科學探索：寄生螞蟻的出現，是因為基因丟失？


圖片來源：Martin Bollazzi
在昆蟲界，螞蟻因其複雜的社群結構和社會行為而聞名。工蟻和覓食蟻供養著它們的蟻後，為了整個種群的健康發展忠實地履行著它們的社會角色。正如科學家所稱，由整個螞蟻群構成的複雜的“超有機體”（superorganism）已經成為探索社會有機體的遺傳和行為根源的主要模型。
不過值得注意的是，螞蟻群中也有極個別的特例。有些螞蟻不太合群，也不履行自己在群體中的社會責任，而是混跡於它們的親戚中，成為一群蹭吃蹭喝的“寄生蟻”。
近日，在一篇發表於《自然·通訊》（Nature Communications）的最新研究中，一組歐美研究人員聯手收集並探索了這群罕見的“寄生蟻”。該國際合作項目由美國亞利桑那州立大學（Arizona State University）主導，參與者包括來自德國明斯特大學（the Universities of Münster）、丹麥哥本哈根大學（the University of Copenhagen）以及烏拉圭蒙得維的亞共和國大學（University of the Republic）的研究人員。他們共同獲得並分析了罕見的“群居寄生蟻”——屬於切葉蟻亞科的Acromyrmex inquilines——完整的基因組DNA序列，以更好地了解它們與宿主種群之間的差異。
這也是首次對群居寄生螞蟻的基因組進行測序。
該研究的通訊作者、亞利桑那州立大學生命科學學院副教授Christian Rabeling表示：“這是一個了解新的、高度特化的生命的過程，我們的發現進一步加深了對這些生物基因組的理解，並為蟻群的群居寄生現象的演化過程提供了詳細的見解。”
從“群居”到“群居寄生”
了解這種不同尋常的轉變至關重要，因為螞蟻的基因組已經進化了一億多年。在此期間，螞蟻社會出現了一次重大轉變，即轉變為具有工蟻等級和無條件利他行為的全新“超有機體”社會組織結構。采取這種“超有機體”模式的螞蟻在演化上非常成功，螞蟻共有17個亞科、338個屬和13,900多個現存物種。


圖片來源：Pixabay
Rabeling說：“物種向高度特化的群居寄生行為轉變、並且放棄源於祖先的日常生活方式，通常都是基於遠交（outbreeding）現象和更大的有效種群數量。我們能通過基因組的改變來了解這種現象，對其中三個物種的分析結果證實，我們能從螞蟻群居寄生的現象中識別合作群居群體生活的特征。”
在此過程中，他們的分析證實，在大約一百五十萬年的時間跨度中，這些螞蟻物種都為自己找到了獨樹一幟的進化方式，並成為了群居“寄生蟻”。研究發現，在群居寄生螞蟻中，全基因組會出現最為極端的特定性狀的遺傳侵蝕（genetic erosion）現象。
那它又是如何開始的？一群蟻後想要生活在一個蟻群中並坐享其成，不再為這個蟻巢付出任何勞動。接下來，蟻後隻專注於生產新的蟻後和雄性螞蟻，而這一小群“寄生蟻”能通過頻繁地近交（inbreeding）得以生存。隨著時間的推移，它們基因組的多樣性也會急劇下降。然後，在未來進化過程中的某一瞬間，由於自然選擇和遺傳漂變（genetic drift）發生率的增加，祖先性狀的丟失率因而提高，更具適應性的新性狀出現的速率也會減慢。
這就是說在“寄生蟻”的DNA中出現了丟失，由此觸發了基因組侵蝕（genome erosion）現象。
為了在螞蟻基因組中證明這種效應，研究小組調查了整個基因組結構，以及可能受該基因組衰變影響的單個基因。首先，他們發現了基因組重排和倒置的廣泛證據，這是基因不穩定和衰變的標誌；其次，在基因網絡中，研究小組鑒定了233個基因，這些基因在至少一個“寄生蟻”分支中表現出疏鬆選擇（relaxed selection）的跡象，另有102個基因表現出強化選擇（intensified selection）的跡象。Rabeling補充道：“我們的分析表明，這四個‘寄生蟻’進化分支點中有三個發生了基因家族進化，在很大程度上是基於另外一些基因的丟失。”
基因組丟失和減少，對“寄生蟻”的嗅覺和味覺影響最大。
失敗的嗅覺能力測試
隨著時間的流逝，消失的不僅僅是負責螞蟻嗅覺的基因。當研究者進行顯微CT掃描時，還發現螞蟻的大腦嗅葉（olfactory lobes）也縮小了。
對這一現象，Rabeling解釋說：“其實這並不奇怪，因為螞蟻們主要通過化學信號進行交流。嗅覺基因的喪失與廣泛存在的形態和行為的極端轉變有關。”


