黑化的打工人：九零后蜜蜂克隆出百萬大軍，差點(diǎn)顛覆南非養(yǎng)蜂業(yè)

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撰文 | Krestrel

蜜蜂（honey bee）是廣為人知的社會(huì)性昆蟲，常常被人們用來描述辛勤的勞動(dòng)者。一個(gè)典型的蜂群由一只蜂后（也稱為蜂王）、少量的雄蜂和大量的工蜂組成。群居的蜜蜂在職責(zé)上有著嚴(yán)格的劃分，蜂后和雄蜂直接參與有性生殖，負(fù)責(zé)傳宗接代，而工蜂負(fù)責(zé)育幼、筑巢、覓食和防務(wù)。（此處響起《打工人之歌》）

為了維持蜂群在組成上的平衡，蜜蜂的繁殖受到嚴(yán)格的調(diào)控。其中，工蜂和蜂后是從受精卵孵化而來，均為雌性；而雄蜂是從未受精的卵孵化而來——也就是說，雄蜂沒有爸爸。

通常來說，有性生殖產(chǎn)生的后代同時(shí)繼承了父親和母親各貢獻(xiàn)的一套遺傳物質(zhì)。無論是工蜂、蜂后還是人類，都具有兩套染色體組，也就是“二倍體”（diploid）。不同的是，工蜂和蜂后有16對(duì)染色體（總共32條），而人類則具有23對(duì)染色體（46條）。而未受精卵孵化而來的雄蜂則只具有正常染色體的一半（總共16條），也就是“單倍體”（haploid，誰讓它沒有爸爸呢）。

雖然工蜂和蜂后具有完全相同的染色體，但卻只有蜂后才有生殖功能?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，工蜂的生殖功能被抑制了，原因主要出在食物上。原來，蜂后一直都是以蜂王漿（royal jelly）為食物，而工蜂只在出生后吃了三天蜂王漿，以后只能靠花粉和花蜜為食。蜂王漿中具有調(diào)節(jié)基因表達(dá)的物質(zhì)，能讓一直吃蜂王漿的蜂后發(fā)展出成熟的生殖系統(tǒng)。另外，蜂后還會(huì)分泌外激素（pheromone），進(jìn)一步抑制工蜂的生殖能力。所以工蜂其實(shí)是生殖器官發(fā)育不完全的雌性蜜蜂。

不過，在蜂王長(zhǎng)時(shí)間缺失的條件下，工蜂的卵巢可以激活。但它們?nèi)匀徊痪哂薪慌涞哪芰?，只能產(chǎn)下未受精的卵，發(fā)育成雄蜂。這種單性生殖的現(xiàn)象也叫孤雌生殖。工蜂單性繁殖的后代都是雄性，因此稱為產(chǎn)雄孤雌生殖（arrhenotokous parthenogenesis，arrhenotoky）。這些雄蜂可以與其它蜂群的蜂王交配，將攜帶的基因組傳遞下去。

在蜂群分群之前，工蜂會(huì)在蜂巢內(nèi)建起4-10個(gè)“王臺(tái)”（queen cell），里面的幼蟲用蜂王漿喂養(yǎng)，差不多同時(shí)完成發(fā)育。一般來說，一個(gè)種群只保留一只蜂王，這些王臺(tái)中發(fā)育出來的蜂后，最強(qiáng)壯的會(huì)成為新群主，其他蜂后都會(huì)被它殺死。新的蜂后產(chǎn)生后，就到了分群（reproductive swarming）的時(shí)候。老蜂后會(huì)帶著部分工蜂離開，建立新群。

與此相對(duì)應(yīng)的是，因?yàn)橐怀鰜砭婉R上面臨一場(chǎng)生死較量，越早爬出王臺(tái)對(duì)候選的蜂王越有利。需要盡快成熟的蜂王發(fā)育是最快的（15-16天），工蜂其次（21天），雄蜂最慢（24天）。

和人類不同，蜜蜂雖有雌雄，但沒有性染色體，其性別決定機(jī)制比較特殊，稱為單倍二倍性（haplodiploidy），主要存在于膜翅目昆蟲和一些其它節(jié)肢動(dòng)物中。但因?yàn)槔ハx的多樣性極大，這種性別決定機(jī)制的昆蟲種類占到所有動(dòng)物的20%，所以也不算那么特殊啦。

