一个蜜蜂群落如何导致物种入侵

从进化的角度来看，每个入侵物种都是非同寻常的。将一个生物从其经过专门进化以在数百万年内生存的原生栖息地中带出来，将其放在新的地方，碰巧它就繁衍生息。更神奇的是：入侵物种通常最初数量很少，携带的遗传多样性远低于它们在本土范围内的遗传多样性。遗传多样性的下降被称为“遗传瓶颈”，意味着在面对挑战时适应性和灵活性的潜力会降低。

这就是入侵的遗传悖论；远离家园的小群体、遗传同质的生物仍然可能成为无处不在的害虫。例如，著名的海蟾蜍案例，它被带到澳大利亚，试图控制啃食甘蔗作物的昆虫，但很快它们就变成了一种不断扩大的威胁。

显然，许多入侵物种尽管面临进化障碍，却仍能茁壮成长，而海蟾蜍并不是唯一破坏南半球生态系统的入侵者。一项关于这种会蜇人、会嗡嗡叫的环境威胁的新研究为我们提供了有关其如何以及为什么会这样发展的见解。

令人惊讶的选择

在 2 月 29 日发表在《当代生物学》杂志上的一项研究中，科学家记录了亚洲蜜蜂（ Apis cerana ）在澳大利亚的传播，并分析了入侵种群的基因旅程。他们发现，目前遍布澳大利亚东北部的数万个蜂巢可能源自一个蜂群（一只繁殖蜂王和她的工蜂），该蜂群于 2007 年左右被引入昆士兰港口。研究表明，尽管最初存在极端的基因瓶颈，但仅仅 10 年间，这些昆虫就开始通过自然选择重新多样化并适应它们的陌生栖息地。一只蜂王所拥有的基因多样性足以启动一个整个可存活的种群。“我们的数据支持基因瓶颈可能对适应潜力影响不大的观点”，研究作者写道。

“我们没想到会发现选择，”首席研究员、多伦多约克大学生物学家凯瑟琳·多甘齐斯 (Kathleen Dogantzis) 说道。通常，自然选择模式需要很长时间才能出现。“人们的假设是，种群需要更长的时间来适应新环境。但我们能够证明，在很短的时间内——在这 10 年内——基因组的某些区域正在做出贡献，”促进蜜蜂种群的增长，她解释道。

约克大学生物学教授、本文共同资深作者阿姆罗·扎耶德 (Amro Zayed) 说：“尽管遗传多样性非常小，这些昆虫还是设法利用它们所带来的东西作为适应的基础。”

这项研究“是一个奇妙的故事，而且非常有见地”，伊利诺伊大学昆虫学教授安德鲁·苏亚雷斯 (Andrew Suarez) 说，他研究生物入侵，但没有参与这项新工作。Dogantzis、Amro 和他们的同事不仅能够找出入侵蜜蜂令人惊讶的可能起源，而且还将注意力集中在这些昆虫在澳大利亚正在经历哪些具体的基因变化上。根据这项研究，自然选择似乎对与社会结构、繁殖和觅食相关的蜜蜂基因起作用。这些发现说明了实时进化，展示了蜜蜂在其收养范围内受到何种压力以及它们如何应对。“我很高兴看到这一点，”苏亚雷斯补充道。

入侵物种的起源

亚洲蜜蜂原产于亚洲大片地区，从阿富汗到日本。在它们的栖息地，它们是重要的传粉媒介，也是生态网络的重要组成部分。但在澳大利亚，蜜蜂并非本土物种，它们可能会与当地的昆虫、鸟类和哺乳动物争夺花卉资源，并在树洞中筑巢，而这些树洞原本可以为当地物种提供重要的栖息地。亚洲蜜蜂还威胁到人类管理的欧洲蜜蜂蜂巢，这些蜂巢用于提高农业产量。

