有可能感染病原,进而威胁蜂群健康.多雄受精蜂王产生具有不同基因型的工蜂后代,在一定程度上降低整个蜂群的患病可能性,提高蜂群存活率[8].此外,交尾过程中雄蜂的数量也影响着蜂群中蜂王交替现象的发生,多雄交配可以降低蜂王遭受处女王攻击风险[9].近年来,生物性致病因子和非生物性因子对蜜蜂健康造成了严重的威胁.蜂王典型的一妻多夫制交尾特征造成工蜂后代在生理和行为上的差异,而这些差异在蜂群抵御外界应激性因子胁迫过程中起了重要的作用.鉴于蜜蜂遗传多样性与蜜蜂健康之间的重要关系,本文从遗传多样性在蜜蜂抵御生物性和非生物性应激因子过程中所起作用等方面对已有研究进行综述,并总结蜜蜂基因型、表型和应激因子三者之间的交互关系,以期为国内相关研究者开展有关遗传多样性与蜜蜂健康关系的研究提供理论借鉴.

1蜜蜂健康及其影响因素

蜜蜂与人类生活息息相关,蜜蜂不仅是重要的授粉昆虫,还为人类提供蜂王浆、蜂胶、蜂花粉、蜂蜜等多种蜂产品.蜜蜂健康影响蜂产品的品质和授粉效率,最终对人类自身产生影响.在全球化经济背景下,各国致力于发展工业,导致全球气候发生变化,日益严峻的环境压力在一定程度上危害了包括蜜蜂在内的昆虫的生物多样性.已有研究表明蜜蜂(Apismellifera)数量正逐年减少,尤其在北美,欧洲和中东地区[10-15].区别于以往正常的越冬蜂死亡事例,2006—2007年冬天美国蜜蜂突然大量减少[16],此现象被称为蜂群崩溃失调症(colonycollapsedisorder,CCD)[12].随后,全球众多地区蜜蜂与野生蜜蜂大量减少及其影响因素成为研究热点.近十年来,在加拿大、欧洲、以色列、土耳其等国家发现越冬蜜蜂大量死亡,发病症状类似CCD[14].虽然关于CCD现象的确切致病因子至今依然并未明晰,但现在普遍认为多种因素相互作用影响了蜜蜂健康进而可能引发了CCD.这些影响因素主要有非生物性因子和生物性因子,非生物性因子主要包括杀虫剂、蜜蜂食物质量、栖息地减少、气候、环境污染等;生物性因子主要包括细菌、病毒、真菌、蜂螨、孢子虫等.

2蜜蜂遗传多样性的生物学特征

膜翅目(Hymenoptera)昆虫的遗传关联性和利他主义之间的关系构成了社会行为研究的基础,蜜蜂则是社会行为研究领域中的模式生物.在自然界中,蜜蜂(Apismellifera)蜂群中蜂王的交尾方式是典型的一妻多夫制,蜂王通过受精囊中的精液和产生雄蜂将遗传物质传给后代,蜂群内部的遗传关联性显著降低.虽然遗传关联性能够促进利他主义行为的传播,但根据“优胜劣汰”原则,一妻多夫制的交尾系统在生物进化过程中被保留至今,必有其存在的意义,若干假设提出降低蜂群内部的关联性对蜂群的发展有着潜在优势.现已有不少研究证实增加工蜂后代的基因型无论是对个体性能还是蜂群整体性能的提升均有显著效应.具体表现为:(1)工蜂数量决定群势的强弱,多雄受精的蜂王对工蜂的吸引力显著提高,在分蜂期间,多雄受精的蜂王带领工蜂产生的分蜂流明显大于单雄受精的蜂王产生的分蜂流[17].(2)食物储存对蜂群发展至关重要,遗传多样性增强采集蜂跳舞信号的传递,遗传基础多样性蜂群的采集蜂可以比遗传基础单一蜂群中的采集蜂传递更多的采集信号,采集更远距离的花粉和花蜜[18],提高花粉和花蜜的储存量,进而维持蜂群群势的能力更强.(3)遗传多样性使得工蜂的温度反应阈值多样化,更有利于调整工蜂个体的扇风行为,调节巢温稳态[19].(4)在单位点性别决定机制下,遗传多样性减少二倍体雄蜂的产生,提高工蜂的产生量,同时也减轻蜂群的哺育负担[20].(5)增强工蜂的分工专一化,使得工蜂可以更有效地利用不同的采集环境,抵抗环境的波动,进而从环境中摄取更多资源[21].(6)蜜蜂卫生行为是遗传控制下的复杂行为,移除病虫从而为蜂群提供及时保护,多雄受精蜂王的蜂群表现出更多、更积极的卫生行为,进而提高蜂群整体抗病性能[22-23].总之,遗传多样性通过增强工蜂的分工专一化、采集能力以及提升蜂群整体对应激因子的抵抗能力,最终有助于蜜蜂健康和蜂群发展、存活.

