工蜂勞動分工與蜂王漿高產(chǎn)機(jī)理的大腦神經(jīng)肽組、膜蛋白質(zhì)組和膜磷酸化蛋白質(zhì)組研究.pdf

1、蜜蜂具有豐富的社會行為，大腦作為信息處理的最高中樞在蜜蜂行為的調(diào)控中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。神經(jīng)肽是在大腦神經(jīng)信息傳遞過程中具有作用的活性生物多肽，通過在神經(jīng)元、神經(jīng)回路、組織器官水平上整合神經(jīng)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的功能，最終在生長發(fā)育、代謝、生殖、求偶、覓食行為等方面發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)功能。與此同時，大腦主要利用電信號和化學(xué)信號傳輸信息，多種類型的膜蛋白，如受體蛋白、通道蛋白、轉(zhuǎn)運蛋白等在信號傳導(dǎo)中發(fā)揮不可或缺的作用，而膜蛋白的磷酸化修飾在蛋白功能

2、和信號傳導(dǎo)中發(fā)揮廣泛而且精細(xì)的調(diào)控作用。然而，關(guān)于大腦神經(jīng)肽組、膜蛋白質(zhì)組和膜磷酸化蛋白質(zhì)組在工蜂行為調(diào)控中的研究還未見報道。本研究針對蜜蜂成年工蜂中存在的與日齡相關(guān)的勞動分工現(xiàn)象，以工蜂不同發(fā)育時期的大腦為研究對象并選取了意大利蜜蜂（原意）和蜂王漿高產(chǎn)蜜蜂（漿蜂）兩個品系，利用非標(biāo)記蛋白質(zhì)組學(xué)定量、膜蛋白提取、磷酸化富集、生物信息學(xué)分析等手段開展了工蜂大腦神經(jīng)肽和膜蛋白在行為調(diào)控中的研究。
　　在工蜂大腦發(fā)現(xiàn)的22種神經(jīng)肽前體蛋

3、白中鑒定到158條非冗余的神經(jīng)肽，其中77條為首次鑒定，顯著提高了蜜蜂神經(jīng)肽組的覆蓋率。在工蜂不同發(fā)育時期，14類神經(jīng)肽家族動態(tài)調(diào)節(jié)工蜂生理以適應(yīng)不同階段勞動分工的需要，尤其是在采集蜂時期加強(qiáng)了代謝、運動、生物節(jié)律等方面生理調(diào)控以適應(yīng)巢外采集工作。對原意和漿蜂大腦神經(jīng)肽組的定量比較發(fā)現(xiàn)，漿蜂的神經(jīng)肽組發(fā)生了重構(gòu)，以適應(yīng)蜂王漿高產(chǎn)的需要，其中利尿激素(DH)和外周神經(jīng)激肽(PVK)通過加強(qiáng)漿蜂哺育蜂水分和離子平衡的調(diào)控為蜂王漿分泌量提高提

4、供了有力的支撐;速激肽(TK)在嗅覺識別調(diào)控中發(fā)揮重要的負(fù)調(diào)控作用，其在漿蜂中的低表達(dá)有利于漿蜂對幼蟲的識別，同時加強(qiáng)了對花粉的采集，保障了蜂王漿分泌對蛋白質(zhì)的需求，從而促進(jìn)了蜂王漿分泌量提高。
　　膜蛋白作為信號傳遞的受體在蜜蜂大腦調(diào)控行為中具有重要功能，我們在不同發(fā)育階段的蜜蜂大腦中鑒定到1079種膜蛋白，它們主要參與氧化磷酸化、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)加工、溶酶體等十個重要通路，其中氧化磷酸化途徑主要為大腦神經(jīng)元功能提供能量保障，而內(nèi)質(zhì)

5、網(wǎng)蛋白質(zhì)加工通路能夠為各種酶、神經(jīng)肽、突觸以及囊泡的膜蛋白組件的合成和加工提供分子基礎(chǔ)。為了滿足工蜂不同發(fā)育階段大腦生理功能的需要，大腦膜蛋白質(zhì)組處于動態(tài)變化之中。在成年工蜂發(fā)育早期，碳水化合物、核甘酸和脂類代謝相關(guān)的膜蛋白上調(diào)表達(dá)為神經(jīng)元的增殖、遷移等提供物質(zhì)和能量支持，促進(jìn)大腦結(jié)構(gòu)和功能的完善;采集蜂在巢外從事采集工作面對多變的外部環(huán)境，其大腦需要處理復(fù)雜的視覺、嗅覺、以及觸覺信息，此時上調(diào)表達(dá)的膜蛋白種類最多，且主要是通過增強(qiáng)神經(jīng)

6、元之間的信號傳導(dǎo)加強(qiáng)行為調(diào)控并幫助采集蜂更高效的處理信息。通過對原意和漿蜂膜蛋質(zhì)組的比較發(fā)現(xiàn)，漿蜂大腦膜蛋白加強(qiáng)了對哺育和采集行為的調(diào)控，進(jìn)而支持蜂王漿高產(chǎn)的需要。在哺育蜂階段，漿蜂大腦中的磷脂酰肌醇信號通路和花生四烯酸信號通路的功能得到加強(qiáng)，有利于提高對幼蟲信息素的識別，進(jìn)而提高臺基接受率，這是蜂王漿高產(chǎn)的前提;在采集蜂階段，漿蜂大腦中與神經(jīng)信號傳導(dǎo)相關(guān)的通路功能得到加強(qiáng)，如:SNARE在囊泡運輸中的互作，wnt信號通路，TGF-be

7、ta信號通路等，增強(qiáng)了采集蜂對花粉的采集力，為蜂群提供充足的蛋白質(zhì)食物以滿足哺育蜂分泌蜂王漿對蛋白質(zhì)的需求。
　　通過對工蜂大腦膜蛋白磷酸化修飾的鑒定和分析發(fā)現(xiàn)，其磷酸化修飾主要在MAPKs，CDKs和CK2這幾類激酶的催化下完成。在工蜂大腦發(fā)育不同時期，磷酸化參與調(diào)控的重點也有所不同，幼蜂期主要促進(jìn)神經(jīng)元的發(fā)育和突觸功能的成熟，成蜂期主要加強(qiáng)哺育蜂和采集蜂大腦神經(jīng)元離子傳輸和信號傳導(dǎo)。原意和漿蜂大腦的膜磷酸化蛋白質(zhì)組的比較發(fā)現(xiàn)，

8、漿蜂中上調(diào)表達(dá)的磷酸化蛋白數(shù)目更多說明磷酸化在漿蜂大腦功能中的調(diào)控作用更加活躍。尤其是在哺育蜂和采集蜂時期，轉(zhuǎn)運蛋白磷酸化水平顯著提升表明神經(jīng)元信號傳導(dǎo)能力在漿蜂中得到加強(qiáng)，從而更有利于對哺育和采集行為的調(diào)控，為蜂王漿分泌量的提升提供保障。
　　本研究通過對工蜂大腦神經(jīng)肽組、膜蛋白質(zhì)組和膜磷酸化蛋白質(zhì)組的分析，深入解析了蜜蜂行為的神經(jīng)調(diào)控和蜂王漿高產(chǎn)分子基礎(chǔ)。在多維組學(xué)水平上全面闡釋了神經(jīng)肽、膜蛋白、膜磷酸化蛋白調(diào)節(jié)蜜蜂勞動分工行