Генетические различия определяют порог размера для муравьиных маток и рабочих особей.

от

Кастовая система муравьёв: роль генетики и окружающей среды

Для многих видов муравьёв кастовая принадлежность определяет судьбу. Матки вырастают большими, отращивают крылья и откладывают яйца; рабочие остаются маленькими, бескрылыми и трудолюбивыми. Но как развиваются эти касты и как будущее молодого муравья определяется генетикой и окружающей средой, было неясно.

Новое исследование предполагает, что размер тела и каста идут рука об руку. Более крупные муравьи обычно становятся матками, а более мелкие — рабочими, и на размер муравья влияют как гены, так и окружающая среда. Однако результаты, опубликованные в PNAS, также указывают на то, что генетика сама по себе определяет порог для становления маткой.

В разных колониях генетически разные муравьи одного размера, выращенные в одинаковых условиях, могут отличаться по морфологии касты. Эти результаты демонстрируют, что гены не только влияют на размер, но и меняют значение заданного размера для колонии. Две относительно маленькие муравьиные особи могут иметь совершенно разные шансы стать матками.

«Одна из наших целей — понять, как функционирует общество насекомых», — говорит Даниэль Кронауэр, профессор Стэнли С. и Сидни Р. Шуман в Рокфеллеровском университете. «Изучение того, как особи различаются в колонии, может помочь нам понять типы кастовых систем, от маток до рабочих и солдат, которые могут развиваться у тысяч существующих видов муравьёв».

Матка — это не просто большая рабочая особь муравья. Помимо большего размера тела, у маток обычно вырастают крылья, развивается более сложная зрительная система и крупные яичники для откладывания яиц, в то время как рабочие остаются бескрылыми, маленькими и обычно воздерживаются от размножения.

Такая разительная разница между генетически идентичными особями — классический пример пластичности развития, и самки муравьёв поэтому являются отличной моделью для изучения того, как один генотип может производить совершенно разные фенотипы.

Некоторые учёные подозревали, что размер тела может быть отделён от того, станет ли муравей маткой. Эта теория имела смысл — у плодовых мух, как и у других насекомых, физические признаки обычно в некоторой степени регулируются факторами окружающей среды независимо от размера тела. Но недавние исследования показали, что муравьи, в отличие от других насекомых, всегда сохраняют кастовые признаки в соответствии с размером тела.

«Это горячо обсуждаемая тема, по крайней мере среди биологов-мирмекологов», — говорит Патрик Пикарски, ныне постдокторант в лаборатории Кронауэра. «Мы хотели решить этот вопрос, определив, возможно ли отделить размер от чего-то вроде развития яичников или глаз».

Команда обратилась к клониальному муравью-рейдеру Ooceraea biroi, мощной модели благодаря его клониальному размножению и синхронизированному жизненному циклу, что позволяет точно контролировать генетические и экологические переменные.

Хотя у клониальных муравьёв-рейдеров нет обычных маток, особи, известные как интеркасты, считаются эволюционно гомологичными матками — они вырастают крупнее, у них развиваются более крупные яичники, а также рудиментарные глаза и едва заметные крылья. Такая связь между размером тела и набором коррелирующих признаков, связанных с маткой, широко распространена среди муравьёв.

«Мы работаем с этим необычным видом муравьёв, потому что в противном случае мы не смогли бы контролировать генотип муравья», — говорит Кронауэр. «С муравьями-рейдерами мы можем провести эквивалент масштабного исследования идентичных близнецов, чтобы определить, как окружающая среда влияет на взрослый фенотип».

Для исследования учёные начали с того, что зафиксировали генотип личинки и манипулировали условиями выращивания. Предыдущие исследования показали, что доступность пищи, температура и генотип муравьёв, ухаживающих за личинками, могут влиять на развитие касты.

Они обнаружили, что каждый из этих факторов действительно влияет на результат, но только при изменении окончательного размера тела личинки. Когда генетически идентичные личинки выращивались с меньшим количеством пищи, они становились меньше и имели сниженную вероятность развития черт, характерных для маток. Но если этим личинкам удавалось достичь определённого размера, несмотря на недостаток пищи, они всё равно развивали черты, характерные для маток. В конечном счёте каста была связана с размером, и только размер почти идеально предсказывал результаты развития.

Затем команда сравнила разные генотипы личинок, выращенные в сходных условиях окружающей среды, чтобы определить, могут ли генетические различия изменить лежащую в основе связь между размером тела и кастовыми признаками.

Они обнаружили, что, хотя гены могут влиять на размер, они также могут изменять размер, при котором начинают проявляться черты, характерные для маток. Например, муравьи из генетической линии, обозначенной как «M», последовательно вырастали до меньшего среднего размера тела, чем особи из линии A, даже при выращивании в идентичных условиях окружающей среды.

Но для любого заданного размера тела муравьи из линии M всё равно с большей вероятностью развивали черты, характерные для маток. Две маленькие особи, одна из линии M и одна из линии A, могли иметь совершенно разные шансы стать матками, независимо от условий выращивания.

Это говорит о том, что генетические вариации могут влиять на морфологию касты двумя способами: влияя на то, насколько крупными вырастают муравьи, и модифицируя размер, при котором начинают проявляться черты, характерные для маток.

«Интересной иллюстрацией этого является то, что у некоторых генотипов начинают проявляться черты, характерные для маток, при меньших размерах тела», — говорит Пикарски.

Для Пикарски основной вывод исследования заключается в том, что «если какой-либо фактор окружающей среды влияет на касту, он также влияет и на размер. Он не может вызвать изменения в одном и не вызвать в другом. Насколько мы можем судить, независимо от того, какой экологической переменной вы манипулируете, взаимосвязь между размером тела муравья и кастой остаётся неизменной и генетически закодированной».

Для Кронауэра последствия работы выходят за рамки определения касты. Его лаборатория изучает колонии муравьёв как суперорганизмы — сложные биологические системы, в которых генетически идентичные особи берут на себя совершенно разные роли, подобно клеткам в ткани. Используя муравьёв в качестве модели, Кронауэр сочетает изучение биологии развития с поведением и социальной организацией.

«Мозг матки и рабочего муравья довольно сильно отличается, и это коррелирует со значительными различиями в поведении», — объясняет Кронауэр. «Рабочие покидают гнездо, чтобы добывать пищу, заботиться о личинках, строить и расширять гнездо; матка в основном только спаривается и откладывает яйца. Поэтому понимание того, как размер тела связан с кастой, — это не просто вопрос морфологии. Это открывает дверь к пониманию того, как социальные роли, функции мозга и динамика колонии развиваются и эволюционируют вместе».

Предоставлено Рокфеллеровским университетом.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте

Оставьте комментарий