蜜蜂与其它社会性膜翅目昆虫一样, 其群体的主要特性是通过有繁殖能力的蜂王来体现的[ 1 , 2]。但与其它群体不同 , 蜜蜂群中通常只有1 只生殖器官发育健全 、具有繁殖能力的蜂王,所有的卵都由蜂王生产[ 3]。
为了保证蜂群的繁衍和发展, 蜜蜂蜂王需要保 持 旺 盛的 产 卵 力 。 如 意 大利 蜂 apismellifera ligustica 蜂王每年约产 20 万个受精卵 ,并且能够保持这样的产卵力达数年之久[ 4], 因此需要大量的精子参与受精。由于蜜蜂处女王在巢外 飞翔 交配 时可 连续 与多 只雄 蜂 交配[ 5 , 6],交配后将大量的精子贮存在蜂王体内特殊的生理结构 ———受精囊中, 加上蜂王具有在开始产卵后不再交配的特性 ,因此,在自然条件下蜂王长达数年的受精卵生产过程中, 所需的精子都来源于受精囊。也就是说, 蜂王受精囊具有大量 、长期贮存高活力精子的能力 。蜂王体内精子的贮存包括 2 个过程:第一是精子从侧输卵管转移到贮存器官———受精囊的过程 ,包括转移过程中的精子竞争等;第二是精子在受精囊中长期的寿命和活力保持过程[ 7]。本文对这些方面的研究进展作一综述 。
1 蜂王的交配和精子的获得 蜜蜂处女王通常在 7 日龄后进入性成熟期 ,它会选择在晴朗少风的午后出巢进行婚飞 。在婚飞过程中 ,蜂王可连续与 5 ～ 20 只雄蜂交配 ,也有报道说西方蜜蜂 apis mellifera 蜂王最多可与 44 只雄蜂交配[ 8]。婚飞完成后, 蜂王一般不再出巢进行交配飞行
蜂王的交配通常在空中特定的雄蜂聚集区(drone congregation areas, dcas)内进行。在繁殖季节 ,每个雄蜂聚集区可以聚集 10 000 只以上来自不同蜜蜂品种(系)的雄蜂。当处女王飞临 dca 后, 成千上万的雄蜂会在蜂王后面追赶,以获得与蜂王交配的机会 ,因此 boomsma 等认为蜜蜂的交配特点是典型的“雄蜂聚集”型[ 2]。
蜂王与雄蜂的交配过程非常短暂[ 9]。在西方蜜蜂中,整个交配过程少于 5 s, 但 1 次交配结束后 ,蜂王可以很快又和其它雄蜂交配 。这么短的交配过程 ,加上雄蜂聚集区内雄蜂数量的绝对多数化, 减少了蜂王选择雄蜂的可能性 。然而, 蜂王的交配并不完全随机, 研究发现, 当雄蜂聚集区内有数个蜜蜂品种(系)的雄蜂聚集时,蜂王更喜欢与本品种(系)雄蜂交配 ,也就是说,蜜蜂贮存的精液多数还是来源于本品种(系)雄蜂[ 9 , 10]。
雄蜂与蜂王交配时 , 每只雄蜂中排出约2.2 μl 精液 , 都会先储存在蜂王的交配囊和侧输卵管里 。在交配后的 24 h 内, 大约有 0.78μl 精液会主动或者被动地运输到受精囊, 并在那里贮存起来, 直到给卵子进行授精[ 11]。
蜂王产卵后 ,终生不再交配,贮存在受精囊中的成百万个精子将用于蜂王一生的产卵受精。这些精子在长达 5 ～ 6 年甚至更长时间贮存后 ,依然保持着高度的活力[ 12]。这对蜂群本身是很有意义的 ,蜂王体内精液的长期贮存, 将能保证蜂王长期 、大量地产受精卵 ,维持蜂群群势,提高生存能力。
2 蜂王受精囊与精子的贮存 蜜蜂受精囊是在雌雄交配之后 ,雌性贮存 、释放精子和使卵受精的器官, 其结构、功能对保持精子活性有重要的影响[ 13]。受精囊是一个直径约为 1.1 mm 的球形结构, 它由 1 层上皮细胞组成的膈膜组成, 表面粗糙 ,外围包裹着密集的气管网。受精囊内腔中充满了透明的液体 ,并与 1 对管状腺体相连。
精子在受精囊中的排列并非杂乱无章, 而是与贮存部位的上皮细胞间存在着空间上的联系 ,受精囊内腔有秩序地充满着成束的精子 。受精囊内腔与输卵管之间由受精囊管相连 。受精囊管肌肉就像一个泵 ,可使受精囊管闭合,形成密闭的精子保存室 ;而当蜂王排卵需要精子受精时, 受精囊管肌肉收缩 ,释放出 10 ～ 100 个精子,其中 1 ～ 10 个进入卵子参与受精。当部分精子排出后, 蜂王会用体液来补充因精子排出而损失的体积 ,因此 ,受精囊中精子的浓度会随着液体的重新分配而不断下降[ 14]。
