Исследование показывает связь эрозии генома муравьёв с утратой функциональных, поведенческих и социальных признаков у трёх видов-инквилинов
Муравьи известны в мире насекомых своим сложным социальным устройством и поведением. Рабочие и фуражиры поддерживают королеву, добросовестно выполняя свои социальные роли для здоровья колонии. Этот сложный "суперорганизм" стал основной моделью для изучения генетических и поведенческих основ социальных организмов.
Примечательно, что существуют редкие случаи, когда муравьи "не ладят" с другими и отказываются от своих общественных обязанностей, становясь паразитами среди своих свободноживущих сородичей.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, международная группа учёных из Европы, Южной Америки и США объединилась, чтобы обнаружить и собрать этих редких социальных паразитов. Они получили и проанализировали полные геномные последовательности трёх редких видов муравьёв-листорезов-"социальных паразитов" (Acromyrmex inquilines), чтобы лучше понять различия между ними и их видами-хозяевами.
Это первый случай, когда удалось секвенировать геномы нескольких видов социально-паразитических муравьёв.
От социальности к социальному паразитизму
Переход к необычному социальному паразитизму важен для понимания, потому что геномы муравьёв эволюционировали более 100 миллионов лет. Успех "суперорганизма" привёл к большому биоразнообразию: 17 подсемейств, 338 родов и более 13 900 ныне живущих видов.
Анализ подтвердил, что за временной промежуток около полутора миллионов лет эти виды муравьёв независимо нашли разные пути эволюции в социальных паразитов. Признаки общегеномной и специфической генетической эрозии оказались наиболее выраженными у муравьёв-социальных паразитов.
Небольшая популяция паразитов начинает частое близкородственное скрещивание, что немедленно снижает их геномное разнообразие. Затем, в краткие эволюционные сроки, естественный отбор и усиление генетического дрейфа повышают скорость утраты исходных признаков и замедляют появление новых, более адаптивных черт.
Чтобы доказать этот эффект, исследователи изучили общую геномную структуру и отдельные гены. Они обнаружили:
- Широко распространённые свидетельства геномных перестроек и инверсий — маркеров нестабильности и распада.
- Ослабление отбора в 233 генах и усиление отбора в 102 генах в генных сетях.
- Эволюция генных семейств в трёх из четырёх узлов социальных паразитов в основном характеризуется потерями генов.
Наиболее пострадали от потерь и сокращений гены, отвечающие за обоняние муравьёв-паразитов и, в меньшей степени, вкус.
Провал "нюхательного теста"
Не только некоторые гены, ответственные за обоняние, были утрачены со временем, но и, как показала микро-КТ, у муравьёв уменьшились обонятельные доли мозга.
Потеря обонятельных генов коррелирует с экстремальным переходом, сопровождающимся масштабными морфологическими и поведенческими изменениями. К ним относятся:
- Редукция или полная утрата касты рабочих.
- Упрощение ротовых аппаратов, усиков и покровов.
- Потеря некоторых гормональных желёз.
- Нервная система сниженной сложности, связанная с резко суженным поведенческим репертуаром.
Сравнительный анализ также позволил датировать происхождение социального паразитизма в семействе муравьёв-листорезов и выявить два независимых его возникновения в роде Acromyrmex:
- Южноамериканская линия: Социальный муравей A. heyeri является хозяином для паразитических видов A. charruanus и P. argentina. Дивергенция A. heyeri и последнего общего предка двух паразитов произошла около 2.5 миллионов лет назад.
- Центральноамериканское видообразование: Паразит A. insinuator отделился от своего хозяина A. echinatior около 1 миллиона лет назад.
Ослабление естественного отбора ускорило общую эрозию генома у социальных паразитов и ослабило эволюционные ограничения, что облегчило быстрое адаптивное развитие специфических черт, связанных с паразитическим образом жизни.
Радость открытия
Самой большой проблемой оказалось найти муравьёв. Популяции социальных паразитов, как правило, малочисленны и разрозненны. Например, вид P. argentina последний раз наблюдался в дикой природе в 1924 году — задолго до открытия ДНК.
Повторное открытие P. argentina коллегой Летисией стало "находкой всей жизни". Это позволило собрать образцы и впервые в современную эпоху провести полногеномное секвенирование социально-паразитических муравьёв.
Следующие шаги
Результаты важны не только для понимания муравьёв, но и дают представление о роли таких моделей "потери функции" у других паразитов для выявления признаков кооперативной социальной жизни на фенотипическом и геномном уровнях.
Социальные паразиты научились эксплуатировать фуражировочные усилия, уход за потомством и инфраструктуру колоний своих хозяев.
Исследователи планируют будущие геномные исследования этих муравьёв-паразитов, особенно с использованием технологий секвенирования длинными прочтениями, позволяющих проводить ещё более детальный анализ.
Однако учёные вовлечены в новую гонку со временем — с каждым годом всё больше естественных местообитаний муравьёв теряется из-за вырубки лесов и освоения земель. Теперь наше понимание эволюции муравьёв зависит от способности людей сотрудничать для сохранения биоразнообразия, пока это ещё возможно.