两种真社会性昆虫（黑毛蚁和意大利蜜蜂）交配后受精囊液蛋白质表达模式的比较蛋白质组学研究

《Scientific Reports》：Mating-induced patterns of spermathecal fluid protein expression in two eusocial insect species, Lasius niger and Apis mellifera

本研究针对真社会性昆虫蜂后和蚁后长期储存精子的分子机制，通过比较蛋白质组学分析黑毛蚁（Lasius niger）和意大利蜜蜂（Apis mellifera）交配前后受精囊液蛋白质表达变化。研究发现两种物种在抗氧化酶（如SOD、过氧化氢酶）和糖代谢酶（如烯醇酶）表达上存在相似性，但在Cu/Zn-SOD、铁蛋白等关键蛋白表达模式上存在显著差异。研究揭示了不同寿命物种的精子储存策略差异，为理解长期精子保存的进化适应提供了新见解。

　　

在昆虫世界中，真社会性昆虫的蜂后和蚁后展现出了令人惊叹的生殖特性——它们仅需在生命早期进行一次交配，就能在之后的数年至数十年间持续产下受精卵。这种非凡的能力依赖于一个高度特化的精子储存器官——受精囊，其中充满了富含蛋白质的受精囊液，为精子提供长期存活的微环境。

然而，不同物种的精子储存需求存在显著差异。比如，意大利蜜蜂（Apis mellifera）蜂后寿命通常为2-3年，而黑毛蚁（Lasius niger）蚁后却能存活超过20年，这种寿命差异使得它们对精子储存的效率和持久性提出了不同的要求。尽管精子储存是真社会性膜翅目昆虫的共同特征，但不同物种可能进化出了不同的策略来应对这一挑战。

目前的研究存在一个重要局限：许多先前的研究在分析受精囊液时未能有效去除精子细胞，这可能导致对蛋白质来源的误判。此外，对于不同寿命物种在交配诱导的受精囊液蛋白质表达变化方面的比较研究仍然缺乏。这些知识空白限制了我们理解长期精子储存的分子进化机制。

为了解决这些问题，由Alison McAfee领衔的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果，通过对黑毛蚁和意大利蜜蜂交配前后受精囊液进行深入的比较蛋白质组学分析，揭示了两种物种在精子储存策略上的异同。

关键技术方法

研究团队收集了黑毛蚁（20只处女、20只新交配和70只已建立巢穴后蚁）和意大利蜜蜂（7只处女和10只已交配蜂后）的受精囊样本。通过精细解剖和离心步骤去除精子细胞后，使用丙酮沉淀法提取蛋白质。酶切后的肽段通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行分析，黑毛蚁样本使用timsTOF SCP系统，意大利蜜蜂样本使用timsTOF Pro2系统。采用数据非依赖采集（DIA）模式获取质谱数据，使用DIA-NN软件进行数据库搜索，并通过limma包进行差异表达分析。

研究结果

蛋白质组概览和功能富集分析

在黑毛蚁中，研究人员共鉴定到2,516种独特蛋白质，其中720种在至少一组对比中表现出差异表达。值得注意的是，尽管采取了离心步骤去除精子细胞，但在已交配蚁后样本中仍然检测到大量推测的精子来源蛋白质（如鞭毛结构蛋白），且这些蛋白质在已建立巢穴的蚁后中含量更高。

功能富集分析显示，在黑毛蚁处女到新交配蚁后的转变过程中，跨膜转运蛋白活性和蛋白质分解过程相关术语显著富集。相比之下，意大利蜜蜂中鉴定到的蛋白质数量更多（4,223种），其中2,796种差异表达。上调蛋白质中与碳水化合物代谢、核苷酸代谢和跨膜转运活性相关的GO术语显著富集，而下调蛋白质中与翻译、囊泡包被蛋白和蛋白质折叠相关的术语富集。