受精囊有无色泽与蜂王是否完成交配有关 。没有交配的处女王的受精囊呈半透明状 ,交配成功的蜂王由于受精囊内充满了雄蜂精液 ,呈奶油咖啡色, 并有或明或暗的大理石花纹 。
受精囊色泽深浅与其内贮藏的精子密度相关 。如果受精囊呈雾状或奶白色 , 则表明精子密度很低 ,有可能是蜂王交配不成功或是精子即将用完 。观察蜂王不同阶段的受精囊, 可以了解蜂王的生产状况[ 15]。
3 精子贮存过程中的竞争和隐秘雌性选择 3.1 精子竞争
精子竞争发生的先决条件是雌性个体与一个以上的雄性交配 , 并且精子数量超过了卵子受精所需要的数量[ 2], 而蜜蜂的一雌多雄交配特性满足了精子竞争的先决条件。第一, 蜜蜂是高度一雌多雄交配的物种, 与其交配的有效父本数可以多达十几到几十只[ 16];第二, 与其它昆虫一样, 大多数蜜蜂品种(系)的雄蜂交配时并不直接将精子转移进受精囊 ,而是将精液先射进蜂王的交配囊中[ 17]。由于精液的体积远大于蜜蜂交配囊的体积, 因此蜂王收缩交配囊壁将精液挤入侧输卵管中, 在这个过程中大多数精子将回流到交配囊, 最后通过阴道排出体外 。在西方蜜蜂中, 婚飞后蜂王的侧输卵管中共有约 2 亿个精子 , 但最终只有约 470 万个精子被转移并贮存于受精囊中 ,也就是说只有不到 2.5 %的精子最终被成功转移[ 18]。
精子竞争发生在 2 个不同的阶段 , 即在精子贮存过程和精子使用时(卵授精时)[ 19]。由于蜂王交配后进入侧输卵管中的精子数量要远大于最后贮存到受精囊中的数量, 雄蜂精子为了争取进入受精囊 ,不可避免地产生竞争 。近年来大量研究发现, 发生在精子贮存过程中的竞争不如卵子受精过程时激烈 。如:franck 等认为雄蜂精液在侧输卵管中仍然保持着适度的丛块状 ,来自不同雄蜂的精液并不同时进入受精囊[ 20];schlǜns 等利用人工授精手段培育蜂王, 但在其后代工蜂中几乎所有父系的血统都得以体现[ 21], 他们认为由于人工授精相当于在精子贮存之前人为地减少了精子成块机会, 假如精子竞争很明显, 就将有某个雄蜂的后代数量超过其它雄 蜂的现象 , 但 实际上并不 存在[ 21 , 22];franck 等还发现, 与其它社会性昆虫中的最后雄性偏向性(last male sperm preference , 即卵子与最后交配雄性的精子受精的比例显著偏高)不同, 自然交配的西方蜜蜂蜂王中没有这种现象[ 20]。
研究发现蜂王受精囊内精子是充分混合的[ 23 , 24],因此精子的竞争最有可能发生在给卵子授精过程中 。当蜂王产卵时, 为了确保卵细胞受精成功, 会同时释放一些来自不同雄蜂的精子 ,这时精子会为获得与卵子结合的机会而竞争 。
3.2 隐秘雌性选择
隐秘的雌性选择(cryptic female choice)是影响父权的因素之一[ 25]。与精子竞争一样, 蜂王的隐秘雌性选择也发生在精子贮存过程中。
boris 认为蜂王具有完全或部分排出特定雄蜂精液的能力 。在交配过程中, 它会主动关闭交配囊的褶瓣 ,使雄蜂射出的精液无法进入交配囊;如果精液已经进入侧输卵管,蜂王也能通过肌肉收缩而将精子往回推, 达到全部或部分排出这些精子的目的[ 26]。
蜜蜂精子的贮存过程是一个联合的过程 ,既包括精子积极游向受精囊管的过程 ,又包括雌性昆虫的肌肉运动过程 。蜂王能够控制精子的整个转移过程, 避免死亡的或没有活力的精子进入受精囊。franck 等认为蜂王既具有利用肌肉收缩和 bresslau 精子泵将精子推入受精囊的能力, 也有控制精液回流的能力 ,因此 ,它完全可能利用这种能力控制不同精液的贮存过程[ 20]。少数受精不足的蜂王再次婚飞的现象表明,蜂王有能力控制侧输卵管中精子的数量 ,甚至受精囊的填充程度 。
蜜蜂的隐秘雌性选择与其它生物有很大不同 ,它们会偏向某些特定的基因型[ 27]。蜂王利用一雌多雄交配快速地在侧输卵管积聚不同雄蜂的精液,然后按照需要处理这些精液,以确保转移足够数量的精子进入受精囊和选择尽可能多的雄蜂基因型, 这也解释了为什么蜂王要获取远远超过其本身需要的精子数量和在精子转移过程中大量排出精子 。
