在法國(guó)巴黎自然歷史博物館琳瑯滿(mǎn)目的展品中，一群小小的蜜蜂并不引人注目。這些小家伙已經(jīng)在異國(guó)他鄉(xiāng)沉睡了100多年，直到幾位來(lái)自中國(guó)的科學(xué)家找到它們，提取出破碎的基因片段，首次實(shí)現(xiàn)了中華蜜蜂（中蜂）跨越百年的基因組比較研究。
這場(chǎng)前所未有的溯源研究，由中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所、國(guó)家動(dòng)物標(biāo)本資源庫(kù)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)及丹麥哥本哈根大學(xué)等多家單位共同合作完成，相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》。研究發(fā)現(xiàn)，中蜂的種群看似穩(wěn)定，但其核心種群遺傳多樣性在過(guò)去百年間已喪失了約30%，而驅(qū)動(dòng)這一劇變的主要原因，是人類(lèi)廣泛使用的農(nóng)藥。
每一件沉睡的生物藏品，都封存著一份跨越時(shí)空的基因檔案。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，這些標(biāo)本的潛在研究?jī)r(jià)值正在迅速上升。新興的“博物館組學(xué)”(對(duì)館藏樣品的測(cè)序計(jì)劃)為理解生物演化與環(huán)境變遷提供了寶貴的實(shí)證，有望應(yīng)用至更多瀕危或具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的昆蟲(chóng)研究中，為物種保護(hù)提供新視角。
巴黎自然歷史博物館收藏的中蜂標(biāo)本，受訪者供圖
蜜蜂的生存危機(jī)
人們?nèi)ゲ┪镳^參觀時(shí)，總期待著看到難得一見(jiàn)的珍稀生物。可你或許沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，在博物館中最難找到的，反倒是一些司空見(jiàn)慣的小家伙。比如蜜蜂，因?yàn)樘Ｒ?jiàn)、太“平凡”，很少有研究人員會(huì)特地把它們捉來(lái)做成標(biāo)本，珍而重之地放進(jìn)博物館。
但看似隨處可見(jiàn)的蜜蜂，正面臨嚴(yán)峻的生存危機(jī)。
人類(lèi)找到了一個(gè)哺乳動(dòng)物身上不存在，卻能精準(zhǔn)打擊昆蟲(chóng)的作用位點(diǎn)，并據(jù)此設(shè)計(jì)出新煙堿類(lèi)農(nóng)藥，其中便包括目前全球用量最大的殺蟲(chóng)劑之一——吡蟲(chóng)啉。但人們很快發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)殺蟲(chóng)劑也會(huì)誤殺有益昆蟲(chóng)，這成了近代農(nóng)業(yè)對(duì)蜜蜂的最大傷害。此外，人類(lèi)活動(dòng)持續(xù)擴(kuò)張導(dǎo)致的棲息地碎片化，也在進(jìn)一步威脅蜜蜂的生存。
而另一場(chǎng)來(lái)自外來(lái)競(jìng)爭(zhēng)者的生存擠壓同樣殘酷：中國(guó)本土的蜜蜂，以東方蜜蜂下的一個(gè)亞種——中華蜜蜂（中蜂）為主。一個(gè)多世紀(jì)前，人們引入了產(chǎn)蜜量更高，且能生產(chǎn)蜂王漿的西方蜜蜂（西蜂），如今這些“外來(lái)打工者”的數(shù)量已反超本土的中蜂。
西蜂不僅搶占了工作崗位，更帶來(lái)了一種致命的“生物武器”——囊狀幼蟲(chóng)病毒（SBV）。在歐洲，這一病毒已經(jīng)和西蜂共同演化了幾百萬(wàn)年，對(duì)西蜂幾乎沒(méi)有影響，但對(duì)中蜂來(lái)說(shuō)卻是致命的。有研究顯示，上世紀(jì)70年代，中國(guó)超過(guò)一半的中蜂就死于這種病毒。
