Королевы муравьев большую часть времени рожают детенышей. Чтобы господствовать в колонии, они источают особый запах, или феромон, на восковой поверхности своего тела, который подавляет развитие яичников у их сестер, делая последних репродуктивно неактивными рабочими, которые находят пищу, кормят детенышей и защищают колонию.
Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде приступили к расшифровке молекулярных механизмов, лежащих в основе того, как муравьи ощущают эти феромоны и как они контролируют регуляцию размножения и другую социальную активность в муравьиных сообществах. Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Communications, показывает, как муравьи используют обонятельные рецепторы, чтобы различать членов колонии, чтобы они могли работать вместе в сложном иерархическом обществе. Полученные данные могут помочь в разработке новых стратегий борьбы с вредителями.
Исследовательская группа под руководством Анандасанкара Рэя, доцента кафедры биологии молекулярно-клеточных систем, идентифицировала и охарактеризовала более 20 рецепторов, обнаруженных на усиках рабочих муравьев, которые играют роль в разделении труда внутри колонии. Среди них есть один рецептор, который специфически реагирует на феромон, вырабатываемый муравьиной маткой, взаимодействие, которое в конечном итоге приводит к физиологическим изменениям в яичниках рабочих.
Муравьи являются эусоциальными насекомыми, то есть они живут в кооперативных группах, где одна самка и несколько самцов участвуют в размножении, а особи, не занимающиеся размножением, играют особые роли, такие как забота о детенышах, поиск пищи и защита от врагов. В течение многих лет ученые интересовались тем, как муравьи общаются, опосредованно группой углеводородных феромонов, которые муравьи производят и «носят» на теле, как пальто. С помощью этих феромонов муравьи могут различать сородичей и не сородичей, а также распознавать разные касты в пределах одной колонии.
Попытка разгадать молекулярный механизм обоняния муравьев заняла несколько лет и консорциум сотрудников из нескольких университетов. В 2015 году группа Рэя разработала мощную электрофизиологическую технику для муравьев рода Camponotus и показала, что сенсорные нейроны внутри крошечных волосовидных структур на антеннах муравьев с высокой специфичностью реагируют на множество различных муравьиных феромонов. С помощью Рэя этот метод был разработан и испытан в Университете штата Аризона на другом виде муравьев, Harpegnathos s altator. Однако до сих пор обонятельные рецепторы, ответственные за обнаружение этих углеводородных феромонов, не были идентифицированы ни у одного вида.
В настоящей статье группа Рэя идентифицировала и охарактеризовала 22 обонятельных рецептора, которые специфически взаимодействуют с углеводородными феромонами, вырабатываемыми другими муравьями, включая один, называемый HsOr263, который реагирует на феромон королевы. Эти рецепторы принадлежат к подсемейству семейства генов рецепторов запаха, называемому 9-экзонным подсемейством.
«Сначала мы исследовали 9-экзонное подсемейство генов обонятельных рецепторов, потому что оно значительно распространено у муравьев и других эусоциальных насекомых, что делает его хорошим местом для начала поиска рецепторов, которые реагируют на углеводородные феромоны», - сказал Рэй..
Ускорению этого исследования и прокладыванию пути для идентификации других муравьиных рецепторов стала методика, разработанная в 2014 году Рэем и Грегори Паском, бывшим научным сотрудником лаборатории Рэя, для экспрессии обонятельных рецепторов муравьев в генетически модифицированном Муха Drosophila melanogaster. Паск вставил ДНК муравьиных рецепторов в геном мухи и использовал генетику для экспрессии муравьиного рецептора в антеннах мух.
«Как только мы экспрессировали муравьиный рецептор в антенне мухи, я мог напрямую измерять реакцию на отдельные углеводороды на этом рецепторе один за другим», - сказал Паск, ведущий автор статьи Nature Communications и в настоящее время доцент в Bucknell. Университет в Льюисбурге, штат Пенсильвания. «Используя этот метод, мы определили рецепторы запаха для нескольких важных углеводородов, в том числе обнаруженных у рабочих, самцов или маток».
"Муравьи и другие социальные насекомые используют смесь углеводородов на своем теле в качестве "биологических штрих-кодов", которые передают ключевую социальную информацию внутри колонии. Наше исследование проливает свет на то, как эти "считыватели штрих-кодов" работают на молекулярном уровне, - сказал Паск.
Рэй сказал, что идентификация обонятельных рецепторов муравьев позволяет по-новому взглянуть на системы химической связи, используемые эусоциальными насекомыми, и в будущих исследованиях будет изучено, как эти рецепторы вызывают физиологические изменения, такие как подавление репродукции.
Обоняние муравьев и то, как обрабатывается запах, - увлекательная область нейробиологии, но эта работа также имеет практическое применение в будущем. Расширяя наше понимание коммуникации, опосредованной феромонами, у нас есть большой потенциал, чтобы иметь возможность манипулировать и контролировать поведение насекомых, что приведет к новым стратегиям борьбы с вредителями», - сказал Рэй.