3蜜蜂遗传多样性与蜜蜂抗病

社会性对疾病流行和传播的影响是明显的,在社会性昆虫群体中,这种影响愈发明显[24].一个蜂群中的蜜蜂数量众多,可达到5~7万只,蜂群中蜜蜂的密度远远大于最拥挤的脊椎动物.虽然蜜蜂的密集型群居特性为疾病流行创造了条件,但基于遗传多样性的多种行为及分子机制在蜂群抵御各种病害的过程中发挥了重要的作用.在此过程中,各种病原体与寄主协同进化,蜜蜂遗传多样性则有利于蜂王产生具有多重耐受性基因的工蜂后代[25].颇多研究表明蜜蜂遗传多样性可以有效抵御细菌性病原,真菌性病原,病毒性病原和寄生性病害.Palmeretal[26]在2003年用拟幼虫芽孢杆菌处理由姐妹蜂王主导的6个遗传背景不相关的蜂群,结果表明在工蜂后代中,由于父系基因差异性引发的抗病性显著不同,进一步验证了特异性的遗传基因对抗性基因的影响机制,并表明在病原体的选择性压力下,病原体与宿主之间是协同进化的.Tarpyetal[8]在同一年利用姐妹蜂王,分别受精单一雄蜂精液和来自不同蜂群中多个雄蜂的混合精液,在蜂群中人工接种蜜蜂球囊菌并引发蜂群表现出白垩病症状,结果表明遗传多样性显著提高幼虫存活率和工蜂的卫生行为,遗传背景相似蜂群的疾病流行率明显高于遗传背景具有差异性的蜂群.之后,Tarpyetal[27]再次针对遗传多样性对蜜蜂健康的影响进行了研究,综合研究囊状幼虫病、白垩病、美洲幼虫腐臭病和欧洲幼虫腐臭病,发现这些疾病在多雄受精蜂群中的活动强度显著低于单雄受精蜂,在遗传多样性低的蜂群中检测出高患病率,且遗传多样性高的蜂群的群势(主要体现在蜂群重量、巢脾建造质量、巢脾子区面积等)明显优于遗传多样性低的蜂群.蜜蜂数量正逐渐减少,在蜜蜂众多疾病中,寄生性病害是蜜蜂健康的最大隐患,有效防治寄生性病害是维持蜜蜂健康的重中之重.Baeretal[28]人为增加地熊蜂(BombusterrestrisL.)蜂王产卵基因型的多样性,结果蜂群中的寄生虫熊蜂短膜虫(Crithidiabombi)的密度及流行程度大幅度降低[29].据报道,近几年造成蜂群大量损失的寄生性病害还有东方蜜蜂微孢子虫(Nosemaceranae)和瓦螨,蜂王多雄交配的生物学特征显著提高了工蜂后代的遗传多样性和抵抗寄生性病害寄生的能力.遗传基因相似的工蜂后代由于对寄生虫引发的胁迫性表现出相似的反应,从而促进了寄生虫在蜂群内部的蔓延[30-31].Desaietal[32]的研究进一步表明遗传基因相似的蜂群虽然对蜜蜂微孢子虫(Nosemaapis)的抵抗水平与遗传基因多样性蜂群相似,但对减弱东方蜜蜂微孢子虫的感染危害方面,遗传基因多样性组蜂群明显优于遗传基因相似组蜂群.然而,所有相关研究几乎都表明遗传多样性只能降低蜂群受危害的程度,并不能完全消除寄生性病害对蜂群的危害.所以,在未来的研究中,应该对“遗传多样性阈值”进行深入研究,确定是否存在某些“遗传多样性阈值”可以完全消除寄生虫对蜂群的寄生性危害[33].虽然病毒性病原是引起蜜蜂疾病之一,但目前关于蜜蜂对病毒的具体免疫反应机制依然未明晰.众所周知,蜜蜂病毒的传播依赖狄氏瓦螨(Varroadestructor),现今普遍认为是蜂群的社会免疫降低了瓦螨的传播与繁殖,并在一定程度上间接抑制了病毒对蜜蜂的感染[32,34].多雄受精蜂王主导的蜂群表现出更多的卫生行为,这些卫生行为提高了蜂群社会免疫的能力[22-23],一定程度上有助于预防病毒性病原在蜂群中的感染与传播.

