蜜蜂脑分区蛋白质组解析调控产浆行为神经生物学基础

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生物体繁殖行为取决于其繁殖投资策略,不同的繁殖投资策略决定生物体繁殖后代的性别和个体数量。多细胞生物体哺乳动物的繁殖投资行为是由个体激素水平决定的。蜜蜂作为典型的社会性昆虫,其繁殖投资是在群体决定培育雄蜂、工蜂和新蜂王的数量。哺育蜂饲喂蜂王浆使幼虫发育为新蜂王的助亲行为是蜂群的雌性繁殖投资。在正常蜂群中工蜂培育新蜂王的数量是有限的,为了提高蜂王浆产量,我国从普通意大利蜜蜂(意蜂)中选育出了蜂王浆高产蜜蜂品系(浆蜂),其蜂群雌性繁殖投资也发生了显著变化。蜜蜂的一切行为都受到脑中枢神经系统的调控,嗅神经叶接收来自触角的各种信号刺激,而蘑菇体整合来自嗅神经叶的信号并做出相应的行为响应。然而,对于浆蜂和意蜂脑亚区调控蜂王浆高产(雌性繁殖投资)行为的分子机制尚不清楚。为此,通过幼虫交互饲喂试验在群体水平上观察浆蜂和意蜂雌性繁殖投资行为的差异,然后在个体水平上通过喙伸反应观察二者哺育蜂个体对幼虫信息素感知的差异,并利用非标记定量蛋白质组学方法比较其新出房、哺育蜂和采集蜂的脑亚区蘑菇体和嗅神经叶的亚分区蛋白表达差异,并使用免疫蛋白印迹和免疫荧光技术对关键蛋白进行验证,以期阐释浆蜂调控蜂王浆高产行为的神经生物学基础。
  蜂群幼虫交互饲喂试验结果表明,无论幼虫来自浆蜂还是意蜂,浆蜂蜂群的台基接受率是意蜂的至少4倍,台基里饲喂的蜂王浆分泌量是意蜂的至少10倍。虽然幼虫来源对哺育行为有一定影响,但是哺育蜂助亲行为的改变主要来源于其对幼虫接受率的提高,说明浆蜂和意蜂的助亲雌性繁殖投资行为已经产生显著差异。浆蜂和意蜂哺育蜂对幼虫气味刺激的喙伸反应结果表明,在个体水平上浆蜂哺育蜂先天本能的对幼虫信息素的感知能力和灵敏性较意蜂显著加强,从而能快速识别台基幼虫、提高台基幼虫的接受率,这是分泌蜂王浆的基础。
  对浆蜂和意蜂不同发育时期工蜂脑蘑菇体和嗅神经叶蛋白质组分析表明,浆蜂自羽化出房后脑蘑菇体和嗅神经叶的脂类转运和有机物质转运的功能较意蜂显著加强,且在浆蜂蘑菇体和嗅神经叶中均高表达昆虫储存蛋白Hex70a,Hex70b,Hex70c,Hex110;且浆蜂嗅神经叶上调表达MRJP1-4以及蘑菇体中上调表达MRJP2营养蛋白,这均为神经元发育提供重要的蛋白质和能量保障,这是形成识别幼虫信息素长期记忆的基础。浆蜂哺育蜂嗅神经叶蛋白质合成与降解功能显著加强,既对神经元、突触的长期记忆形成至关重要,也对信息素的代谢降解保持嗅觉灵敏度极为关键。而且浆蜂哺育蜂嗅神经叶信号转导功能较意蜂显著加强,同时调节蛋白磷酸化的激酶Src64B,PAK3,PKG在浆蜂哺育蜂嗅神经叶中高表达,表明嗅神经叶信号转导代谢功能增强,引起嗅神经叶可塑性和接收信号刺激的敏感性增强,加强哺育蜂对幼虫信息素刺激的短期记忆。浆蜂采集蜂嗅神经叶中蛋白合成和代谢的通路功能较意蜂显著加强,这可能与满足大量巢外食物采集而处理外界信息有关,而蘑菇体未发现差异。经过长期的人工定向选育,浆蜂和意蜂脑亚区在调控产浆行为的雌性繁殖投资神经生物学基础发生显著变化,研究结果全新地解析了蜜蜂泌浆神经生物学机理,这对深入理解蜜蜂和其他社会性昆虫的生物学和神经生物学具有重要意义。
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