Мутанты, королевы-самозванцы-паразиты прячутся в муравьиных колониях

Ученые выделили «суперген», который, по-видимому, превращает муравьев-налетчиков в нахлебников с атрибутами, подобными королевам других видов.

Муравьи-рейдеры обычно не имеют маток и крыльев. У этой королевы-самозванки было две копии супергена-мутанта. Кредит... Трайбл и др., Текущая биология, 2023 г.

Чтобы процветать, муравьиные колонии полагаются на то, что каждый приложит все усилия. Для муравьев-рейдеров это означает, что прилежные разведчики выслеживают другие гнезда, а затем направляют в атаку сотни свирепых собирателей. Они возвращаются с клешнями, сжимающими мертвых молодых муравьев, чтобы накормить поселение. Клоны производятся. Колония процветает.

Но муравьи-рейдеры входят в число примерно 50 видов, страдающих от самозванцев: паразитических муравьев, напоминающих королев. Они жадно поедают пищу колонии, но уклоняются от своих собственных обязанностей по добыче пищи и могут выводить только больше паразитов вместо рабочих, когда они размножаются. То, как появляются фальшивые королевы, долгое время озадачивало ученых.

«Это настоящая загадка, как появляются эти вещи», — сказал Кен Росс, генетик-эволюционист из Университета Джорджии.

Исследование, опубликованное во вторник в журнале Current Biology, предлагает решение. «Суперген», который быстро мутирует между одним поколением муравьев-рейдеров, вероятно, ответственен за королевских самозванцев. Открытие стало результатом неожиданного наблюдения в лаборатории Рокфеллеровского университета, где Уоринг Трайбл и его научный руководитель Дэниел Кронауэр изучали колонии муравьёв-рейдеров.

«Эти странные королевы-мутанты только что появились», — сказал доктор Трайбл, который сейчас работает в Гарварде и руководил исследованием. Изолированный от остальной колонии в чашке Петри, он был очевиден: у некоторых муравьев были крылья.

Это типичная черта для королев многих видов, но это было странно, потому что у муравьев-налетчиков обычно нет крыльев или королев.

«Увидеть этих крылатых самок было очень шокирующим, очень поразительным сразу же», — сказал доктор Трайбл. «Я сразу подумал, что это что-то генетическое».

Он приступил к сортировке колонии из 10 000 муравьев. Его поиск по принципу «иголка в стоге сена» обнаружил в общей сложности 14 королев-самозванцев, которых он затем позволил воспроизвести. Их потомством всегда были крылатые паразиты.

Типичный клональный муравей-налетчик (слева) и мутант, похожий на королеву, с супергеном. Кредит... Трайбл и др., Текущая биология, 2023 г.

Доктор Трайбл и его коллеги посвятили годы изучению мутантов и попыткам выяснить их происхождение. Другой генетик, Шон Маккензи, составил полный геном обычных муравьев, а доктор Трайбл проанализировал геном мутантов. Сравнение геномов позволило доктору Трайблу увидеть, чем отличаются обычные муравьи от мутировавших.

У обоих типов муравьев одна хромосома несет набор генов, которые наследуются вместе и могут контролировать важные черты и функции, известные как супергены. Обычные муравьи имеют одну копию супергена и другую версию, мутированную и рецессивную. Но у королев-самозванцев есть две копии мутировавшего супергена.

«Такая мутация у людей, скорее всего, убьет вас», — сказал доктор Трайбл. «Хромосома настолько выродилась. Это действительно неприятная мутация».

Но для этих муравьев то, что их не убивает, заставляет отращивать крылья.

«Подавляюще вероятно», что суперген контролирует рост маток-самозванцев, но для подтверждения этого открытия необходимы более целенаправленные исследования, сказал доктор Трайбл.

В течение десятилетий считалось, что сложные черты или поведение, такие как паразитизм или количество маток в колонии, будут определяться комбинированным влиянием многих генов, сказал доктор Росс, который обнаружил первый суперген у муравьев и не участвовал в новом исследовании. Но ученые теперь знают, сказал он, что «генов может быть много, но они, как правило, заперты в супергенах». Это означает, что сложные черты могут зависеть только от одного фактора, «что просто удивительно», — сказал он.

Хотя ученые идентифицировали по крайней мере пять других супергенов муравьев, это будет первый, который будет контролировать касту или то, станут ли муравьи рабочими, собирателями или королевами; другие были связаны с социальным поведением. Почему муравьи превращаются во взрослых особей определенной касты — вопрос открытый. Этот суперген, по-видимому, лишает паразитов способности быть рабочими и позволяет им играть роль, не свойственную рейдерам.

«Изоляция кастового мутанта — действительно мощный инструмент, — сказал доктор Трайбл. По его словам, мутанты могут стать важным окном в черные ящики эволюции.

Это также первый случай наблюдения за паразитическими муравьями того же вида, что и их хозяин. Хотя существует много паразитических муравьев, до сих пор они были отдельным видом от своего хозяина, возможно, со временем медленно эволюционируя от исходного вида, чтобы стать их паразитом. Новое исследование показывает, что паразитарная мутация может происходить внутри вида и в одном поколении, опровергая предыдущие гипотезы о том, что такие переходы занимают тысячи лет или дольше.

«Это был единственный шаг, но не тривиальный», — сказал доктор Росс.