Генетические различия определяют размерный порог для маток и рабочих муравьёв

У многих видов муравьёв каста определяет судьбу. Матки вырастают крупными, отращивают крылья и откладывают яйца; рабочие остаются мелкими, бескрылыми и трудолюбивыми. Однако механизмы развития каст и то, как будущее молодого муравья определяется генетикой и средой, было неясно.

Новое исследование показывает, что размер тела и каста взаимосвязаны. Крупные муравьи обычно становятся матками, а мелкие — рабочими, и на размер влияют как гены, так и среда. Но результаты, опубликованные в PNAS, также указывают, что именно генетика определяет порог для становления маткой.

В разных колониях генетически различные муравьи одинакового размера, выращенные в одинаковой среде, могут различаться по кастовой морфологии. Это доказывает, что гены не только влияют на размер — они меняют значение конкретного размера для колонии. Два относительно мелких муравья могут иметь кардинально разную вероятность стать маткой.

Природа или воспитание

Матка — это не просто крупный рабочий муравей. Помимо большего размера тела, матки обычно отращивают крылья, развивают более сложную зрительную систему и крупные яичники, в то время как рабочие остаются бескрылыми, мелкими и обычно не размножаются.

Такое различие между генетически идентичными особями — классический пример фенотипической пластичности, что делает самок муравьёв отличной моделью для изучения того, как один генотип может давать резко разные фенотипы.

Некоторые учёные предполагали, что размер тела может быть не связан с кастой. Эта теория имела смысл — у плодовых мушек и других насекомых физические признаки в некоторой степени регулируются факторами среды независимо от размера тела. Однако недавние работы показали, что у муравьёв, в отличие от других насекомых, кастовые признаки всегда жёстко связаны с размером тела.

Команда обратилась к клональному муравью-рейдеру Ooceraea biroi — мощной модели благодаря клональному размножению и синхронизированному жизненному циклу, что позволяет точно контролировать генетические и средовые переменные.

Хотя у этих муравьёв нет классических маток, особи, известные как интеркасты, считаются гомологами маток в развитии — они вырастают крупнее, развивают более крупные яичники, а также рудиментарные глаза и зачатки крыльев. Такая связь между размером тела и комплексом связанных с маткой признаков широко распространена среди муравьёв.

Крупный и главный

В исследовании учёные сначала зафиксировали генотип личинок и манипулировали средой выращивания. Предыдущие работы показали, что на развитие касты могут влиять доступность пищи, температура и генотип муравьёв, ухаживающих за личинками.

Они обнаружили, что каждый из этих факторов действительно влияет на исход, но только если также изменяет конечный размер тела личинки. Например, генетически идентичные личинки, выращенные с меньшим количеством пищи, становились мельче и имели пониженную вероятность развития признаков матки. Но если этим личинкам удавалось достичь определённого размера, несмотря на нехватку пищи, они всё равно развивали признаки матки. В конечном счёте, каста была связана с размером, и только размер мог почти идеально предсказать исход развития.

Затем команда сравнила разные генотипы личинок, выращенных в сходных условиях, чтобы определить, могут ли генетические различия изменить базовую связь между размером тела и кастовыми признаками.

Они обнаружили, что, хотя гены могут влиять на размер, они также могут менять размер, при котором начинают проявляться признаки матки. Например, муравьи из генетической линии «M» стабильно вырастали до меньших средних размеров, чем из линии A, даже при выращивании в идентичных условиях.

Но для любого заданного размера тела муравьи линии M всё равно с большей вероятностью развивали признаки матки. Два мелких муравья — один из линии M, другой из линии A — могли иметь совершенно разные шансы стать матками, независимо от среды выращивания.

Это говорит о том, что генетическая вариация может влиять на кастовую морфологию двумя способами: воздействуя на то, насколько крупными вырастают муравьи, и изменяя размер, при котором экспрессируются признаки матки.

Основной вывод исследования: «Если какой-либо фактор среды влияет на касту, он также повлияет и на размер. Он не может вызвать изменение одного без другого. Насколько мы можем судить, независимо от того, какой средовой переменной вы манипулируете, связь между размером тела муравья и кастой остаётся неизменной и, вместо этого, генетически закодирована».

Последствия работы выходят за рамки определения касты. Колонии муравьёв изучаются как суперорганизмы — сложные биологические системы, в которых генетически идентичные особи берут на себя совершенно разные роли, подобно клеткам в ткани.

«Мозги матки и рабочего довольно сильно различаются, и это коррелирует с разительными различиями в поведении. Рабочие покидают гнездо для фуражировки, ухаживают за личинками, строят и расширяют гнездо; матка в основном только спаривается и откладывает яйца. Поэтому понимание того, как размер тела связан с кастой, — это не просто вопрос морфологии. Это открывает дверь к пониманию того, как социальные роли, функции мозга и динамика колонии развиваются и эволюционируют вместе».