Science:首次破译疯狂蚂蚁“黄疯蚁”的奇怪基因组

黄疯蚁(Anoplolepis gracilipes)得名于它们在受到干扰后所做的慌乱动作。

研究人员在4月6日发表在《Science》杂志上的一项研究报告中称,称这些入侵蚂蚁为疯狂还有另一个原因:雄性蚂蚁是两种敌对细胞谱系的混合体。其他生物有时也会形成这样的嵌合体——通常是一种发育事故——但黄疯蚁是已知的第一种将这种特性作为生命基本方面的动物。

黄疯蚁(Anoplolepis gracilipes)是一种臭名昭著的入侵物种,主要分布在东南亚和大洋洲,威胁着无脊椎动物甚至一些小哺乳动物。在澳大利亚爪哇南部的圣诞岛,蚂蚁大量捕杀了该地区特有的红蟹。

关于蚂蚁怪异生物学的第一个线索来自于对它们基因组中散布的遗传标记的研究。雄性似乎携带了许多遗传标记的两个版本。这是一个令人困惑的特征,因为在大多数蚂蚁物种中,雄性蚂蚁是由未受精卵发育而来,因此只有一个基因组副本。

一些蚂蚁物种偶尔会有“二倍体”雄性,有两个基因组副本,但这些雄性通常是不育的。德国美因茨约翰内斯·古登堡大学的进化生物学家Hugo Darras说:“这个物种的所有雄性都是二倍体,这真的很奇怪。这完全说不通。”


基因组拷贝

为了确定发生了什么,Darras和他的同事分析了从东南亚收集的黄疯蚁的单个细胞。这表明每个雄性细胞只包含蚂蚁基因组的一个版本。但是细胞之间的基因组是不同的。有些细胞拥有存在于蚁后中的谱系,由“R”染色体定义,而其他细胞则携带不同基因组的单独副本,具有“W”染色体。

蚁后的细胞中有两个W基因组的副本,而不育的雌性工蚁的每个细胞中每个谱系都有一个副本。Darras的团队发现,雄性的嵌合体在蚂蚁的种姓制度中起着至关重要的作用。

所有蚁后的卵都携带一份R基因组。如果这个卵子与具有R基因组的精细胞受精,就会产生一个蚁后。然而,如果卵子与W型精子受精,有两种可能的结果。如果两个含有基因组的细胞核融合,就会形成二倍体工蚁。如果细胞核不融合,卵子就会发育成一个嵌合的雄性,一些细胞携带R基因,另一些细胞携带W基因。

“这太棒了,”新西兰惠灵顿大学的应用生态学家Monica Gruber说。她与人合著了2013年的一项研究,提出了雄性嵌合体的可能性。“他们终于解开了让我在博士学位的大部分时间里无法入睡的谜团。”

Kronauer说,疯黄蚁的嵌合体可能有助于该物种逃避生态系统的能力。蚁后有专门的器官来储存来自多个雄性的精子。这意味着一个单独的储存R和W精子的蚁后可以开始一个新的蚁群。澳大利亚凯恩斯詹姆斯库克大学的生态学家Lori Lach想知道,研究人员是否可以利用它们奇特的生物学特性来防止小蚂蚁种群变成大蚂蚁种群。

但这一发现提出的问题和它回答的问题一样多。目前还不清楚为什么一些精子的核无法与卵子核融合,从而产生嵌合雄性。Darras说,W系细胞中的基因可能起到一定作用,而这种细胞在精子中比例过高。“我们不知道的东西太多了。”


参考文献

Massively parallel characterization of engineered transcript isoforms using direct RNA sequencing

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