Социальный код: Расшифровка генетической основы социального поведения перепончатокрылых
Биологов со времен Дарвина интересует эволюция социальности. В своей крайней форме эусоциальные виды демонстрируют разделение труда: одни особи выполняют репродуктивные задачи (например, откладку яиц), а другие — нерепродуктивные роли (фуражировка, строительство гнезда, защита).
Такая система требует, чтобы особи отказывались от части или всего собственного репродуктивного успеха, помогая размножению других в группе. Хотя медоносная пчела — самый известный пример, её сложное общество представляет лишь один конец спектра социальных структур у перепончатокрылых (пчёлы, осы, муравьи). На другом конце — рудиментарные социальные структуры с кооперацией всего нескольких особей и их потомства.
Большинство исследований сосредоточено на сложных системах, но понимание эволюции рудиментарных форм может помочь выявить самые ранние изменения на пути к социальности. Авторы нового исследования в Genome Biology and Evolution решили заполнить этот пробел.
Уникальный подход и «инструментарий» социальности
«Наша работа уникальна тем, что мы сосредоточились на шести видах пчёл и ос, которые не являются высокосоциальными, но имеют более простые формы кооперации и являются близкими родственниками высокосоциальных видов», — говорит первый автор Эмелин Фавро.
Используя алгоритмы машинного обучения для анализа экспрессии генов у шести видов, представляющих несколько независимых происхождений социальности, авторы обнаружили общий генетический «инструментарий» для социальности. Он может лежать в основе эволюции более сложных социальных структур.
Международная команда исследователей провела сравнительный метаанализ данных трёх видов пчёл и трёх видов ос, представляющих четыре независимых происхождения социальности:
- Пчёлы: Megalopta genalis, Ceratina australensis, C. calcarata
- Осы: Liostenogaster flavolineata, Polistes canadensis, P. dominula
«Используя данные о глобальной экспрессии генов в мозге разных поведенческих групп (размножающихся и неразмножающихся самок), мы обнаружили, что существует основной набор общих генов, связанных с этим фундаментальным социальным разделением как у пчёл, так и у ос, — объясняет Фавро. — Это говорит о возможных общих молекулярных "темах", связанных с кооперацией у разных видов».
Общее и специфичное в генетике социальности
Ряд функциональных групп генов, связанных с социальностью в этом исследовании, также связан с социальностью у других общественных пчёл и муравьёв. К ним относятся гены, связанные со связыванием хроматина и ДНК, регуляцией длины теломер, репродукцией и метаболизмом.
С другой стороны, исследование выявило множество видоспецифичных генов и функциональных групп, связанных с социальными фенотипами. Эти находки «показывают, как таксон-специфичные молекулярные механизмы дополняют основной инструментарий молекулярных процессов, формируя черты, связанные с эволюцией эусоциальности».
Роль машинного обучения и будущие планы
«Подход машинного обучения к этим большим наборам данных был лучшим методом для выявления этих сходств», — отмечает Фавро. Традиционные методы изучения дифференциальной экспрессии генов в основном группировали виды по филогении и не выявляли наборы генов, связанные с социальностью. Инструменты машинного обучения обеспечили «более тонкий и чувствительный подход», позволив найти сходства в экспрессии генов на большом эволюционном расстоянии.
Остаётся вопрос, как эти результаты, полученные на видах с рудиментарной социальностью, соотносятся с облигатно эусоциальными видами с морфологически различными кастами. «Над этим мы сейчас работаем и надеемся ответить в ближайшем будущем, — говорит Фавро. — Мы используем более широкий подход, чтобы изучить, как гены и геномы меняются в ходе социальной эволюции».
Это включает добавление транскриптомных данных для 16 дополнительных видов пчёл и ос, что позволит провести «более масштабное сравнительное исследование с видами ос и пчёл, которые являются одиночными, имеют рудиментарную и сложную социальность».
Расширение исследования требует получения образцов со всего мира, что иногда было сложной задачей. «Найти многие из этих видов, некоторые из которых никогда ранее не изучались на генетическом уровне, было настоящим испытанием, — отмечает Фавро. — Учитывая глобальное разнообразие таксонов, удалённые места сбора, пандемию и ограничения на поездки, мы рады, что смогли получить все образцы и геномы».
Команде в итоге удалось приобрести ряд образцов благодаря партнёрству с другими исследователями и институтами, что подчёркивает критическую роль коллаборации в научных открытиях.