Муравьи управляют тесным кораблем. Они объединяются в группы с очень специфическими задачами: добыча пищи, защита от хищников, строительство туннелей и т. д. Для этого требуется огромная координация и общение.
Чтобы изучить эволюционные корни замечательной системы, исследователи из Университета Рокфеллера создали первых генетически измененных муравьев, изменив ген, необходимый для восприятия феромонов, которые муравьи используют для общения. В результате серьезные недостатки в социальном поведении муравьев и их способности выживать в колонии проливают свет на ключевой аспект социальной эволюции и демонстрируют осуществимость и полезность редактирования генома у муравьев.
«Было хорошо известно, что муравьиный язык создается с помощью феромонов, но теперь мы знаем гораздо больше о том, как воспринимаются феромоны», - говорит Даниэль Кронауэр, глава Лаборатории социальной эволюции и поведения. «То, как взаимодействуют муравьи, коренным образом отличается от того, как взаимодействуют одиночные организмы, и благодаря этим открытиям мы узнали немного больше о генетической эволюции, которая позволила муравьям создавать структурированные общества».
Социальное начало
Самым важным классом феромонов в общении муравьев являются углеводороды, которые могут передавать информацию о видах, колониях и кастах, а также о репродуктивном статусе. Эти сигналы феромонов улавливаются пористыми чувствительными волосками на антеннах муравьев, которые содержат так называемые обонятельные рецепторы - белки, которые распознают определенные химические вещества и передают сигнал в мозг.
Работа в лаборатории Кронауэра, проведенная аспирантом Шоном Маккензи и опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, показала, что за это отвечает группа генов рецепторов запаха, известных как OR 9-экзон-альфа. для обнаружения углеводородов у клональных видов муравьев-рейдеров Ooceraea biroi.
Маккензи и его коллеги также исследовали геномы родственных насекомых, чтобы определить, где в эволюции этого вида возникли 9-экзонные ОР, и обнаружили, что в этом гене произошла огромная дупликация за относительно короткий период времени: у предков пчел и муравьев было от одной до трех копий этого гена, у клональных муравьев-налетчиков около 180 копий. Массивная экспансия 9-экзонных OR происходила одновременно с эволюцией сложного социального поведения, что позволяет предположить, что дублирование генов рецепторов запаха было жизненно важным для развития коммуникации муравьев.
Связь прервана
Чтобы еще больше проанализировать роль рецепторов запаха в общении и социальном поведении муравьев, лаборатория Кронауэра разрушила ген под названием orco, необходимый для функционирования всех рецепторов запаха. Внедрить мутацию с помощью метода генетических манипуляций, известного как CRISPR, было легко. Задача состояла в том, чтобы сохранить жизнь муравьям-мутантам.
«Мы должны были убедить колонии принять мутантов. Если бы условия были неподходящими, рабочие муравьи перестали бы заботиться о личинках и уничтожили бы их», - говорит аспирант Уоринг Трайбл, руководивший этой частью муравейника. исследование, опубликованное отдельно в Cell. «Как только муравьи успешно перешли во взрослую фазу, мы почти сразу заметили изменение в их поведении».
Муравьи обычно путешествуют гуськом, определяя маршрут по феромонам, оставленным муравьями впереди. Используя автоматизированную систему, которая отслеживает муравьев с цветовой кодировкой, и алгоритм, анализирующий движение, исследователи заметили, что среди других поведенческих аномалий муравьи-мутанты не могли подчиняться правилам. Это открытие предполагает, что отсутствие обонятельных рецепторов имеет решающее значение для обнаружения феромонов и, следовательно, для социальной организации.
Отсутствие обонятельных рецепторов также изменило форму мозга муравьев. Это стало неожиданностью, говорит Трайбл, «потому что анатомия мозга у орко-мутантов других насекомых, таких как плодовая муха, не нарушена. Наши результаты показывают, что муравьи принципиально разные - им нужны функциональные обонятельные рецепторы для правильного развития мозга. Это указывает на то, насколько важным для муравьев является восприятие запахов, способность, которая может быть менее важной для других насекомых."
Теперь, когда лаборатория может создавать муравьев-мутантов, у Кронауэра есть список генов для изучения, включая те, которые связаны с разделением труда между группами. «Мы успешно удалили ген, и теперь мы хотели бы ввести ген. Нам предстоит исследовать целый новый мир», - говорит Кронауэр.