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

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撰文 | Krestrel

蜜蜂（honey bee）是廣為人知的社會性昆蟲，常常被人們用來描述辛勤的勞動者。一個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。群居的蜜蜂在職責上有著嚴格的劃分，蜂后和雄蜂直接參與有性生殖，負責傳宗接代，而工蜂負責育幼、筑巢、覓食和防務。（此處響起《打工人之歌》）

為了維持蜂群在組成上的平衡，蜜蜂的繁殖受到嚴格的調控。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，有性生殖產生的后代同時繼承了父親和母親各貢獻的一套遺傳物質。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對染色體（總共32條），而人類則具有23對染色體（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。科學家們發(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。蜂王漿中具有調節(jié)基因表達的物質，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，蜂后還會分泌外激素（pheromone），進一步抑制工蜂的生殖能力。所以工蜂其實是生殖器官發(fā)育不完全的雌性蜜蜂。

不過，在蜂王長時間缺失的條件下，工蜂的卵巢可以激活。但它們仍然不具有交配的能力，只能產下未受精的卵，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，工蜂會在蜂巢內建起4-10個“王臺”（queen cell），里面的幼蟲用蜂王漿喂養(yǎng)，差不多同時完成發(fā)育。一般來說，一個種群只保留一只蜂王，這些王臺中發(fā)育出來的蜂后，最強壯的會成為新群主，其他蜂后都會被它殺死。新的蜂后產生后，就到了分群（reproductive swarming）的時候。老蜂后會帶著部分工蜂離開，建立新群。

與此相對應的是，因為一出來就馬上面臨一場生死較量，越早爬出王臺對候選的蜂王越有利。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)肢動物中。但因為昆蟲的多樣性極大，這種性別決定機制的昆蟲種類占到所有動物的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稱為csd的位點，是控制蜜蜂性別的主要基因位點，全稱是互補性別決定子（complimentary sex determiner）。在蜜蜂種群中，這個位點的基因大概有19個不同的版本，也就是19個等位基因。雄蜂是單倍體，自然只有一個csd基因。蜂王和工蜂是二倍體，就有兩個csd基因，而且這兩個csd基因的版本總是不同（稱為雜合子），因為版本相同（稱為純合子）的蜜蜂在發(fā)育早期就會死亡。

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

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

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

工蜂的利他行為可以用親緣選擇學說來解釋。親緣系數(shù)（relatedness，簡寫為r）是用來衡量個體間親緣關系的一個量，定義為兩個個體共有某個基因且兩個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，產卵的工蜂與其產下的單倍體雄蜂的親緣系數(shù)r=0.5，因為雄蜂繼承了其母親一半的遺傳物質，擁有其母親某個基因的概率為1/2。

而工蜂與蜂后產下的雄蜂的親緣系數(shù)只有r=0.25，因為兩者都是蜂后的后代：雄蜂擁有蜂王的某個基因的概率是1/2，工蜂作為雄蜂的姐妹，也擁有這個基因的概率也是1/2（還可能是來自另一只雄蜂），因此兩者共有的這個基因均來自蜂王的概率就是1/4。

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

聽起來很損是不是？其實，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，是產生存活后代的能力，而廣義適合度的要求更低：不必自己產生后代，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?。。?/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卵的工蜂“顛覆”了。更富戲劇性的是，這些奇怪的工蜂產生的后代和自己的基因組是一樣的，也就相當于克隆了自己！這些蜜蜂叫做海角蜜蜂（cape honeybee），是西方蜜蜂（學名Apis mellifera）的一個亞種。它的拉丁文學名是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方便特征。

這兩個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下單倍體的雄蜂，而海角蜜蜂卻能獨自產下二倍體卵，發(fā)育成工蜂，或者，倘若占到了王臺，發(fā)育成蜂王——你沒聽錯，由工蜂產下的蜂王！這種現(xiàn)象稱為產雌孤雌生殖（thelytokous parthenogenesis，thelytoky）。