然而中蜂所承擔(dān)的生態(tài)功能是西蜂無(wú)法取代的。“如果中蜂減少甚至消亡，意味著許多本土植物的傳粉鏈條也將面臨斷裂。”論文第一作者兼通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所研究員劉山林向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋?zhuān)爸袊?guó)的自然環(huán)境廣袤而多變，中蜂在長(zhǎng)期演化中形成了獨(dú)特的多樣性。例如在高海拔的寒冷地帶，那些從國(guó)外引進(jìn)的意大利蜂（西蜂的一個(gè)品種），面對(duì)低溫環(huán)境往往不愿出巢活動(dòng)。而本地的中蜂卻能克服嚴(yán)寒，積極為當(dāng)?shù)刂参飩鞣郏蔀榫S持高山生態(tài)系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵角色。正是這種對(duì)極端環(huán)境的獨(dú)特適應(yīng)，讓中蜂成為中國(guó)生態(tài)多樣性中不可或缺的一環(huán)。”
近50年來(lái)，中蜂種群資源大幅下降，尤其是華北型中蜂幾乎面臨滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。目前整個(gè)天津已經(jīng)沒(méi)有中蜂的記錄，而北京83.4%的區(qū)域內(nèi)已經(jīng)見(jiàn)不到中蜂，只在部分郊區(qū)、保護(hù)區(qū)及少量研究單位有記錄。
“中蜂100年前活得好好的，這100年里經(jīng)歷了各種問(wèn)題，變成現(xiàn)在的樣子。我們想知道：到底是哪幾個(gè)主要因素驅(qū)動(dòng)了它的種群下降？”劉山林說(shuō)。就這樣，一項(xiàng)回溯百年的研究開(kāi)始了。
從博物館到實(shí)驗(yàn)室
100年前的蜜蜂上哪找呢？研究人員很自然地想到了博物館。
但要找到合適的標(biāo)本并不容易。中國(guó)的現(xiàn)代自然科學(xué)起步較晚，缺乏像西方博物館那樣延續(xù)數(shù)百年的系統(tǒng)收藏，他們翻遍國(guó)家動(dòng)物標(biāo)本資源庫(kù)的記錄，發(fā)現(xiàn)能追溯至一個(gè)世紀(jì)前的中蜂標(biāo)本僅有一件，這讓研究陷入巧婦難為無(wú)米之炊的困境。
論文通訊作者之一、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授周欣輾轉(zhuǎn)聯(lián)系到法國(guó)自然歷史博物館，后者珍藏著一批1900年前后采集的中華蜜蜂，其中就包括大衛(wèi)神父1870年在四川寶興采集的中蜂標(biāo)本。而這位大衛(wèi)神父，正是在四川寶興發(fā)現(xiàn)并向世界介紹大熊貓，還將其命名為“panda”的人。
所有博物館都非常看重藏品的完整，要說(shuō)服他們提供研究樣本并不容易。為此，研究人員提出了一個(gè)巧妙的建議：昆蟲(chóng)有6條腿，并且左右對(duì)稱(chēng)，他們只取其中一條后腿，通過(guò)無(wú)損化提取技術(shù)分離出基因片段，終于得到了館方的支持。
然而這種方式提取出的基因片段平均長(zhǎng)度僅約40個(gè)堿基對(duì)，與當(dāng)前長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)所能解析的10兆堿基對(duì)相比，相差數(shù)十萬(wàn)倍。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是碎成渣渣了。
不僅如此，這些基因碎片還面臨著化學(xué)損傷的干擾。DNA中的A、T、C、G四種堿基里，A堿基極易發(fā)生去氨基化，導(dǎo)致在測(cè)序過(guò)程中被誤讀為C堿基，這也大大提升了研究難度。
這是一場(chǎng)近似“極限挑戰(zhàn)”的基因考古，最初的93個(gè)中蜂標(biāo)本，歷經(jīng)反復(fù)嘗試，最終僅有46個(gè)提供了可用的數(shù)據(jù)。
成功破譯百年前的基因密碼，并與362份現(xiàn)代樣本進(jìn)行比較后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)本土的中蜂核心種群，其遺傳多樣性在過(guò)去百年間下降了約30%。
“受影響最嚴(yán)重的是中部種群，這尤其令人擔(dān)憂(yōu)。”劉山林指出，“要知道東方蜜蜂的演化歷史，本身就是從中心區(qū)域向周邊擴(kuò)散的。邊緣種群的衰退或許還能通過(guò)漫長(zhǎng)演化得以彌補(bǔ)，但如果中部種群滅絕了，整個(gè)物種最核心的遺傳基礎(chǔ)就被破壞了。”