那么，蜜蜂的性別到底是由什么來決定的呢？

從分子水平上看，蜜蜂基因組中有一個(gè)稱為csd的位點(diǎn)，是控制蜜蜂性別的主要基因位點(diǎn)，全稱是互補(bǔ)性別決定子（complimentary sex determiner）。在蜜蜂種群中，這個(gè)位點(diǎn)的基因大概有19個(gè)不同的版本，也就是19個(gè)等位基因。雄蜂是單倍體，自然只有一個(gè)csd基因。蜂王和工蜂是二倍體，就有兩個(gè)csd基因，而且這兩個(gè)csd基因的版本總是不同（稱為雜合子），因?yàn)榘姹鞠嗤ǚQ為純合子）的蜜蜂在發(fā)育早期就會(huì)死亡。

因此，csd位點(diǎn)是決定蜜蜂性別的最上游信號(hào)：csd雜合，決定了是雌性；csd純合，蜜蜂無法活下來；只有單個(gè)csd基因，決定了是雄性。

也有一些特殊的情況，例如，在高度近交的實(shí)驗(yàn)種群中，csd位點(diǎn)處于純合狀態(tài)的二倍體會(huì)發(fā)育成雄蜂，但這樣的雄蜂要么自身不育，要么交配產(chǎn)生的三倍體后代不育。

這樣的性別決定機(jī)制與蜜蜂的“真社會(huì)性”（eusociality）是相適應(yīng)的。所謂真社會(huì)性，是指種群要同時(shí)擁有三個(gè)特征：繁殖分工、世代重疊（群體中成熟個(gè)體可以分為兩個(gè)以上的世代，比如爺爺輩和爸爸輩同時(shí)在世）和合作育幼。

工蜂的利他行為可以用親緣選擇學(xué)說來解釋。親緣系數(shù)（relatedness，簡(jiǎn)寫為r）是用來衡量個(gè)體間親緣關(guān)系的一個(gè)量，定義為兩個(gè)個(gè)體共有某個(gè)基因且兩個(gè)拷貝都來自同一祖先（例如母子的共有基因來源于母親的父親，即孩子的外公；姊妹的共有基因來源于她們的母親）的概率。拿工蜂來說，產(chǎn)卵的工蜂與其產(chǎn)下的單倍體雄蜂的親緣系數(shù)r=0.5，因?yàn)樾鄯淅^承了其母親一半的遺傳物質(zhì)，擁有其母親某個(gè)基因的概率為1/2。

而工蜂與蜂后產(chǎn)下的雄蜂的親緣系數(shù)只有r=0.25，因?yàn)閮烧叨际欠浜蟮暮蟠盒鄯鋼碛蟹渫醯哪硞€(gè)基因的概率是1/2，工蜂作為雄蜂的姐妹，也擁有這個(gè)基因的概率也是1/2（還可能是來自另一只雄蜂），因此兩者共有的這個(gè)基因均來自蜂王的概率就是1/4。

但是，蜂群里不會(huì)只有一只工蜂產(chǎn)卵，某只工蜂與所有工蜂產(chǎn)的雄蜂的親緣系數(shù)r≈0.125，這樣的話，與只照料蜂王產(chǎn)的雄蜂相比，照料到其它工蜂產(chǎn)的雄蜂反而虧了——為什么要照料親緣系數(shù)更低的雄蜂呢？當(dāng)然r越高，越是“自己人”。因此，在普通的蜂群中，工蜂自身不產(chǎn)卵，甚至還會(huì)除掉其它工蜂產(chǎn)的卵。

聽起來很損是不是？其實(shí)，工蜂的這種行為，是為了增加自身的廣義適合度。所謂適合度，是產(chǎn)生存活后代的能力，而廣義適合度的要求更低：不必自己產(chǎn)生后代，別人的后代包含和自己相同的基因也行。（我的心不禁一顫：多可愛的小生靈啊?。?/p>

然而，十多年前，南非的養(yǎng)蜂人發(fā)現(xiàn)自己養(yǎng)的蜂群被一些能自行產(chǎn)卵的工蜂“顛覆”了。更富戲劇性的是，這些奇怪的工蜂產(chǎn)生的后代和自己的基因組是一樣的，也就相當(dāng)于克隆了自己！這些蜜蜂叫做海角蜜蜂（cape honeybee），是西方蜜蜂（學(xué)名Apis mellifera）的一個(gè)亞種。它的拉丁文學(xué)名是Apis mellifera capensis，區(qū)別于一般養(yǎng)蜂業(yè)采用的亞種Apis mellifera scutellata。

