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研究表明,蚂蚁基因组的侵蚀与功能、行为和社会特征的丧失有关

时间:2021-07-22 16:18

How to become 'ant-i-social'

蚂蚁在昆虫界以其复杂的社会结构和行为而闻名。工蚁和觅食蚁支持蚁后,忠实地履行它们的社会角色,为整个群体的健康着想。这种复杂的“超级有机体”——正如科学家们所称——已经成为探索社会有机体的遗传和行为根源的主要模型。

值得注意的是,蚂蚁也有一些罕见的例子不能很好地与其他蚂蚁相处,并且不履行它们的社会责任,在它们自由生活的亲戚中成为吃白食的寄生虫。

现在,在一项新的研究发表在《自然通讯、国际合作的研究人员来自欧洲(明斯特大学和哥本哈根),南美洲(乌拉圭蒙得维的亚大学共和国),和美国,(由亚利桑那州立大学),联手发现和收集这些罕见的蚂蚁社会寄生虫。他们一起获得并分析了三种罕见的“社会寄生虫”切叶蚁(称为Acromyrmex inquilines)的完整DNA基因组序列,以更好地了解它们与各自宿主物种之间的差异。

这是首次对几种群居寄生蚂蚁的基因组进行测序。

该研究的通讯作者、亚利桑那州立大学生命科学学院副教授克里斯蒂安·拉伯林说:“我们的发现进一步加深了我们对向一个新颖的、高度专业化的生活史过渡的基因组后果的理解,并为蚂蚁的社会寄生的分子进化提供了详细的见解。”

从社会到社会的寄生虫

了解这种不同寻常的社会寄生虫的转变很重要,因为蚂蚁的基因组已经进化了一亿多年。出现了一个主要的转变,引入了新的“超级有机体”层次的社会组织结构,具有女王工作者种姓隔离和无条件的利他主义。这个超级有机体非常成功,它产生了17个亚科,338个属和超过13900个现存物种。

拉伯林说:“因此,这种高度专业化的社会寄生行为和生活方式(通常以远系繁殖和更大的有效种群为基础)的转变会留下显著的基因组足迹,这并不奇怪。”“我们对其中三个物种的分析结果证实,蚂蚁社会性寄生虫为识别合作社会性群体生活的特征提供了重要的研究系统。

通过这样做,他们的分析已经证实,在大约150万年的时间跨度中,这些蚂蚁物种各自找到了独立的、独立的方式进化成为社会寄生虫。研究发现,在群居寄生蚂蚁中,全基因组和特定性状的遗传侵蚀特征最为极端。

想想它将如何开始。一群蚁后只想生活在一个蚁群中,而不做任何工作。不再为巢工作了。接下来,蚁后只专注于生产新的蚁后和雄性,而这一小群群居寄生虫将开始频繁近亲繁殖以生存。随着时间的推移,这立即减少了它们的基因组多样性。然后,在进化过程的一瞬之间,由于自然选择和遗传漂变流行率的增加,它会提高祖先性状丢失的比率,同时也会减缓新的、更具适应性的性状出现的比率。

这就像是在寄生蚂蚁的DNA中发生的一种“睡了再睡”的现象,从而触发了基因组的侵蚀。

为了在蚂蚁基因组中证明这种效应,研究小组调查了整个基因组结构和可能受这种基因组衰退影响的单个基因。首先,他们发现了基因组重排和倒置的广泛证据,这是不稳定和衰退的标志。然后,在基因网络中,他们鉴定了233个基因,这些基因在至少一个社会寄生虫分支中显示出放松选择的迹象,在102个基因中显示出强化选择的迹象。拉伯林说:“我们的分析显示,在4个社会寄生虫节点中的3个,基因家族的进化实际上很大程度上是以基因丢失为特征的。”

受影响最大的基因组损失和减少是群居寄生蚂蚁的嗅觉和味觉。

How to become 'ant-i-social'肢端myrmex宿主和蟋蟀寄生种的差异估计。ime校准的真菌生长蚂蚁的系统发育,它们的基因组已经被测序,包括三种群居寄生物种和它们的两个宿主物种。社会寄生的两个起源Acromyrmex(橙色圆点和框)发生0.96马前,a insinuator(1)和2.50马前的祖先a heyeri分化的干细胞群的代表Pseudoatta阿根廷(2)和a . charruanus(3)。亚利桑那州立大学

吸气测试失败

随着时间的推移,不仅负责蚂蚁气味的一些基因消失了,结果是,当进行微ct扫描时,蚂蚁的大脑嗅叶变小了。

拉伯林解释说:“这并不奇怪,因为蚂蚁主要通过化学信号进行交流,蚂蚁曾被描述为化学工厂。”“因此,嗅觉基因的丧失与广泛的形态和行为变化的极端转变有关。”

