Международная команда исследовала генетические основы эволюции муравьёв
Существование муравьиных колоний было загадкой даже для Чарльза Дарвина. Как эволюция могла создать рабочих особей, которые не размножаются? Дарвин предположил, что рабочие повышают репродуктивный успех своей матки, тем самым объясняя репродуктивное разделение труда: самцы обеспечивают сперму, которую матки хранят и используют для оплодотворения яиц на протяжении всей жизни. Рабочие ищут пищу, ухаживают за потомством и защищают гнездо, но не размножаются.
С 1960-х годов известно, что Дарвин был прав: братья и сёстры могут передавать копии генов будущим поколениям так же эффективно, как и собственное потомство. Однако ранее было неясно, как произошла полная перестройка генома муравья, чтобы одновременно содержать генетические "чертежи" для репродуктивных особей и стерильных рабочих. Новое международное исследование даёт ряд ответов на этот фундаментальный вопрос.
Большая часть структуры генома муравья может быть объяснена только в связи с возникновением и последующими изменениями каст маток и рабочих, которые совместно реализуют "сверхорганизменную" форму колониальной организации. После появления муравьёв более 150 миллионов лет назад естественный отбор продолжал диверсифицировать их геномы. Это привело к серии эволюционных инноваций, таких как массовое увеличение размера колонии и усиление различий между матками и рабочими.
На генетическом уровне это означает, что после того, как исходный геном муравья стабилизировался эволюционно в раннем меловом периоде, гены муравьёв рекомбинировали в необычно высокой степени. Эта перестройка была особенно обширной в наиболее богатых видами подсемействах муравьёв сегодня.
В то же время небольшие группы связанных генов оставались исключёнными из такой перестройки более 100 миллионов лет, особенно те, которые опосредуют репродуктивное разделение труда между матками и рабочими. Это иллюстрирует, насколько фундаментальной и решающей была и остаётся хорошо функционирующая кастовая дифференциация у муравьёв.
Результаты этого междисциплинарного исследования, опубликованные в журнале Cell, основаны на почти 10-летнем сотрудничестве более 50 международных учёных из более чем 25 стран. Исследованием руководили учёные из Германии (д-р Лукас Шрадер/Мюнстерский университет), Дании (проф. д-р Якобус Бумсма/Копенгагенский университет) и Китая (проф. д-р Гоцзе Чжан/Чжэцзянский университет, Ханчжоу).
Команда ("Global Ant Genomics Alliance") секвенировала и сравнила геномы более 140 видов муравьёв, охватив большую часть биологического разнообразия этих насекомых. В исследование вошли муравьи с обычными колониями, такие как кочевые муравьи с миллионами рабочих, виды, у которых матки в сто раз крупнее самых маленьких рабочих, а также виды без маток, чьи рабочие клонируют себя, и социальные паразиты, которым вообще не нужны рабочие.
"Эта публикация — веха в нашем понимании молекулярных и генетических основ муравьёв и, вероятно, других социальных насекомых, таких как медоносные пчёлы", — подчёркивает Шрадер.
Исследователи использовали множество биологических методов: секвенирование генома, анализ экспрессии генов, анализ фенотипических признаков, функциональный анализ отдельных генов, фармакологические манипуляции и морфологические исследования.