圖1 “黑化了，但沒有完全黑化”。腹部黑色比重更大是分辨出海角蜜蜂的一個(gè)方便特征。

這兩個(gè)亞種的基因組幾乎完全同源。但是，本文開頭所講到的典型工蜂只可能產(chǎn)下單倍體的雄蜂，而海角蜜蜂卻能獨(dú)自產(chǎn)下二倍體卵，發(fā)育成工蜂，或者，倘若占到了王臺(tái)，發(fā)育成蜂王——你沒聽錯(cuò)，由工蜂產(chǎn)下的蜂王！這種現(xiàn)象稱為產(chǎn)雌孤雌生殖（thelytokous parthenogenesis，thelytoky）。

看到這里，你可能會(huì)想起《生化危機(jī)·滅絕》里面的場(chǎng)景：在愛麗絲和克隆的愛麗絲面前，更多克隆愛麗絲懸浮在營(yíng)養(yǎng)液里，被乘放在一望無際的一堆格狀排列的卵形容器中（圖2）。你或許還記得在《生化危機(jī)·終章》中，衰老的愛麗西亞將自己的回憶留給了自己的克隆體——主角愛麗絲賦予她完整的“人格”，希望她代替自己生存下去。事實(shí)上，澳大利亞悉尼大學(xué)昆蟲學(xué)家Benjamin Oldroyd也用“轉(zhuǎn)世”（reincarnation，字面意義是“重新支配肉體”）來指這個(gè)無法交配的工蜂產(chǎn)下自己的蜂王克隆的過程。

圖2 電影《生化危機(jī)·滅絕》中相關(guān)場(chǎng)景。

的確，過去30年間，數(shù)百萬海角蜜蜂克隆大軍曾讓南非養(yǎng)蜂業(yè)聞風(fēng)喪膽。當(dāng)混在其它亞種的種群中時(shí)，海角蜜蜂是所謂的“社會(huì)性寄生物”（ social parasite）。這些工蜂不但“違規(guī)”產(chǎn)卵、爭(zhēng)搶王臺(tái)，還散發(fā)外激素讓普通工蜂將它們當(dāng)幼蜂哺育，幾乎享受著蜂王待遇。它們壟斷生殖，致使原種群漸漸崩潰，然后轉(zhuǎn)而入侵新的蜂群。

海角蜂群還能在缺失蜂王的情況下維持?jǐn)?shù)月，直至產(chǎn)生新的蜂王。上世紀(jì)90年代，南非每年有50000蜂群因其毀于一旦，海角蜜蜂因此被歐美、澳大利亞等地禁運(yùn)。海角蜜蜂的社會(huì)性寄生現(xiàn)象是在巴西引入南非的蜜蜂后首先發(fā)現(xiàn)的，幸虧當(dāng)時(shí)處理迅速，不然可能就不叫海角蜜蜂了。

圖3. 海角蜜蜂的地理分布十分狹小，僅僅局限在非洲大陸的最南隅（綠色部分）。

大家都知道，蜜蜂的身體是黑黃條紋的，但在海角蜜蜂的腹部，黑色的比重更大（圖1），這讓我們可以方便地辨識(shí)出它。能自己任命領(lǐng)導(dǎo)（蜂后），自產(chǎn)大軍的海角蜜蜂，可以算是黑化的打工人了吧。

海角蜜蜂是如何把全套染色體傳給后代的呢？

海角蜜蜂的卵也是會(huì)經(jīng)歷減數(shù)第二次分裂的，但是染色體分離完成之后，并不會(huì)馬上形成核膜和細(xì)胞膜。四對(duì)染色體，也就是四個(gè)原核（pronuclei）排成一列，然后中間的兩個(gè)原核（包含的兩套染色體來自非姊妹染色單體）發(fā)生融合（“中央融合”），恢復(fù)為二倍體。海角蜜蜂的工蜂總是進(jìn)行孤雌生殖，而蜂后總是進(jìn)行有性生殖。

