遗传变异与雄蜂生殖力的关系

熊成│编译

辽宁省农业发展服务中心

一、雄蜂生殖生物学研究概述

精子形成发生在雄蜂幼虫期后期和预蛹期，精子分化发生在蛹期。精子形成始于胚胎形成和精巢的发育。精巢由精小管组成，精小管中充满初级精原细胞或未分化的生殖细胞。在幼虫发育的最后阶段（第5日龄），初级精原细胞经历4次有丝分裂形成16个次级精原细胞。次级精原细胞经历一系列有丝分裂成为初级精母细胞。从幼虫期后期到预蛹期，精子形成包含两轮减数分裂。第一次减数分裂发生在幼虫期后期，第二次减数分裂发生在预蛹期。

羽化时，精子的产生就已经完成，精子储存在精巢中。在羽化后早期，雄蜂粘液腺会分泌精浆。雄蜂羽化后，精浆产生立即增加，在5～6日龄时达到最大。雄蜂性成熟时，精子转移到贮精囊中。精子转移过程在雄蜂羽化后即开始，在羽化后2周内完成。大约8日龄时，雄蜂开始定向飞行和交尾飞行。雄蜂聚集在雄蜂聚集区（Drone Congregation Areas, DCAs），追逐经过的蜂王、竞争与其交尾。成功获取交尾机会的雄蜂，其内阳茎外翻，进入蜂王输卵管。交尾只持续几秒钟，推动精子和精浆进入蜂王输卵管。射精之后，内阳茎断裂、雄蜂死亡。

精子在输卵管中紧紧簇拥在一起，不能游到受精囊。蜂王进行肌肉收缩，促进精子的转移，但这种行为会导致精子损失，每只雄蜂只有约2.5%的精子进入到受精囊。当卵子经过输卵管时，蜂王可分泌出受精囊中的精子使其受精。在蜂王一生中，分泌的精子数量会发生变化，平均每个受精卵会使用两个精子。蜂王把交尾时从雄蜂那里得到的精子储存在受精囊中，达5年之久。蜂群换王时，蜂王只使用了大约1%的精子来使卵子受精。

二、遗传变异与表型变异的联系

精子质量或数量的变异会直接影响雄蜂的繁殖能力。已经有一些研究探索了营养、农药处理及温度等环境条件的变化如何影响雄蜂的精子表型和生育能力，但遗传变异对雄蜂生殖力的影响却未得到充分研究。在相同环境中比较不同亚种或培育品系是确定决定表型的潜在遗传贡献的一种方法，这种方法对蜜蜂来说是可行的，特别是在蜜蜂原产地有遗传上明显不同的不同种群共存的情况下。目前为止，很少有针对精子相关表型的此类研究，仅有少数研究表明，雄蜂的生殖变异可能有很强的遗传因素。比如，与也门蜂相比，卡蜂雄蜂的黏液腺、精巢和贮精囊较大，它们射出的精液中精子数更多。研究表明，不同培育品系在生殖衰老、精子性状、精浆组成、形态特征、飞行能力以及对应激源的反应等方面均存在很大差异，遗传因素造成了精子性状变异，但尚无研究确定这种变异有多少是遗传差异造成的，也未对生殖力相关性状的遗传力进行估计。

由于只有少数研究分析了生殖性状的遗传差异，所以很难确定是什么机制和进化过程导致这种差异。不过，精子产生、精子维持、雄蜂繁殖形态学和精子储存等方面取得的研究进展为分析精子性状差异可能发生的节点提供参考。

三、精子浓度和质量对雄蜂的重要性

内阳茎上的精子浓度可以预测雄蜂的繁殖成功率。精子浓度越高，雄蜂将精子通过输卵管泵入受精囊的可能性越大，产生更多精子的雄蜂更有可能使卵子受精。其他研究发现，体型较小的雄蜂繁殖成功率较低，这可能是精子数量较低造成的。精子在输卵管内趋于成簇，并且亲缘关系近的精子更可能聚在一起，这可能会使精子表现出群体行为并交换有益物质以减轻来自亲缘关系较远的精子的负面竞争，从而提高长期储存，并增加受精的可能性。精小管数量、精子发生质量，精子转移，射精以及精子储存等差异均可造成精子质量的不同。

1.精小管数量

精子形成发生在精小管中，精小管的形态或生理变化都会改变精子的产生。雄蜂有200多条精小管，每只雄蜂可平均产生约700万精子。我们不知道蜜蜂之间在精小管数量上存在多大差异，但研究发现新羽化的雄蜂在精巢大小上的确存在差异，而精巢大小与精小管数量是高度相关的。

2.精子发生

与其他膜翅目昆虫相比，除了涉及减数分裂重组的3个基因DMC1、RAD51C和RECQ3之外，蜜蜂有所有减数分裂的核心基因。这些核心基因与精子形成过程中的细胞周期控制、染色体结构维持和减数分裂重组有关。

