Новые гены определяют разделение труда в сообществах насекомых

Новые или сильно модифицированные гены играют важную роль в развитии различных каст в колониях муравьев. К такому выводу пришли эволюционные биологи из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) в недавнем исследовании экспрессии генов.

Доктор Барбара Фельдмайер и её коллеги из Института зоологии JGU изучали вопрос о том, как возникают различные женские касты. Колония муравьев обычно состоит из матки и рабочих. Кроме того, рабочие могут различаться в зависимости от выполняемой задачи: уход за расплодом, фуражировка или защита гнезда. Эта поведенческая специализация может сопровождаться морфологическими и физиологическими различиями. Матки, единолично ответственные за размножение, могут жить до 30 лет, в то время как продолжительность жизни рабочих составляет от нескольких месяцев до нескольких лет. У некоторых видов есть также солдаты, которые могут весить в 100 раз больше своих сестер-рабочих, ухаживающих за расплодом.

Интересно, что различные фенотипические признаки маток и рабочих развиваются из одного и того же генетического фона; разные фенотипические траектории определяются пищей, которую личинки получают во время развития. Обычно матка — единственная репродуктивная особь в гнезде, но если она умирает или её удаляют, некоторые рабочие, ухаживающие за расплодом, развивают яичники и начинают размножаться. Именно это явление использовали учёные из Майнца, чтобы вызвать фертильность у рабочих-нянек вида муравьев Temnothorax longispinosus. Это позволило сравнить этих фертильных рабочих с бесплодными няньками, фуражирами и матками, чтобы определить экспрессию генов, вызывающих огромные вариации в поведении, фертильности и продолжительности жизни.

«У нас здесь идеальная модель для изучения полифенизма, который описывает ситуацию, когда один и тот же генотип порождает фенотипы, различающиеся по индивидуальной морфологии, поведению и жизненному циклу», — сказала доктор Барбара Фельдмайер.

Каждый образец, использованный для РНК-секвенирования, охватывал до 100 миллионов ридов, то есть коротких последовательностей длиной около 100 пар оснований. Наибольшие различия в экспрессии генов были обнаружены между маткой и кастами рабочих, в то время как наименьшие различия были определены между бесплодными няньками и фуражирами. Фертильные рабочие-няньки занимают промежуточное положение между маткой и стерильными рабочими.

Матки муравьев экспрессировали множество касто-специфичных генов, функции которых были известны из сравнений с другими видами. Это не относится к рабочим, у которых около половины характерных генов оказались с неизвестной функцией. «Либо эти рабочие гены претерпели серьёзные модификации, либо они являются новыми генами», — пояснила Фельдмайер. Тот факт, что матки экспрессируют больше генов, известных у одиночных перепончатокрылых и других насекомых, соответствует эволюции социальных насекомых, где рабочие являются производным состоянием.

«Это исследование различий в экспрессии генов среди каст муравьев характерно для огромных успехов, которые в настоящее время достигаются в области биологии», — пояснила профессор Сюзанна Фойцик, руководитель рабочей группы по эволюционной биологии в Майнцском университете. РНК-секвенирование — это метод, который позволяет учёным получать глубокую молекулярную информацию даже для организмов, не входящих в число стандартных биологических модельных организмов, таких как плодовая мушка Drosophila. «Теперь мы можем также изучать виды, известные сложностью своего социального поведения. Кроме того, изучая муравьев, мы можем получить представление о генах, ответственных за необычно долгую жизнь и фертильность маток насекомых», — добавила Фойцик. Рабочая группа планирует продолжить свои исследования в этой области под эгидой нового исследовательского подразделения GeneRED факультета биологии и Института молекулярной биологии (IMB).