圖4. 一般蜜蜂與海角蜜蜂繁殖模式對(duì)比。

孤雌生殖是有弊端的，最突出的弊端便是基因組雜合性的缺失，這會(huì)降低物種的適應(yīng)性。減數(shù)第一次分裂中期，染色體會(huì)發(fā)生重組，然后再經(jīng)歷前面提到的“中央融合”過程。如果某個(gè)基因所在的染色體片段與對(duì)應(yīng)的非姊妹染色單體的片段已經(jīng)交換了一遍，在最終將發(fā)育成雌性的卵中，兩套染色體上這個(gè)片段將是相同的拷貝。對(duì)任一個(gè)基因位點(diǎn)，雜合度應(yīng)該丟失1/3，因?yàn)樵凇爸醒肴诤稀边^程中，選定任一個(gè)染色單體，剩下的三個(gè)里面會(huì)有一個(gè)是和它一模一樣的。

雜合性缺失（loss of heterozygosity）是不利于生存的。一個(gè)重要原因是，一些缺陷的隱性基因?qū)?yīng)的不利性狀會(huì)表現(xiàn)出來。比如在癌癥中就經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有雜合性缺失，在缺失區(qū)域常常發(fā)現(xiàn)腫瘤抑制基因亦缺失。研究者曾認(rèn)為，海角蜜蜂群體應(yīng)該會(huì)衰退得很快。但是三十余年過去了，這種情況并沒有發(fā)生，這或許是因?yàn)楹＝敲鄯渚哂猩鐣?huì)性寄生的特性。研究者推測(cè)，除了csd基因的純合致死效應(yīng)，應(yīng)該還有其它未知的機(jī)制在維持海角蜜蜂的基因組雜合度?？傊?，海角蜜蜂攜帶著許多謎團(tuán)，還等待著我們?nèi)ソ忾_。

最后一個(gè)問題，海角蜜蜂這樣叛逆的“打工人”是什么時(shí)候出現(xiàn)的呢？

研究者發(fā)現(xiàn)，所有這些海角蜜蜂都是同一只變異工蜂的后代, 這只工蜂大概生活在1990年。你可能要問，這到底是如何找到的？這里就要提一下生態(tài)學(xué)的一種重要研究手段——衛(wèi)星DNA。

衛(wèi)星DNA是一類高度重復(fù)的基因序列。它是一種分子標(biāo)記，在生態(tài)學(xué)中常用來代表更長(zhǎng)染色體片段。之所以叫“衛(wèi)星”，是因?yàn)樵诨蚪MDNA氯化銫密度梯度離心實(shí)驗(yàn)中，它總是分布在主條帶以外，好像衛(wèi)星的位置。

衛(wèi)星DNA有一類稱為“微衛(wèi)星”，由2-4個(gè)堿基的序列大量串聯(lián)重復(fù)而成。分析海角蜜蜂樣本的大量微衛(wèi)星位點(diǎn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，除了少數(shù)突變，所有個(gè)體在這些微衛(wèi)星位點(diǎn)上，要么是該微衛(wèi)星序列僅有的兩個(gè)版本的雜合子，要么是這兩個(gè)版本其中一個(gè)的純合子。這意味著，它們?nèi)縼碜砸恢蛔儺惷鄯?，都在這只“小祖宗”的孤雌生殖譜系上——堪稱現(xiàn)實(shí)世界的Smith。

這聽起來有點(diǎn)驚悚，但你也可以換個(gè)角度來理解這個(gè)事情。海角蜜蜂變異畢竟是小概率事件，這樣的事件發(fā)生過一次的可能性當(dāng)然要比獨(dú)立地發(fā)生兩次的可能性大得多（后者概率是前者概率的二次方）。

其實(shí)，海角蜜蜂的地理分布十分狹小，僅僅局限在非洲大陸的最南隅（圖3）。對(duì)于這一區(qū)域的養(yǎng)蜂人來說，海角蜜蜂是可愛的存在——好打理，更適應(yīng)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，更耐受瓦螨（Varroa destructor，是養(yǎng)蜂業(yè)的首要害蟲），在商業(yè)價(jià)值上完全可以替代普通蜜蜂。而對(duì)研究者來說，海角蜜蜂則是最有意思的一個(gè)蜜蜂亞種。

參考文獻(xiàn)

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