看到這里，你可能會想起《生化危機·滅絕》里面的場景：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·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。事實上，澳大利亞悉尼大學昆蟲學家Benjamin Oldroyd也用“轉世”（reincarnation，字面意義是“重新支配肉體”）來指這個無法交配的工蜂產下自己的蜂王克隆的過程。

圖2 電影《生化危機·滅絕》中相關場景。

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)聞風喪膽。當混在其它亞種的種群中時，海角蜜蜂是所謂的“社會性寄生物”（ social parasite）。這些工蜂不但“違規(guī)”產卵、爭搶王臺，還散發(fā)外激素讓普通工蜂將它們當幼蜂哺育，幾乎享受著蜂王待遇。它們壟斷生殖，致使原種群漸漸崩潰，然后轉而入侵新的蜂群。

海角蜂群還能在缺失蜂王的情況下維持數(shù)月，直至產生新的蜂王。上世紀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。海角蜜蜂的社會性寄生現(xiàn)象是在巴西引入南非的蜜蜂后首先發(fā)現(xiàn)的，幸虧當時處理迅速，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出它。能自己任命領導（蜂后），自產大軍的海角蜜蜂，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，并不會馬上形成核膜和細胞膜。四對染色體，也就是四個原核（pronuclei）排成一列，然后中間的兩個原核（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”），恢復為二倍體。海角蜜蜂的工蜂總是進行孤雌生殖，而蜂后總是進行有性生殖。

圖4. 一般蜜蜂與海角蜜蜂繁殖模式對比。

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，這會降低物種的適應性。減數(shù)第一次分裂中期，染色體會發(fā)生重組，然后再經(jīng)歷前面提到的“中央融合”過程。如果某個基因所在的染色體片段與對應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，兩套染色體上這個片段將是相同的拷貝。對任一個基因位點，雜合度應該丟失1/3，因為在“中央融合”過程中，選定任一個染色單體，剩下的三個里面會有一個是和它一模一樣的。

雜合性缺失（loss of heterozygosity）是不利于生存的。一個重要原因是，一些缺陷的隱性基因對應的不利性狀會表現(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。研究者曾認為，海角蜜蜂群體應該會衰退得很快。但是三十余年過去了，這種情況并沒有發(fā)生，這或許是因為海角蜜蜂具有社會性寄生的特性。研究者推測，除了csd基因的純合致死效應，應該還有其它未知的機制在維持海角蜜蜂的基因組雜合度?？傊＝敲鄯鋽y帶著許多謎團，還等待著我們去解開。

最后一個問題，海角蜜蜂這樣叛逆的“打工人”是什么時候出現(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)學的一種重要研究手段——衛(wèi)星DNA。

衛(wèi)星DNA是一類高度重復的基因序列。它是一種分子標記，在生態(tài)學中常用來代表更長染色體片段。之所以叫“衛(wèi)星”，是因為在基因組DNA氯化銫密度梯度離心實驗中，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個堿基的序列大量串聯(lián)重復而成。分析海角蜜蜂樣本的大量微衛(wèi)星位點，科學家發(fā)現(xiàn)，除了少數(shù)突變，所有個體在這些微衛(wèi)星位點上，要么是該微衛(wèi)星序列僅有的兩個版本的雜合子，要么是這兩個版本其中一個的純合子。這意味著，它們全部來自一只變異蜜蜂，都在這只“小祖宗”的孤雌生殖譜系上——堪稱現(xiàn)實世界的Smith。

這聽起來有點驚悚，但你也可以換個角度來理解這個事情。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然要比獨立地發(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，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，更適應當?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)價值上完全可以替代普通蜜蜂。而對研究者來說，海角蜜蜂則是最有意思的一個蜜蜂亞種。

參考文獻

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[7] https://entnemdept.ufl.edu/creatures/misc/bees/cape_honey_bee.htm