Существование муравьиных колоний было загадкой даже для известного натуралиста Чарльза Дарвина. Как могла эволюция создать рабочих особей, которые не могут размножаться? Дарвин предположил, что рабочие особи увеличивают репродуктивный успех своей матки, тем самым объясняя так называемое репродуктивное разделение труда: самцы обеспечивают сперму, которую матки хранят и используют для оплодотворения яиц в течение всей жизни. Рабочие особи ищут пищу, ухаживают за потомством и защищают гнездо, но не размножаются.
С 1960-х годов известно, что Дарвин был прав: братья и сёстры могут передавать копии генов будущим поколениям так же эффективно, как и их собственное потомство. Однако ранее было неясно, как произошла полная перестройка генома муравьёв, чтобы одновременно содержать генетические схемы для репродуктивных особей и стерильных рабочих. Новое международное исследование даёт ряд ответов на этот фундаментальный вопрос.
Структура генома муравьёв
Большая часть структуры генома муравьёв может быть объяснена только в связи с появлением и последующими изменениями в кастах матки и рабочих особей, которые совместно реализуют «суперорганизменную» форму колониальной организации. После того как муравьи появились более 150 миллионов лет назад, естественный отбор продолжал диверсифицировать их геномы. Это привело к ряду эволюционных инноваций, таких как значительное увеличение размера колоний и усиление различий между матками и рабочими.
На генетическом уровне это означает, что после того, как первоначальный геном муравьёв стабилизировался эволюционно в раннем меловом периоде, гены муравьёв были рекомбинированы в необычайно высокой степени. Эта перестройка была особенно обширной в наиболее богатых видами подсемействах муравьёв сегодня.
В то же время небольшие группы сцепленных генов оставались исключёнными из таких перестроек в течение более чем 100 миллионов лет, особенно те, которые опосредуют репродуктивное разделение труда между матками и рабочими. Это иллюстрирует, насколько фундаментальной и важной была и остаётся хорошо функционирующая кастовая дифференциация у муравьёв, заключает команда.
Результаты исследования
Результаты этого междисциплинарного исследования, которые были опубликованы в журнале Cell, основаны на почти 10-летней совместной работе более чем 50 международных учёных из более чем 25 стран. Исследователи из Германии (д-р Лукас Шрадер/Университет Мюнстера), Дании (проф. д-р Якобус Бумсма/Копенгагенский университет) и Китая (проф. д-р Гоцзе Чжан/Университет Чжэцзян, Ханчжоу, Китай) координировали исследование.
Команда («Глобальный альянс геномики муравьёв») секвенировала и сравнила геномы более чем 140 видов муравьёв, охватив большую часть биологического разнообразия этих насекомых. Исследование охватило муравьёв с регулярными колониями, таких как армейские муравьи с миллионами рабочих особей в колонии, и виды, у которых матки в сто раз крупнее самых маленьких рабочих, а также виды без маток, у которых рабочие особи клонируют себя, и социальных паразитов, которым вообще не нужны рабочие особи.
«Публикация является вехой в нашем понимании молекулярных и генетических основ муравьёв и, вероятно, других социальных насекомых, таких как пчёлы», — подчёркивает Шрадер.
Исследователи использовали многочисленные биологические методы, такие как секвенирование генома, анализ экспрессии генов, анализ фенотипических (видимых) признаков, функциональный анализ отдельных генов, фармакологические манипуляции и морфологические исследования.
Предоставлено Университетом Мюнстера.