这包括工人阶级制度的减少或完全丧失,口器、触角和被简化,某些激素腺的丧失,以及复杂程度降低的神经系统,这可能与急剧缩小的行为系统有关。

从他们的比较分析中,他们还可以把这些变化放到进化时间的更大的角度。他们还能确定切叶蚁家族中社会性寄生的起源。

两种独立的社会寄生起源发生在蚁属Acromyrmex。在这个属内,a . heyeri,一种群居蚂蚁,是a . charruanus和P.阿根廷寄生种的宿主种。

首先,一种南美洲群居蚂蚁(a . heyeri)在charruanus和P. argentina这两种群居寄生虫分化之前从它们的最后一个共同祖先(被认为是群居寄生的)分离出来。第二,当隐虫从宿主棘虫分化时,发生了中美洲物种形成事件。

社会寄生的两种起源都是最近才进化出来的,据估计,大约250万年前,A. heyeri与charruanus和P. argentina的最后共同祖先发生了分化,大约100万年前,A. insinuator与A. echinatior发生了分化。

拉伯林说:“我们推断,放松的自然选择加速了群居寄生虫基因组的普遍侵蚀,减轻了进化限制,从而促进了与群居寄生生活方式相关的特定特征的快速适应性进化。”

发现的乐趣

为什么基因组分析要花这么长时间?结果表明,研究中最简单的部分可能是比较基因组分析。首先找到蚂蚁被证明是最大的障碍。为什么?

蚂蚁群居寄生虫的种群几乎无一例外地小而分散。不完整的如何?

阿根廷P.阿根廷P.阿根廷P.阿根廷P.阿根廷P.阿根廷P.阿根廷P.阿根廷P.阿根廷P.阿根廷P.阿根廷p。

How to become 'ant-i-social'微CT扫描显示嗅叶的相对大小。系统图是一个祖先状态记录 结果表明,在群落寄生虫(A. insinuator, A. charruanus和P. argentina)和宿主(A. echinatior和A. heyeri)中,OL体积相对于总脑体积的比值为0。Barplots显示了OL容积与脑总容积的比值,在inquiline parasite中(橙色)相对于宿主(蓝色)。在杆的尖端插入的圆是成比例的 Nal对测量的总脑容量的影响较大,而co 标记的圆表示左右OLs的测量体积。平均而言,巴拿马物种比乌拉圭物种有更大的大脑(2-样本t检验,pt检验= 0.005,df = 2.97, t = ?7.74, n = 5),相对OL体积减小(pt检验= 0.059,df =2, t = ?2.65, t = ?随着喹啉适应的梯度,社会寄生虫进化出了不同程度的特化,称为喹啉综合征27。下图是三维表面复原 A. heyeri, A. charruanus和P. argentina的头部(从上到下)的指令。资料来源:亚利桑那州立大学

雷布林记得以前去南美的旅行都是徒劳的,因为他们找不到P.阿根廷。然后,大约10年前,来自同事马丁·博拉齐(Martin Bollazzi)的一个电话改变了他的生活。

“马丁·博拉齐说他的妻子莱蒂西亚刚刚重新发现了阿根廷!!”

拉伯林以最快的速度跳上了飞机。当他近距离看到P.阿根廷时,那是他永远不会忘记的发现时刻。

莱蒂西亚对阿根廷P.的重新发现是一生中最伟大的发现。我特别喜欢的是将蚂蚁野外工作和自然历史观察与全基因组测序等新技术联系起来,有机会这样做是如此的快乐。”

现在,他们可以通过收集P. argentina来实现他们的研究梦想,并通过对社会寄生蚂蚁进行第一个现代全基因组测序来验证他们基于野外工作的假设。

下一个步骤

他们的研究结果不仅对了解蚂蚁很重要,而且对其他寄生虫基因组“功能缺失”研究系统的作用提供了深刻的见解,并在表型和基因组水平上识别合作社会群体生活的特征。

“社会性寄生虫的到来是为了利用它们宿主的觅食努力、护理行为和群体基础设施,”拉伯林说。

拉贝林还指出,其他物种,如墨西哥洞穴盲鱼或绦虫等其他寄生虫,都是随着时间的推移而失去重要特征的生物。在每一个案例中,它们都开发和利用了新的生态位。为了他们的物种生存。

从这三种群居寄生蚂蚁中,他们学到了很多。接下来,他们计划对这些蚂蚁社会性寄生虫进行基因组学研究,以获得令人兴奋的更深入的见解,特别是利用长读测序技术,可以进行更详细的分析。

但是,拉贝林和他的同事们现在又卷入了一场与时间的赛跑——因为每年都有越来越多的天然蚂蚁栖息地因森林砍伐和开发而消失。现在,我们对蚂蚁进化的理解依赖于人们的合作来拯救生物多样性——尽管我们仍然可以。

“我们希望这样的未来研究能扩大我们对蚂蚁社会行为进化特征的认识,很少有其他模型系统能提供这样的物种水平的几十个样本规模。”