Геномное исследование раскрывает одомашнивание грибов муравьями-листорезами
В то время как наши предки начали одомашнивать сельскохозяйственные культуры около 10 000 лет назад, линия муравьев "аттины" стала грибоводами на 60 миллионов лет раньше. Муравьи-аттины и их грибной урожай взаимно зависят друг от друга для выживания.
Муравьи сажают, защищают, снабжают и культивируют свой гриб, который, в свою очередь, обеспечивает их стабильным запасом пищи. Муравьи-листорезы имеют наиболее развитые системы земледелия среди аттин и доказали свою устойчивость на протяжении более 15 миллионов лет климатических изменений. Сегодня они являются доминирующими травоядными (и часто вредителями сельскохозяйственных культур) в различных средах обитания от Аргентины до северного Техаса.
С момента открытия систем земледелия муравьев-листорезов 150 лет назад ученые пытались понять, как муравьи эволюционировали такие сложные системы без технологий или культуры, которые способствовали развитию человеческого сельского хозяйства.
Более того, грибная культура муравьев-листорезов передается из поколения в поколение, как и человеческие культуры, и демонстрирует признаки одомашнивания, аналогичные тем, что отличают современные кукурузные початки в супермаркете от мелких несъедобных семян их дикого предка. Например, гриб листорезов производит вздутые питательные структуры, которые в остальном уникальны для царства грибов. До сих пор ключевые геномные адаптации, лежащие в основе этих процессов одомашнивания, оставались плохо изученными.
Геномные данные об одомашнивании грибов
Исследование этих процессов только что опубликовано в журнале Molecular Biology and Evolution группой доцента Джонатана Шика с кафедры биологии Копенгагенского университета (UCPH) и Смитсоновского института тропических исследований. Исследованием руководил доцент Кайо Леал-Дутра из группы Шика. В работе использовались передовые подходы секвенирования генома для расшифровки генетических строительных блоков гриба Leucoagaricus gongylophorus, культивируемого муравьями-листорезами.
Расшифровав эти гены и сравнив их с генами других грибов, исследователи смогли определить, какие части грибного генома изменились в результате миллионов лет культивирования муравьями.
«Мы нашли важные генетические подсказки, которые показывают, как гриб адаптировался к жизни с муравьями, — объясняет ведущий автор Леал-Дутра. — Некоторые из этих генетических изменений помогают грибу расщеплять растительный материал и накапливать питательные вещества, делая его идеальным партнером для муравьев».
Исследование выявило новые группы генов, которые помогают грибу защищаться от болезней и оптимизировать партнерство с муравьями, обеспечивая стабильность и продуктивность их сельскохозяйственной системы в различных средах обитания.
Команда также обнаружила множество мобильных генетических элементов, или «прыгающих генов», в ДНК гриба. Эти элементы могут быстро изменять генетический состав гриба, позволяя ему адаптироваться к вызовам и быстро эволюционировать в ответ на изменения окружающей среды. Эти находки предполагают, что естественный отбор сформировал гриб для процветания в культивируемом состоянии, сохраняя при этом хрупкий баланс со своими муравьями-фермерами на протяжении тысячелетий.
Научное и общественное значение
Это исследование не только подчеркивает замечательный эволюционный успех грибоводческих муравьев, но и имеет более широкие последствия для понимания того, как естественный отбор может управлять одомашниванием культур. Изучая геномные адаптации этих грибов, ученые могут понять, как сельскохозяйственные системы могут эволюционировать посредством экологических взаимодействий, а не человеческого вмешательства.
«Понимание долгосрочной устойчивости систем земледелия муравьев может вдохновить на новые способы мышления об устойчивом сельском хозяйстве, — говорит старший автор Шик. — Хотя мы пока не можем перенести методы земледелия муравьев в человеческое сельское хозяйство, изучение этих систем может показать, как генетические изменения могут помочь фермерам балансировать урожайность и экологическую стабильность».
Поскольку человечество сталкивается с растущими проблемами в современном сельском хозяйстве, особенно в отношении изменения климата и устойчивости культур, эволюционные решения, раскрытые в этом исследовании, открывают захватывающие возможности для будущих исследований в сельскохозяйственных науках.