在這場(chǎng)大衰退中，中蜂種群變化最顯著的基因大多集中于神經(jīng)系統(tǒng)，而這正是新煙堿類(lèi)農(nóng)藥的作用靶點(diǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步找到了蜜蜂中的“活化石”——馬來(lái)西亞的現(xiàn)代蜜蜂種群，它們的基因特征與百年前的中蜂高度相似。實(shí)驗(yàn)表明，暴露在相同劑量的農(nóng)藥中，馬來(lái)西亞蜜蜂迅速死亡，而歷經(jīng)“群體免疫”的中蜂則展現(xiàn)出顯著更強(qiáng)的耐受性。這也證實(shí)了農(nóng)藥壓力是過(guò)去100年間驅(qū)動(dòng)中蜂發(fā)生快速適應(yīng)性進(jìn)化的主要力量——為了生存，中蜂的基因被迫“篩選”出了抗藥性，但代價(jià)是整個(gè)種群遺傳多樣性的流失和環(huán)境適應(yīng)潛力的削弱。
劉山林感慨：“從研究角度來(lái)講，我們確實(shí)很幸運(yùn)，能在完整物種中完成從基因推測(cè)到現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證的全鏈條工作，這是在古基因組學(xué)領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)的。但對(duì)蜜蜂來(lái)講，這是一個(gè)不幸的發(fā)現(xiàn)，我們必須加強(qiáng)對(duì)中蜂等傳粉昆蟲(chóng)的保護(hù)，減少農(nóng)藥使用，并大力推廣綜合害蟲(chóng)管理，以防止它們賴(lài)以生存的遺傳基礎(chǔ)被進(jìn)一步侵蝕。”
不斷升值的“時(shí)間膠囊”
博物館中的標(biāo)本，看似沉寂已久，其實(shí)蘊(yùn)藏著充滿(mǎn)生命力的寶貴信息，讓歷史長(zhǎng)河中連綴的時(shí)間切片有機(jī)會(huì)在某一刻被喚醒。
周欣很喜歡用“時(shí)間膠囊”來(lái)形容它們。在他看來(lái)，這項(xiàng)研究最重要的突破，在于首次實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代蜜蜂與百年前蜜蜂基因組的直接對(duì)照：“過(guò)去所有的進(jìn)化分析，本質(zhì)上都是從某個(gè)時(shí)間片段倒推，通過(guò)各種模型推測(cè)過(guò)去的情況，卻從來(lái)沒(méi)有直接證據(jù)能讓我們對(duì)比兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的真實(shí)區(qū)別。”
這一突破得益于博物館組學(xué)的興起，這個(gè)以自然歷史標(biāo)本為基礎(chǔ)、融合基因組技術(shù)的現(xiàn)代生物研究領(lǐng)域快速發(fā)展不足10年，卻已展現(xiàn)出巨大潛力。可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著研究技術(shù)的發(fā)展，博物館標(biāo)本的科學(xué)價(jià)值正在迅速升值。“在未來(lái)生物學(xué)各學(xué)科的發(fā)展中，標(biāo)本有望占據(jù)非常核心的地位。”周欣說(shuō)。
然而，這支科研“績(jī)優(yōu)股”正面臨著青黃不接的困境。
“現(xiàn)在大家對(duì)博物館學(xué)和經(jīng)典的樣本采集，普遍不太重視。一來(lái)它不是新學(xué)科、熱點(diǎn)學(xué)科，二來(lái)大家覺(jué)得它沒(méi)有什么新技術(shù)、高精尖的東西，沒(méi)必要花很多錢(qián)長(zhǎng)期去做。”周欣直言，他希望，這次研究能成為博物館組學(xué)的“強(qiáng)心劑”，讓更多人重新認(rèn)識(shí)到標(biāo)本的價(jià)值。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf438
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