单细胞空间技术探秘动物世界连载[4]：解析蜂群的群体攻击

许多动物都会表现出群体行为。看着鱼儿在成群游动，鸟儿在成群飞翔，非常有趣。
蜂群在许多方面也表现出群体行为，包括某些蜜蜂会保卫蜂巢。

众所周知，蜜蜂根据其年龄而扮演不同的角色——年长的蜜蜂要么寻找食物，要么保卫蜂巢，但人们到现在仍不知道在分子水平上是什么推动了这种特殊的分工。最近，研究人员利用单细胞技术来探索群体行为如何在遗传水平上影响蜜蜂个体。

是否能成为最凶狠的蜜蜂，不是看体型，而是看年龄。年幼的蜜蜂负责照顾蜂巢，而年长的蜜蜂则出去觅食（又称为觅食蜂）或保卫蜂群（又称为守卫蜂）。守卫蜂是蜂巢中最先对攻击做出反应的蜜蜂，它们会变得有攻击性并蜇伤入侵者。某些蜂巢的攻击性更高，这让科学家们感到好奇：是什么在个体水平上驱动了这种群体行为？

之前一项有关波多黎各蜜蜂亚种的全基因组关联研究（GWAS）显示，蜂群攻击性的不同与数百个基因有关，这些基因被称为“蜂群攻击性基因”(1)。近年来，波多黎各蜜蜂进化得攻击性降低。在最近一项研究中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Ian Traniello博士领导的团队将这一GWAS数据与单细胞基因表达和基因调控网络分析相结合，探索了攻击性水平不同的觅食蜂和守卫蜂的大脑差异(2)。他们发现，重要的是基因调控，而不是基因表达，且根据蜜蜂个体变得更具（或不具）攻击性的易感性，蜂群在面对不同环境诱因时也会变得更具（或不具）攻击性。

基因表达不是蜂群攻击性差异的标志物

为了检验他们最初的基因表达差异会导致蜂群攻击性差异的假设，Traniello博士首先对波多黎各九个“温顺的”非洲蜂蜂群中的守卫蜂和觅食蜂开展分析，比较了整个大脑的转录组图谱。尽管这两类蜜蜂之间存在约4,000个差异表达基因（DEG），但他们发现这些DEG与蜂群攻击性基因并没有明显重叠。

他们接下来采用10x Genomics的单细胞基因表达技术开展了相同的实验，但这次由于物流问题，他们使用了四个不同欧洲蜂蜂群（攻击性程度不同）的守卫蜂和觅食蜂的脑细胞（他们注意到，温顺的非洲蜂在遗传上与欧洲蜂相似[1,3]）。同样地，他们发现了一些DEG，但没有发现大量DEG与蜂群攻击性基因重叠，这表明个体水平上的基因表达差异无法解释在群体水平上可预测攻击性增加的遗传变异。

群体攻击性的遗传差异与个体基因表达调控之间的关联缺失了

作者认为，如果基因表达的差异不明显，那么基因表达调控的差异或许能提供一些线索。最近的一些研究指出，基因调控网络会影响行为(4,5)。然而，在单细胞水平上研究大脑中互作的转录因子（TF）与其目标基因（TG）之间的推断关系，并将其与群体行为特征相关联，这样的工作尚未开展。

有了单细胞转录组数据，他们能利用SimiC算法对单细胞基因调控网络进行建模，不仅守卫蜂和觅食蜂之间的调控网络存在差异，而且更具攻击性群落中守卫蜂与觅食蜂的差异更大。这种差异主要体现在与蜜蜂攻击性和行为可塑性相关的两种细胞类型上，它们分别是蘑菇体Kenyon细胞和类星形胶质细胞。

为了进一步了解调控网络中的个体变化，他们又回到了蜂群攻击性基因的GWAS分析，鉴定出他们称之为eGenes的基因——这些基因在守卫蜂和觅食蜂中具有单核苷酸多态性，而且也存在于蜂群攻击性基因中。他们能够描绘出一个由15种TF-TG关系组成的子网络，这个子网络在守卫蜂和觅食蜂之间存在明显差异。他们鉴定出的一个重要目标基因是线粒体色氨酰-tRNA合成酶（TrpRS-m），该基因与色氨酸的可用性与再摄取相关(6)。色氨酸可以转化为血清素，有助于调节蜜蜂的攻击性(7)。由于觅食蜂和守卫蜂之间TrpRS-m的TF-TG关系的最大差异在于影响视觉的细胞类型，这些结果表明蜜蜂攻击性作为一种遗传性状，部分取决于影响视觉（或嗅觉）的可变环境因素，进而引发攻击性。

单细胞以及分析群体行为变化的未来

血清素代谢只是反映群体遗传学如何影响个体行为的一个例子。深入了解群体行为如何受到环境因素的影响，对于蜜蜂这个重要物种来说尤为关键，这将对了解群体特征如何使蜂群适应不断变化的环境大有帮助。

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本文基于如下10x博客生成：

https://www.10xgenomics.com/cn/blog/mapping-collective-aggression-in-honeybee-colonies-with-single-cell-tools

参考资源：

1. Avalos A, et al. Genomic regions influencing aggressive behavior in honey bees are defined by colony allele frequencies. Proc Natl Acad Sci USA 117: 17135–17141 (2020).

2. Traniello IM, et al. Single-cell dissection of aggression in honeybee colonies. Nat Ecol Evol 7: 1232–1244 (2023).

3. Avalos A, et al. A soft selective sweep during rapid evolution of gentle behaviour in an Africanized honeybee. Nat Commun 8: 1550 (2017).

4. Fagny M & Austerlitz F. Polygenic adaptation: integrating population genetics and gene regulatory networks. Trends Genet 37: 631–638 (2021).

5. Boyle EA, Li YI, Pritchard JK. An expanded view of complex traits: from polygenic to omnigenic. Cell 169: 1177–1186 (2017).

6. Boccuto L, et al. Decreased tryptophan metabolism in patients with autism spectrum disorders. Mol Autism 4: 16 (2013).

7. Hunt GJ. Flight and fight: a comparative view of the neurophysiology and genetics of honey bee defensive behavior. J Insect Physiol 53: 399–410 (2007).