阐明社会寄生虫蚂蚁的进化

蚂蚁被称为勤奋的人，不知疲倦地完成分配的任务——觅食、培育幼虫、挖掘隧道、整理巢穴。但事实上，有些人完全是外行。这些稀有物种被称为无工人的社会寄生虫，只作为女王存在，它们在没有工人照顾它们的情况下死亡。为了生存，寄生蚂蚁会潜入一个由密切相关的蚂蚁组成的群体中，在那里，只要它们的数量保持相对较低，它们和它们的后代就会成为蚁群的休闲阶层。

长期以来，人们一直认为，这些坚定懒惰的昆虫很可能在孤立的环境中通过一系列突变一个接一个地进化出它们的女王特征。现在，洛克菲勒大学社会进化与行为实验室的科学家与哈佛大学的合作者一起，有了一个新的理论。正如他们在Current Biology上报道的那样，他们发现了类似女王的突变体 - 寄生蚂蚁自发出现在克隆掠夺蚁群中，这些蚁通常是无女王的。

“这种突变体就像其他寄生物种的前体，”该研究的第一作者Waring Trible说。“这是一种理解蚂蚁如何进化成为社会寄生虫的新方法。

深入研究这些独特蚂蚁的遗传学可能是更好地了解种姓分化背后的分子机制的一种方式，或者蚂蚁如何发展成为工人或女王，这仍然未知。它还可以帮助阐明生物体的一般生物发育。

隐藏在众目睽睽之下

在超过15，000种已确定的蚂蚁物种中，有数百种符合社会寄生虫的条件。寄生蚁出生在宿主群体内，会离开宿主群体，使用性信息素吸引来自另一个群体的雄配，一旦怀孕，就会潜入原始群体或在附近找到另一个。

她经常使用诡计偷偷溜过殖民地守卫。例如，洗发水蚁会在巢穴入口外抢走几只蚂蚁，舔它们以获得蚁群标志性的化学气味，然后舔遍自己，将其转移到自己的身体上。在化学隐身的情况下，她可以溜进去过她的生活，并繁殖新的女王和在殖民地外交配的雄性。雄性死亡，女王再次开始循环。

由于它们的独特性，自查尔斯·达尔文以来，生物学家对它们进行了广泛的研究，在关于它们的进化的流行理论中仍然存在一个症结，洛克菲勒大学斯坦利S.和悉尼R.舒曼副教授丹尼尔克罗瑙尔说，实验室负责人。

它们与宿主密切相关，但如果它们必须随着时间的推移获得这些寄生性状，则需要在繁殖过程中将其隔离，否则与宿主杂交会洗掉它们的独特性状。但是没有人在野外发现中等进化的蚂蚁 - 具有一些社会寄生虫特征但没有其他特征的蚂蚁，Kronauer说。

2015年，当女王般的蚂蚁突然出现在Kronauer实验室的克隆掠夺蚁中时，正在寻求研究种姓分化背后的遗传机制的Trible注意到了。由于克隆掠夺者蚂蚁通常没有蜂王并且无性繁殖，因此女王般的突变体脱颖而出：它们出生时有翅膀，更大的眼睛和卵巢，成年后对分娩表现出普遍的漠不关心。

但事实证明，它们并不是什么新鲜事——它们多年来一直躲藏在密集的殖民地中，这些殖民地的数量掩盖了它们的存在。基因分析显示，它们已经在首次被发现它们的蚁群内变异而存在 - Kronauer于2008年在冲绳收集的一个正常蚂蚁群落，并且仍然生活在实验室中。这是一个线索，寄生虫蚂蚁入侵的典型故事可能需要重新思考。

研究人员随后进行了一系列实验和遗传分析。第一个实验是分离它们，看看表型是否可遗传。由于克隆掠夺蚁是无性繁殖的，因此它们不必担心与其他蚂蚁杂交。

像女王一样的变种人产卵，这些卵发育成自己的复制品。“我们知道我们有一些很酷的东西，”Kronauer说。

他们还测试了行为。完全由女王般的突变体组成的觅食队只有工蚁的一半大小，而且它们试图招募其他蚂蚁来追踪食物的可能性要小得多。这些行为是工蚁勤劳和蚁后依赖之间的一种中介，让变异蚂蚁避开了离开蚁群安全所固有的危险。

尽管产下的卵是宿主的两倍，但蚂蚁会自我调节头部数量。只要他们的人数保持在东道国人口的25%以下，他们就做得很好。不仅如此，他们遇到了麻烦。蜂王需要工人的帮助才能在它们从蛹中出来时释放它们的翅膀，如果蜂王太多需要工人照顾，它们就会被蛹皮缠住而死。

“它们似乎有能力调节自己的繁殖，这样它们就不会驱使宿主群体灭绝，这对寄生虫来说是一件非常聪明的事情，”Trible说，他是Kronauer实验室的前成员，现在在哈佛大学经营自己的实验室研究这些和其他突变体。“这为这些突变体提供了长期生存的能力。

荷尔蒙的影响

全基因组测序显示，寄生蜂王在13号染色体上有一个突变，这在结构上类似于调节其他蚁群社会结构的染色体。这种突变染色体似乎包含一个“超基因”，一组共同作用以产生表型的基因。在这种情况下，超基因包含200多个单独的基因，其中不成比例的数量有助于激素的代谢。

这些包括编码细胞色素p450酶的基因，这些酶是合成蚂蚁和人类激素所必需的，并且可能在这些非常不寻常的突变体的产生中发挥作用。(任何被警告在服用某些药物时不要喝葡萄柚汁的人都可能熟悉这种酶家族，因为果汁会抑制酶解毒药物。

看来，通过这种单一突变，“它们的形式，更高的产卵量，行为 - 它都可以在一个突变步骤中发生变化，”Kronauer说。

如果是这样的话，Trible说，“这将是一种实际上有可能从正常蚂蚁变成单个物种中的寄生虫的方法。

这种想法——一种非常不同形式的动物可以在一个物种中出现——抓住了蚂蚁种姓之谜的核心。由于无工人的社会寄生虫起源于影响蚂蚁种姓发育的非常特殊类型的突变，因此研究女王状突变体有可能揭示仍然未知的分子机制，这些机制允许蚂蚁幼虫发展出不同的种姓形态。“它提供了一个非常全面的框架来研究它们的演变，”Kronauer说。

尺寸很重要

Trible说，这些发现还可能导致对包括人类在内的所有动物中发生的称为异速生长缩放的重要发展过程的进一步研究。异速生长使生物体的组织在生长过程中与其体型成正比。

它的机制尚不清楚，但理解它们可能与人类生物学的许多方面有关，包括疾病，Trible说。也许女王般的变种人可以提供新的调查途径。“我们没有果蝇或小鼠突变或人类遗传疾病以如此戏剧性的方式打破异速生长缩放的好例子，”他说。

“我们认为这种女王般的突变体将成为理解种姓发展的有力工具，而种姓发展反过来又是研究这些关于异速生长缩放如何工作的更大问题的理想模型。

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