社会性白蚁繁殖与寿命的权衡机制研究

Life history theory indicates that animals can make trade-offs between survival and reproduction, in order to adapt to the environmental changing and maximize individual fitness. Generally, fecundity and longevity are antagonistic, and excessive reproduction will inevitably lead to a reduction in longevity. But there is anomaly in social insects: queens have a long-term fecundity, meanwhile 10 times longer lifespan than non-reproductive workers. Some researchers have attributed the longevity of queens to lower predation risk and less nest workload. This is obviously just a superficial phenomenon, and it does not disclose the internal mechanism that how the queens maintain their longevity during the lifetime reproduction. In the perspective of oxidative stress, our study will compare the content of antioxidant enzymes, ions and small molecules in tissues of Reticulitermes chinensis king/queens, workers and supplementary reproductives (ergatoids), combined with transcriptome sequencing and mRNA expression by qPCR, to uncover the anti-aging mechanism in termites, and the potential impetus of workers to become ergatoids. The study will also provide gist for the occurrence, development and biological control of termite populations in the wild.

生活史理论指出生物体能在生存和繁殖之间做出权衡，以适应自身和周围环境的变化，最大化适合度。通常情况下，生物体的繁殖与寿命相互制约，过度繁殖必然导致寿命的缩减。但在社会性昆虫当中却出现反常：蚁（蜂）后长期处于生殖活跃状态，寿命却是其他非繁殖品级的10倍以上。一些学者将蚁（蜂）后长寿的因素归因于较低的天敌捕食压力及没有繁重的巢群维护工作，但这显然都只是表面现象，并未从内部机理上解释清楚蚁（蜂）后在长期繁殖过程中如何保持自身寿命不缩减的。本研究从氧化应激理论入手，通过比较黑胸散白蚁建群成虫、健康工蚁及不同阶段工蚁型补充生殖蚁组织内抗氧化酶类、离子与小分子物质含量，并结合转录组测序结果，采用RT-PCR法验证与免疫、抗氧化及寿命调节相关通路基因的表达，揭示白蚁抗衰老机制，探讨繁殖与寿命关系之谜，及工蚁“投机”竞争转化为补充生殖蚁的潜在动力，为掌握白蚁群体发生发展规律及其生物防治和应用开发提供依据。

生活史理论表明生物体会在生殖与寿命间进行权衡，以获得最大的适合度。但是在社会性昆虫白蚁中，生殖品级与非生殖品级有着相同的遗传信息，但其寿命能够达到非生殖品级的10倍以上，且高度可育，这意味着白蚁的生殖品级有着特殊的抗衰老机制。本文以黑胸散白蚁为对象，对工蚁和补充生殖蚁进行转录组测序发现，补充生殖蚁在硫代谢（抗氧化）、RNA 转运、核苷酸切除修复、细胞自噬调控、泛素化、有性生殖信号通路、雌激素信号通路、耐低氧调控、细胞增长与增殖等通路均出现显著上调，且补充生殖蚁体内的CAT、SOD、ACP、AKP和CarE酶活性显著高于工蚁，CAT和ACP酶活性显著高于原始生殖蚁。巢内不同品级白蚁的qPCR结果表明生殖品级的抗氧化基因、解毒基因、DNA修复基因、免疫基因的表达水平均显著高于非生殖品级，而生殖品级中补充生殖蚁的这些基因表达水平随着体重的增加而上升，与补充生殖蚁的体重呈现线性相关关系。此外，同一体重的蚁后，产卵量多的个体的相关基因表达量显著高于产卵量少的个体。对于交配过的和未交配的雄性补充生殖蚁：交配后，雄性补充生殖蚁的抗氧化基因、解毒基因、DNA修复基因、免疫基因的表达水平显著上调。对工蚁和补充生殖蚁同时感染病原体，发现感染蚁后显著性地降低梳理，运动速度和运动距离，而显著提高免疫基因(termicin and transferrin)、抗氧化基因(CAT and SOD)和解毒酶基因(termicin and transferrin)的表达。以上结果表明雌性补充生殖蚁体内抗氧化和解毒酶活性、抗氧化基因、解毒基因、DNA修复基因以及免疫基因的表达量显著高于工蚁与兵蚁。补充生殖蚁的基因表达量与补充生殖蚁体重线性相关，其体重与产卵量也呈线性相关。交配后的雄性补充生殖蚁的基因表达量显著上升，因此本研究认为黑胸散白蚁的交配与产卵可能是生殖品级的长寿的重要机制。