研究揭示蚁群形成“超个体”的分子机制

来源：昆明动物研究所2022年10月11日14:42

中科院昆明动物研究所张研究员带领的中外联合研究团队，揭示了蚁群与多细胞生物在发育和进化上的相似性，为蚁群被视为超有机体的理论找到了证据支持。

中科院昆明动物研究所张研究员带领的中外联合研究团队，揭示了蚁群与多细胞生物在发育和进化上的相似性，为蚁群被视为超有机体的理论找到了证据支持。相关研究成果近日在线发表在国际学术期刊《自然-生态与演化》上。

生命的进化充满了从简单到复杂的变化，比如从单细胞生物到多细胞生物，从独立生活的个体到高度分工的社会群体。一些社会性昆虫，如蜜蜂、黄蜂、蚂蚁、白蚁等，因其明确的社会分工和高度有序的社会组织而受到生物学家和社会学家的关注，被命名为超个体或超个体。在这个概念下，整个群体被比作多细胞生物。作为生殖等级，蚁后被视为超个体的生殖细胞，工蚁等劳动等级被视为超个体的体细胞。这个理论虽然提出了几百年，但一直停留在假设阶段，没有确凿的证据。对于蚁群在发展过程中是如何形成超个体的，我们知之甚少。

张领导的中外联合研究团队通过结合超个体假说和表观遗传学模型，发现在蚂蚁等级分化初期，蚁后和工蚁虽然没有外在形态差异，但其基因调控网络却完全不同。本研究以法老蚁和切叶蚁为模式物种，对蚂蚁不同发育阶段的微RNA进行测序，分析蚂蚁个体发育分化的表达模式。研究表明，随着时间的推移，蚁后和工蚁的基因表达差异逐渐增大，而同一等级个体之间的基因表达越来越相似。这一现象与Waddington在1940年提出的表观遗传模型是一致的。这一发现意味着蚁后和工蚁的等级分化类似于细胞分化，它们的形态发育会被限制在一个特定的分化通道(通道化)中，向一个特定的目标前进。

根据研究人员的说法，蚁后和工蚁之间的通道化差异基因的功能可以很好地解释不同类型蚂蚁所执行的社会功能。蚁后婚后负责繁殖，其通道化基因多在翼肌细胞和卵巢中表达；工蚁负责觅食、照顾幼虫等日常蚁巢维护工作，其通道化基因在大脑中的表达更多。这说明蚁后和工蚁的基因表达不再是为了自身的生存，而是为了整个蚁巢的繁衍。这说明自然选择使得基因在蚁巢中的表达不再是个体层面的适应，而是超个体层面的适应。

此外，研究还发现，不同物种之间工蚁的发育转录组差异很大，而蚁后的发育转录组更相似，相应地，同一物种内的工蚁比蚁后的发育转录组更多样。这表明蚁后的发展比工蚁更加保守和通道化。此外，该研究还发现了一个最重要的通道化基因Freja，它只在女王卵巢中特异表达。幼虫期击倒Freja后，蚁后的体型明显变小，翅膀发育异常，形态更类似工蚁。Freja敲除成年蚁后后，卵发育受阻。这表明Freja在蜂王发育过程中对维持体型和翅表型起着关键作用，在成年蜂王的卵发育和卵巢功能维持中也起着重要作用。这表明通道化基因与蚂蚁等级分化中等级特征的发展和维持有关，而m

研究人员表示，蚂蚁是研究生物社会行为和超有机体构成的模式群体。通过研究蚂蚁的进化和发展，为蚂蚁作为超有机体找到了更直接的证据，发现了超有机体与多细胞生物的相似之处。蚂蚁个体发育和分化为不同等级的过程也遵循Waddington描述的表观遗传调控模型。本研究建立了一套计算分析方法，可以定量比较Waddington所描述的生物分化的通道化效应，从而评估各基因的自然选择压力和发育约束，找出蚂蚁发育中调节分工的重要调控基因。研究蚂蚁社会性的形成机制，可以为研究生命复杂性的进化和发展规律提供新的思路。

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