距离澳大利亚最近的本土种群在印度尼西亚，但人们在 20 世纪 70 年代将这些昆虫带到了新几内亚，用于蜂蜜和农业目的。根据这项新研究，这就是到达昆士兰海岸的蜂群的来源。研究人员比较了印度尼西亚本土种群、引入的新几内亚蜂群和入侵的澳大利亚蜂巢的基因组序列，发现澳大利亚和新几内亚蜜蜂大多关系密切。

蜜蜂盛宴

从那时起，Amro、Dogantzis 和他们的合作研究人员研究了从 2008 年到 2018 年澳大利亚蜜蜂的数量激增至估计的 10,000-50,000 个蜂群，在此期间，澳大利亚蜜蜂的整个基因组每年是如何变化的。通过多步分析，他们确定了 481 个微小的基因变异（称为单核苷酸多态性或 SNP），这些变异可能对蜜蜂的生存产生巨大影响，并且似乎正在经历正向选择。换句话说，这 481 个基因变异以非随机模式在种群中传播，表明它们对蜜蜂有益。其中 471 个变异可以追溯到印度尼西亚或新几内亚蜜蜂种群——表明几乎所有这些适应性都是由澳大利亚的第一个蜂群携带的，而只有少数可能是新突变的产物。

以研究充分的欧洲蜜蜂基因组为参考，科学家们能够预测这些 SNP 的作用。他们发现，其中一些基因与繁殖、蜜蜂等级发展和觅食行为有关——所有这些特征都可能对生存和适应新环境至关重要。“一个物种可以非常迅速地适应，即使大多数遗传多样性都已丧失，”悉尼大学进化生物学家、联合资深研究作者罗斯·格洛格 (Ros Gloag) 说。“这是因为自然选择会找到可以利用的东西，即使多样性很低，”她补充道。

限制和可能性

仅凭这些发现，其推广范围存在一些限制。首先，“我们只能观察到成功的入侵”，扎耶德说，这意味着数据存在固有偏差。没有人知道在成功入侵的那个蜂群之前，有多少亚洲蜜蜂群落抵达了澳大利亚。因此，尽管一个蜂群有可能繁殖和多样化，但在保护工作中肯定不应该期望如此，他补充道。此外，蜜蜂和其他社会性昆虫在寻找新栖息地方面具有某些优势。蜂后可以与多只雄蜂交配并储存精子，不断产下反映多个父系多样性的卵。蜜蜂和蚂蚁繁殖迅速，一只蜂后一天可以产下多达数千颗卵。而群体结构意味着收集资源和抵御危险变得更加容易。

然后，密歇根大学进化生物学助理教授娜塔莉·霍夫迈斯特 (Natalie Hofmeister) 表示，研究人员的基因分析存在固有的局限性，她没有参与这项新研究。她解释说，这种方法可以检测模式并提出可能的相关性，但不能证明基因变化的原因。霍夫迈斯特进一步指出，研究人员使用的方法并不是为捕捉快速进化变化而开发的，而且 481 个 SNP 可能 (尽管可能性不大) 不是选择的结果。

尽管如此，“这是一项出色的研究，”她说，它为越来越多的关于生物外来物种进化的研究增添了新的内容，并提出了许多值得检验的未来假设。为了更好地防止未来物种入侵，并了解是什么让某些动物比其他动物更成功，我们需要在各个物种中开展更多这样的研究，霍夫迈斯特说。

苏亚雷斯对此表示同意。他说，在多个时间点观察整个基因组的策略“确实令人兴奋”。尽管物种入侵会带来许多环境负面影响，但其一线希望是，它们为研究进化提供了独特的机会。在他看来，这项研究不仅揭示了某种昆虫入侵是如何展开的，还增进了我们对生物学可能性以及如何评估未来物种引入风险的更广泛理解——仅仅一个种群就能刺激整个种群的出现。苏亚雷斯说，这些知识可能会帮助那些试图控制有害动物传播的人，以及那些试图拯救种群减少的濒危动物的环保主义者。“从这种方法中，我们可以从生物学中学到很多东西，”他说。