关键差异表达蛋白质

在黑毛蚁中，表达差异最显著的蛋白质包括丙酮酸脱氢酶、囊泡谷氨酸转运体、外层致密纤维蛋白（推测的精子蛋白）、烯醇酶和受体表达增强蛋白，这些蛋白质在交配后均上调。意大利蜜蜂中差异最显著的蛋白质包括细胞色素c（睾丸特异性）、去整合素和金属蛋白酶12、烯醇酶、restin同源物和一个未表征蛋白。

抗氧化酶表达模式

研究发现了物种间抗氧化酶表达的重要差异。两种物种中，过氧化氢酶、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和硫氧还蛋白依赖性过氧化物酶（Trx）等大多数主要抗氧化酶在交配后均上调，但SOD金属酶的表达模式存在显著物种差异。

在黑毛蚁中，锰结合SOD（Mn-SOD）在巢穴建立后上调，而铜锌结合SOD（Cu/Zn-SOD）则下调。相反，在意大利蜜蜂中，Mn-SOD和Cu/Zn-SOD在交配后均上调。这种差异表明两种物种可能采用了不同的抗氧化策略。

免疫相关蛋白质表达

研究发现，两种物种在经典免疫效应物表达上具有相似性：酚氧化酶（PO）在交配后无显著变化，而溶菌酶（Lys）均显著增加。然而，铁蛋白（ferritin）——一种兼具抗氧化和免疫功能的蛋白质——表现出相反的物种表达模式：黑毛蚁中所有四种铁蛋白亚型在交配后均增加，而意大利蜜蜂中所有亚型均减少。

关键代谢酶和特殊蛋白家族

甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）是厌氧糖酵解中的关键酶，在意大利蜜蜂中交配后显著上调，这与先前研究一致。但在黑毛蚁中，两种GAPDH同工酶（GAPDH和GAPDH-like）表现出相反的调控模式，使得该酶在黑毛蚁中的功能重要性尚不明确。

气味结合蛋白（OBPs）和六聚体蛋白（hexamerins）也表现出有趣的物种差异。意大利蜜蜂中8种OBPs被鉴定，其中5种交配后显著上调，2种下调；而黑毛蚁中仅鉴定到1种OBP且无显著变化。六聚体蛋白的表达模式更为显著：意大利蜜蜂中所有四种六聚体蛋白交配后强烈下调，而黑毛蚁中两种六聚体蛋白之一在巢穴建立后轻微上调。

研究结论与意义

这项研究通过对黑毛蚁和意大利蜜蜂交配前后受精囊液蛋白质组的系统比较，揭示了真社会性昆虫长期精子储存的分子机制及其物种特异性适应。最重要的发现包括初步证据支持黑毛蚁可能通过蛋白降解机制（如泛素-蛋白酶体系统）分解和回收死亡精子的组分，这与意大利蜜蜂中死亡精子逐渐累积的模式形成鲜明对比。

在抗氧化防御策略方面，研究发现意大利蜜蜂蜂后在交配后广泛上调经典抗氧化酶表达，而黑毛蚁蚁后的投资更为有限，特别是Cu/Zn-SOD在巢穴建立后反而下调。这种差异可能通过铁蛋白的上调得到部分补偿，铁蛋白作为一种多功能蛋白，既能发挥抗氧化作用，又参与免疫反应。

研究还证实了GAPDH在意大利蜜蜂精子储存中的关键作用，但在黑毛蚁中两种GAPDH同工酶的相反表达模式提示需要进一步功能研究。OBPs和六聚体蛋白的复杂表达模式表明这些蛋白在受精囊中可能具有超出其经典功能的新角色，可能是作为激素或其他疏水性信号分子的载体。

这些发现不仅增进了我们对真社会性昆虫生殖生物学的理解，也为不同寿命物种在生殖策略上的进化适应提供了重要见解。未来的研究应纳入更多物种（如寿命较短的熊蜂属）和更年长的个体，以更全面揭示精子储存机制与物种寿命之间的关系。此外，通过绝对定量和酶活性分析将有助于直接比较物种间的抗氧化能力，为理解长期精子保存的进化机制提供更清晰的证据。

这项研究为探索昆虫生殖生物学和物种适应性进化提供了丰富的蛋白质组学资源，也为理解长期细胞保存机制提供了有价值的模型系统。