4遗传多样性与蜜蜂对杀虫剂敏感性

不同蜂种之间的遗传差异同样属于蜜蜂遗传多样性的研究范畴.田间作物使用的杀虫剂是导致蜜蜂大量减少的原因之一,在众多杀虫剂中,新烟碱类农药凭借其特殊的分子结构,对昆虫高毒,而对高等动物低毒等一系列优点脱颖而出[35].在近十年内,新烟碱类农药的使用量越来越多[36].目前使用最广泛的新烟碱类农药有吡虫啉(imidacloprid),噻虫胺(clothianidin),噻虫嗪(thiamethoxam)等.虽然新烟碱类农药在田间花粉花蜜中的残留水平通常被认为是亚致死性水平,但仍然对蜜蜂的健康产生了多种消极影响,例如损害了蜜蜂生理机能、学习记忆等认知能力,采集和归巢行为[37-38].多种杀虫剂的联合使用,进一步对蜜蜂产生了协同增效的不利影响.类似的,杀虫剂与病原体长期联合胁迫也会对蜜蜂产生有害影响,从而损伤蜜蜂免疫[39-40].现已有越来越多的证据表明,农药与其它因素共同作用而引发CCD,进而严重影响蜜蜂的授粉服务[41-42].现已有不少研究表明蜜蜂对农药残留毒性存在遗传差异,同一蜂种的不同蜂群之间,或是不同蜂种之间,均表现出遗传差异.意大利蜜蜂不同蜂群之间对吡虫啉的LD50值有显著差异,噻虫嗪对卡尼鄂拉蜂(Apismelliferacarnica)产生的LD50值高于欧洲黑蜂(Apismelliferamellifera)和意大利蜜蜂的LD50值[43].欧洲黑蜂蜂王对噻虫嗪和噻虫胺农药复合物慢性毒性的敏感程度高于卡尼鄂拉蜂[44].每只中蜂(ApisceranaceranaFabricius.)饲喂0.1ng的吡虫啉可显著降低其嗅觉学习能力[45],而每只意蜂饲喂0.12ng的吡虫啉不损害其嗅觉学习能力[46],可见,中蜂比意蜂对杀虫剂更敏感.综合当前研究,多数研究集中在杀虫剂对幼虫、哺育蜂的亚致死影响,以及农药田间剂量对成年采集蜂学习、记忆、定位及归巢等行为的影响,涉及农药对蜂王生产性能影响的研究较少.蜂王主导蜂群遗传多样性程度与对农药抗性之间的关系值得进一步研究.

5蜜蜂基因型、表型和应激因子的交互关系

蜜蜂基因型、表型和应激因子之间相互作用,自人类社会以来,大量的人类活动造成地球环境发生改变.随着社会经济的发展,都市化水平提高,商业用地、农业用地、工业用地的占地面积逐年增加,导致蜜蜂生境破碎或丧失.另外,养蜂人之间进行蜂王贸易,引入外来蜜蜂亚种,在带来收益的同时,也造成了非本土蜜蜂与本土蜜蜂间的杂交渗透,导致在自然选择过程中形成的有价值基因的损失.例如由于意大利蜜蜂和卡尼鄂拉蜂深受养蜂人的喜欢,在欧洲随着这两类蜜蜂亚种的高密度养殖,几乎完全取代了欧洲黑蜂[47],同时,蜂王贸易也促进了生物性致病因子的传播,这都在一定程度上减少了蜜蜂种群遗传多样性,减少蜂群中工蜂后代的基因型,对工蜂生理和行为反应、任务分工等造成不利影响,进而降低蜂群整体的生物学和生产性能.

6小结与展望

长期以来,蜜蜂一直是社会性状进化和行为表现研究的模式生物,尤其是继蜜蜂基因组测序之后,更加方便人们对与行为性状相关基因的研究.蜜蜂遗传多样性有利于蜜蜂对外界应激因子做出有效防御,从而减轻多种应激因子的危害,降低蜂群患病率,促进蜂群健康发展.遗传多样性在蜜蜂抵御外界应激因子胁迫过程中所起作用的分子机理仍有待进一步研究.此外,在人为压力和环境压力等多重压力下,蜜蜂遗传多样性遭受严重威胁,必须引起人们的高度关注.遗传多样性是生物多样性的核心,保护生物多样性旨在保护遗传多样性,在未来遗传多样性保护管理措施中,应加强法律保护,为本土蜜蜂种群设立特定保护区,禁止进口和使用进口蜂种,合理设置蜂场,为蜜蜂提供健康、可靠、资源富集的环境体系,在农业生态系统生产力发展与蜜蜂栖息地之间保持平衡.蜂群健康与现代农业可持续发展相辅相成,要在保护蜜蜂健康的基础上促进现代农业的发展,创造出双赢的效益.

作者:蔚添添;和静芳;李志国;苏松坤 单位:福建农林大学蜂学学院

遗传多样性与蜜蜂健康关系研究

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