圖片來源：Pixabay
這包括工蟻等級製度的減少或完全喪失，口器、觸角、體壁的簡化，某些內分泌腺體的喪失，以及神經係統的複雜程度降低——這一點可能與急劇縮小的行為模式有關。
從他們的分析比較中，研究人員還通過更為長遠的進化時間尺度來理解這些變化。他們還能以此確定切葉蟻譜係中“寄生蟻”的起源。
蟻屬Acromyrmex中有兩個相互獨立的“寄生蟻”起源。在這個屬內，一種群居螞蟻A. heyeri是“寄生蟻”A. charruanus和P. argentina的寄主物種。
首先，在兩類“寄生蟻”A. charruanus和P. argentin趨異之前，南美群居螞蟻A. heyeri從它們共同的祖先中分離了出來，這一祖先也被認為是一種群居寄生蟻。
在演化上，這兩個群居寄生現象屬於近期發生的。據估計，約在250萬年前，A. heyeri從A. charruanus和P. argentina最後的共同祖先中分離出來；約在100萬年前，A. insinuator和A. echinatior發生了趨異現象。
Rabeling對此作出了推斷：“鬆散的自然選擇加速了群居‘寄生蟻’基因組侵蝕，並緩和了進化限製（evolutionary constraint），從而促進了與群居寄生生活方式相關的特定特征的快速適應性演化。”
探索的樂趣
為什麽要花這麽長時間進行基因組分析？事實證明，該研究中最容易的部分可能是比較基因組分析；而找到螞蟻則被證明是最大的障礙。這是為什麽？
群居“寄生蟻”的種群幾乎無一例外地小而分散。但有多分散呢？
他們在野外發現一種叫做P. argentina的寄生蟻物種是在1924年。Rabeling還記得，在此之前，由於找不到P. argentina，去南美的旅行總是徒勞而返。而後，大約在十年前，一通來自Martin Bollazzi的電話改變了他的生活，Bollazzi既是他的同事，也是後來這項研究的合著者。
“Martin Bollazzi說，他的妻子Leticia剛才居然發現了P. argentina！！！”
Rabeling在聽到消息後急不可耐地跳上飛機。當他近距離看到尋覓已久的P. argentina時，他說那是他永遠不會忘記的時刻。
“Leticia所發現的P. argentina是我們一生中最偉大的探索成果。我特別喜歡將螞蟻的野外工作和博物學觀察與諸如全基因組測序等新技術聯係起來，有機會做到這一點真是太讓高興了！”
現在，他們可以通過收集P. argentina來實現他們的研究夢想，並通過對群居“寄生蟻”進行首次現代全基因組測序來驗證他們基於野外工作而建立的假設。
下一步是什麽？
這項研究的結果不僅對了解螞蟻非常重要，還為在其他寄生物種中基因組“功能失去”係統的研究提供參考，並在表型和基因組層麵上識別合作、群居種群的生活特征。
Rabeling認為：“群居‘寄生蟻’的出現，是為了利用它們宿主的覓食努力、護理行為和群體基礎設施。”
Rabeling還指出，其他物種，如墨西哥洞穴盲魚（Mexican blind cave-dwelling fish）或絛蟲（tapeworms）等其他寄生物種，都是隨著時間的推移而失去重要特征的生物。在每一個案例中，他們都開發和利用了新的生態位（ecological niches），以使它們的物種得以生存。
研究人員表示，從這三種群居寄生蟻中，他們學到了很多。接下來，他們計劃對這些群居寄生蟻進行基因組學研究，以獲得令人興奮的深入見解，特別是借助長讀測序技術（long-read sequencing technologies），可以進行更為詳細的分析。
不過，由於每年都有越來越多的螞蟻自然棲息地因砍伐森林和發展而消失，Rabeling和他的同事們現在已卷入另一場與時間的競賽。現在，我們對螞蟻進化的理解完全取決於人類自己，隻有通過合作，才能拯救生物多樣性。
“我們希望，這樣的前瞻性研究能夠擴大我們對螞蟻社會行為演化特征的認識，畢竟很少有其他模型係統能夠提供幾十個物種水平的樣本規模。”
翻譯：許楚楚
編輯：魏瀟
引進來源：亞利桑那州立大學


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