3.从精巢转移到贮精囊

雄蜂一旦羽化，精子就开始从精巢转移到贮精囊，这个转移过程延迟了性成熟。如果精子的迁移率存在不同，羽化后精子的浓度也会有差异，而精子迁移在不同雄蜂之间确实存在差异，遗传因素很可能起作用。因为来自不同群体的雄蜂其精子迁移率存在差异，雄蜂在交尾能力上也存在不同，这也表明精子迁移存在差异。

4.射精和精子运动

精子进入到蜂王输卵管后，会移动到蜂王受精囊中。射出的精子具有相应的生化机制进行有氧代谢。在蜜蜂中，精子能动性和鞭毛运动都是很耗费能量的，需要依赖ATP产能来完成从雄蜂到蜂王受精囊之间的转移。精子储存在受精囊后，它就开始通过厌氧的酸化糖酵解代谢产生ATP。蜂王受精囊维持缺氧环境，减少精子储存过程中的能量消耗，降低ROS活性，使储存的精子进行无氧代谢。

5.精子在蜂王体内的储存

蜂王产生的受精囊液体确保有适合的环境维持精子的长期活性，受精囊液体和精浆不同，它包含能量代谢和抗氧化防御相关的蛋白。受精囊提供参与厌氧代谢和糖酵解途径的蛋白质，这些蛋白在精浆中是没有的。精子进入受精囊后其糖源改为由受精囊提供的果糖，这种改变使精子可以利用糖酵解途径，降低其代谢速率。蜂王需要储存精子1～2年，它们还会产生有利于精子储存的抗氧化剂。

四、精子形态对雄蜂生殖力的重要性

在亲缘关系较近的蜂类中，蜜蜂的精子最长、最大，这被归因于蜜蜂一雌多雄交尾方式的进化以及精子竞争的出现。更长的精子可能更适于长期储存，因为它寿命更长、能量产生和在精子储存器官内的位移更大。考虑到蜂王一般存活1～2年，寿命较长的精子使卵子受精的可能性更大，这可能导致精子的长度和形态被高度选择。

五、精浆对雄蜂生殖力的重要性

在蜜蜂中，精浆的功能很多，其主要功能是保护精子。在蜜蜂精浆中已鉴定出多达260种蛋白，多数蛋白与精子的保护相关。比如，精浆中包含一些与解毒、免疫和氧化应激相关的蛋白。精浆还与蜂王相互作用，通过增加产卵率、提高受精囊的精子储存以及改变对精子的接受能力等提高受精。

六、未来的研究方向

尝试从分子水平了解蜜蜂精子成分的变化是如何产生的，对于雄蜂是如何产生并维持它们的射精、遗传差异如何造成雄蜂生殖力的变异以及哪些性状决定雄蜂的适合度等方面还有很多未知。

1.进一步研究精子质量和雄蜂生殖力之间的关系

目前，仍不知道哪些性状是预测精子质量的最佳指标，多数研究通过双荧光染色法测量精子活力来衡量精子质量，但诸如线粒体活性、顶体反应、DNA片段化和精子能动性等可以更精确的测量精子质量。各研究获取和量化精子的方法不同，主要采用两种方法：第一种是在雄蜂腹部施加压力或使用氯仿麻醉使雄蜂内阳茎外翻，使用注射器收集精液。此方法测量的是雄蜂交尾时将使用的精子；第二种是测量贮精囊中的精子。此方法需要解剖贮精囊，测量从精巢转移到贮精囊中的精子。未来的研究需要考虑哪种方法更适合其研究目的。此外，研究还需考虑因日龄、营养以及其他环境压力导致的精子变化。

将来的工作应该将精子表型变异与雄蜂的生殖力和适应度联系起来，一些精子性状可能展示雄蜂的适合度。例如，高浓度的精子可能会增加雄蜂的受精概率，较长的精子可能更适合长期储存。尽管如此，我们仍然不知道哪些性状呈现差异以及它们如何影响雄蜂的生殖成功，这妨碍了我们对蜜蜂种群的有效管理，因为不知道该选择雄蜂的哪些生育性状。随着对雄蜂性状变异的了解越来越多，可以建立有针对性的育种计划。

2.识别候选基因

需要进一步研究遗传在雄蜂生育力中发挥的作用以及有助于雄蜂繁殖性能的遗传因子。通过对比精子性状呈现差异的不同群体或培育品系之间的基因有可能找到决定这些性状的候选基因，可以通过全基因组关联研究（GWAS）或从这些群体产生遗传杂交来实现。针对某一性状，GWAS需要对在性状上存在变异的大量个体进行表型分析、DNA测序，以确定与该性状相关的基因组区域。 GWAS花费较多并且耗时。遗传杂交需要不同的品系或群体，它们在性状上存在变异。使用这些品系或群体进行杂交，通过比较杂交种与亲本群体之间的基因找出与性状关联的候选基因。一旦确定对生育能力重要的精子性状的变异，就可以使用这些方法来鉴定候选基因。