4 受精囊内精子长期贮存机制 研究蜂王体内精液贮存机制 ,在蜜蜂遗传育种领域具有重要的经济和应用价值, 有助于蜂种选育程序的完善和更好地保存各种不同的蜜蜂遗传品系[ 28 , 29],也将为精液体外贮存缓冲液配方的研制和长期保存提供理论基础。而体外精液长期贮存技术在养蜂学上的使用将使我们完全或部分摆脱气候条件的约束和季节的限制 ,并在雄蜂大量自然产生和容易培育时最大量地加以利用。当自然界缺乏雄蜂时 ,即可用贮存精液给处女王人工授精, 从而很容易地生产早春繁殖王和秋季替换王 。另外 ,国家与地区间以精液的形式交流遗传物质为世界范围内优良种质(精子和卵 , 甚至产生这些配子的组织)的交流提供了较为经济 、安全的运输方式 ,既不会妨碍防疫检验 ,又可使低成本利用优良种蜂成为可能, 也使它作为各种育种方案的辅助手段成为可行[ 30]。
相比于精子在蜂王体内长达数年的保存 ,在室温或轻度冷冻温度下, 精子的体外长期保存尚未获得满意的效果 。即使加入适量青霉素 ,精子在 13 ～ 15 ℃也仅能保存 35 周 , 并只有部分精子存活[ 31]。因此, 蜂王体内精子贮存有它的优势和特殊的贮存机制。
但蜂王体内精液贮存的机制是非常复杂的。weirich 等认为受精囊中 ph 值较高 , 达到8.6 ,并且发现大量的 zn2 + 存在 。而 zn2+ 和较高的 ph 值具有抑制精子运动 、减少精子的新陈代谢作用, 并且还能抑制浆血细胞等吞噬精子。还有 ,贮存器官内细胞排列等微环境变化 、激素浓度的变化等都可能影响精子的活力[ 32]。
另外 ,受精囊中精子是有生命活动并需氧的, 精子面临着被生命过程中酶促或非酶促反应产生的氧化物(如过氧化氢)氧化的危险。那么, 精子是如何在这一内环境中长期保持高度的活力呢 可以肯定的是 ,功能性蛋白质是生命现象的真正执行者 。蜜蜂的雌性生殖组织和一些肌肉组织中存在不同水平的抗氧化酶活性,几种抗氧化酶,如 :超氧化物歧化酶(sod)、过氧化氢酶(cat)、谷甘胱肽 -s -转移酶(gst)能使精子减少在贮存中被氧化 的危险[ 32 , 33]。但这些抗氧化酶是来自雄蜂还是蜂王,来自生殖组织还是其它组织,具体是哪些组织以及它们的表达量等问题尚未见报道 。
通过对果蝇精液贮存机制的研究发现 , 来自雄性果蝇精液中的几种特殊蛋白可能在精子的安全转运和有活力的精子保存中发挥着重要作用[ 34],由其附腺分泌的 acp36de 蛋白在精子转运到受精囊的过程中发挥着关键作用[ 35], 另一种蛋白酶抑制剂acp62f 蛋白也作为“精液防腐剂”在精子的长期保存中发挥着作用[ 36]。
但由于果蝇的生命周期较短(只有几周),相比蜂王体内长达数年的精子贮存期 ,它并不是研究父源和母源蛋白在精液长期贮存中作用的理想昆虫。但它为我们提供了一条思路 , 那就是来自于雄蜂的蛋白也可能在蜜蜂精子的转运和贮存过程中发挥重要作用 。
相比较于雄性精液蛋白, 对来自于雌性的 、与精液贮存利用相关的蛋白质的研究还很少 。由于蜜蜂精液的贮存时间很长, 来自雄蜂的精液蛋白可能会在初期发挥作用, 但随着这些蛋白的逐渐降解, 至少在贮存的中后期,可能还是蜂王本身分泌的蛋白在精子贮存中发挥更为重要的作用。
5 展望 综上所述,关于蜂王精子贮存已经有多方面的研究 ,这使人们对这一现象有了一定的认识 ,但仍有许多问题还没有搞清 。如 :哪些蛋白质和酶类物质在精子的长期贮存中发挥作用 ,它们来自于蜂王本身还是雄蜂, 来自什么器官 蜂王受精囊中精子长期贮存的最终调控机制是什么,主要调控物质是什么 ,是如何参与精子贮存的 贮存期间蜂王受精囊内是否有吞噬细胞(如浆血细胞等)产生 ,精子贮存中的免疫问题是如何解决的 交配过程中蜂王是否对与其交配的雄蜂有所选择 , 蜂王如何调控不同雄蜂精液的转移贮存等等 , 这些问题都需要进一步研究 。如能研究清楚蜂王体内精子长期保存机制 ,将有助于蜜蜂种质资源的保护、利用和交流 ,如果再将之运用于人或其它经济动物的精子贮存 ,将具有更重要的科学和实践意义 。
参 考 文 献
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