基因变异实验揭晓蚂蚁如何形成高效群体行为能力

2017-08-17 11:31:44  来源:新浪科技  编辑:

        【每日科技网】

 蚂蚁通讯最重要的信息素是烃类化合物,它们可实现物种信息传递、识别生殖状况。这些信息素信号可通过蚂蚁触角上的多孔感知毛发进行探测。
蚂蚁通讯最重要的信息素是烃类化合物,它们可实现物种信息传递、识别生殖状况。这些信息素信号可通过蚂蚁触角上的多孔感知毛发进行探测。  据国外媒体报道,蚂蚁工作严格,执行力高效,它们之间组织起来共同完成特殊任务,例如:觅食、防御掠食者、建造地下隧道等。而完成这些工作需要大量的协调配合和高效沟通。为了探索蚂蚁高效执行系统的进化根源,美国洛克菲勒大学研究人员培育了首批转基因蚂蚁,修改了蚂蚁感知信息素的基因,这种信息素可用于实现蚂蚁彼此之间的通讯。最终,蚂蚁的群体行为能力严重缺失,很难在群体中幸存下来,这项研究揭示了蚂蚁群体进化的一个关键因素,并证实蚂蚁基因组编辑的可行性和实用性。

  洛克菲勒大学群体进化和行为实验室主管丹尼尔·克罗瑙尔(Daniel Kronauer)说:“众所周知,蚂蚁语言是通过信息素产生的,但是目前我们更了解信息素是如何被感知的。蚂蚁之间的互动方式与单独行动生物有着本质上的差别,基于这些发现,我们能够更多掌握到基因进化,从而使蚂蚁创造出组织结构化群体。”
  群体行为
  蚂蚁通讯最重要的信息素是烃类化合物,它们可实现物种信息传递、识别生殖状况。这些信息素信号可通过蚂蚁触角上的多孔感知毛发进行探测,这些多孔感知毛发包含着气味受体——识别特殊化学物质并将信号传送至大脑的蛋白质。
  在克罗瑙尔的实验室里,负责人研究生肖恩·麦肯齐(Sean McKenzie)指出,叫做“9-exon-alpha ORs”的一组气味受体基因,负责感知Ooceraea biroi蚂蚁物种的烃类化合物。这项研究报告发表在近期出版的《美国国家科学院院刊》上。
  同时,麦肯齐和同事还研究了相关昆虫的基因,确定“9-exon-alpha ORs”气体受体基因出现在物种进化过程中,发现在相对较短的进化时间表中,这是一个巨大的重复基因,然而蜜蜂和蚂蚁的祖先物种仅有1-3个“9-exon-alpha ORs”基因,但是Ooceraea biroi蚂蚁却拥有大约180个“9-exon-alpha ORs”基因。
  该基因的快速增多与复杂的群体行为进化同时出现,意味着气体受体基因的复制对蚂蚁的交流发展是至关重要的。
  通讯中断
  为了进一步剖析气味受体基因在蚂蚁沟通交流和群体行为中的作用,克罗瑙尔在实验室破坏了“orco”基因,研究人员引入了CRISPR基因操作技术,使蚂蚁很容易产生基因突变,但是这项研究的挑战在于让基因突变蚂蚁幸存下来。
  研究生华林·特里布尔(Waring Trible)是实验参与者,他指出,我们必须确定蚂蚁种群接受这种基因突变,如果该条件不正确,工蚁会停止照顾幼蚁,并摧毁它们。一旦蚂蚁成功进入成年阶段,我们就会发现它们的行为也立即发生了变化。
  蚂蚁通常是纵队排列行进,通过探测前面蚂蚁留下的信息素感知路线方向。研究人员使用自动化系统跟踪颜色编码蚂蚁,并分析蚂蚁运动的算法,最终他们发现基因突变的蚂蚁不能排队行进。这项发现表明,缺少气味受体对信息素检测和群体组织行为是至关重要的。
  特里布尔指出,缺少气味受体也将改变蚂蚁大脑的形状,这是非常令人吃惊的。因为其它昆虫大脑解剖结构并不受到“orco”基因突变的影响,例如:果蝇。我们研究发现蚂蚁与其它昆虫存在本质差异,它们需要功能性气味受体基因促进大脑的正常发育,这表明了感知气味对于蚂蚁的重要性,但是对于其它昆虫则不这样重要。
  目前,实验室能够制造出变异蚂蚁,克罗瑙尔有一个基因列表可以进行探索分析,其中包括那些与群体之间分工有关的基因,克罗瑙尔说:“我们成功地提取一个基因,然后把一个基因放入其中,我们有一个全新的知识领域需要探索。”

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