華大基因最新研究揭開蜂類社會系統演化之謎

　　在自然界中，有許多動物包括人類演化出了群居生活的社會行為。根據社會化水平高低，物種可以分為獨居、兼性、初等社會性、完全社會性等四種形態。而且隨著社會化程度的提高，群體內成員之間的分工也更加的明確和復雜。完全社會性是最高級的生物社會組織形態，具有群居、合作撫育幼體、繁殖分工以及世代重疊等特點。完全社會性的組織方式由獨居的生活方式演化而來，在脊椎動物和無脊椎動物的演化過程中多次獨立產生。蜂類具有多種社會形態，既有獨居型的個體單干戶，也有由一個蜂后和幾個工蜂組成的初級社會性蜂群，還有的發展成由高達上百萬成員組成、具有明確分工的完全社會性的龐大蜂群。社會性生活方式在許多蜂類里多次獨立演化產生。蜜蜂就是具有完全社會性組織形態的物種之一，其工蜂完全失去生殖能力轉而幫助蜂后撫養后代，這種犧牲個體繁殖能力的現象一度困擾了達爾文，其起源和演化機制成為了演化生物學研究中非常重要的難題。

　　為了揭開蜂類社會性演化之謎，華大基因國家基因庫張國捷研究員所帶領的生物多樣性課題組與伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Gene Robinson教授的團隊合作完成了對具有不同社會組織形態的10種蜂類的比較基因組學研究，并從分子水平上闡明了社會性組織形態的演化過程及分子機制。該成果于2015年5月15日在線發表在《科學》雜志上。

　　這10種蜂類涵蓋了3個科，包含了5個已發表和5個新測序的物種。其中蜜蜂科(Apidae)和集蜂科(Halictidae)各自獨立實現了由獨居到社會性群居的轉變，而蜜蜂科里的Apis屬和Meliponini屬兩次實現了從初等社會性到高等社會性的獨立轉變。

　　研究發現從獨居到真社會性演化過程中，隨著社會性復雜程度的變大，基因調控網絡的復雜性也跟著變大。通過比較這10種蜂類5,865個直系同源基因調控區的轉錄因子（TFs）結合潛能以及可被甲基化基因的數目，研究人員發現社會化程度越高的物種，其轉錄因子結合潛能和被甲基化調控的基因越多。轉錄因子的結合以及甲基化修飾是真核生物中兩種主要的基因調控作用方式。同時，在基因區研究還發現參與基因表達調控相關的基因在高程度社會化的物種中具有更快的分子演化速率。相反參與神經以及內分泌相關的基因在高程度社會化蜜蜂中反而進化更慢、更保守。研究人員推測神經內分泌的保守和調控方式的多樣化在社會化行為演化和調控中具有相輔相成的作用。

　　在蜜蜂科和集蜂科里的兩次從獨居到初等社會性的轉變中，研究人員找到了上百個可能參與社會性演化相關的基因具有快速的演化速率，這些基因主要參與信號傳導相關的功能。據推測，從獨居到社會化的轉變過程中，外界的環境發生了巨大的改變，這種改變可以通過對細胞內的信號傳導通路的刺激來影響生理并產生群居生活的表型。但是在這兩個獨立的轉變中，研究人員卻驚奇的發現只有6個基因是相同的，這說明了不同的蜂類通過改變不同的信傳導通路而來演化成社會性行為。研究還證實了從初等社會性到真社會性的演變過程在Apis屬和Meliponini屬也是利用不同的基因和信號通路實現了這一重大轉變。

　　因此研究人員認為，在蜂類社會化的演化過程中，每次的獨立演化可能都以不同的機制來實現，但是整體的演化機制也存在共性，即都伴隨著基因調控網絡的復雜化和多樣化。這一研究結果進一步印證了之前生物多樣性課題組所發表的多個工作的結論，這些文章系統的從比較基因組、DNA甲基化調控和RNA編輯等多個水平揭示了這類完全社會性生物包括裸鼴鼠、白蟻和螞蟻等的復雜調控機制。