Исследование супергенов разгадает тайну крошечных муравьиных королев

Колония муравьев поддерживается сложной социальной динамикой, где каждый член — королева, самцы и рабочие (стерильные самки) — вносят свой вклад в более широкое сообщество. Некоторые виды усложняют эту динамику, добавляя довольно маленьких маток.

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде выяснили, почему существуют эти дополнительные королевы, сосредоточив внимание на сложных генетических структурах, называемых супергенами, в популяции. Эти супергены контролируют возникновение и размножение молодых маток у одного вида муравьев. Результаты исследования опубликованы в декабрьском номере журнала. Текущая биология.

«Мы были заинтригованы маленькими королевами», — сказала ведущий исследователь Джессика Перселл, доцент кафедры энтомологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Это замечательная система (муравьиные колонии с несколькими королевами) для изучения эволюции супергенов, которые встречаются у многих видов организмов».

Супергены различаются по размеру, но состоят из группы генов, связанных с одной и той же хромосомой. Суперген подавляет рекомбинацию — обычное перемешивание генов во время деления клеток — а также передает и поддерживает структуру супергена из поколения в поколение. Эти крупные гены связаны с признаками или фенотипами, выраженными у многих организмов, включая модели миграции рыб и птиц, а также количество маток в колонии муравьев.

Хотя это не характерно для всех муравьиных колоний, Перселл и ее коллеги сосредоточили внимание на маленьких королевах одного вида муравьев, Formica cinerea, который распространен по всей Европе, простираясь от Испании до Западной Сибири и от Скандинавии до Балкан. Эти муравьи полезны и с радостью проводят дни, поедая пауков, клещей и даже сладкие фекалии тли.

Исследовательская группа выявила два супергена, которые увеличивают количество маток в колонии и контролируют ее размер.

Королева — самый важный и крупный муравей в колонии. У королевы есть крылья, и она может далеко летать, но ее основная роль — откладывать яйца, чтобы вырастали поколения рабочих, самцов и ее потомков. Рабочие живут около шести месяцев и проводят все это время в поисках еды и уходе за выводком. У самцов продолжительность жизни короче. Они редко покидают колонию и спариваются с будущей королевой только один раз.

Молодые королевы получают свою силу от супергена, который сформировался около 23 миллионов лет назад и определяет, будет ли в колониях одна матка или несколько маток. Исследователи нашли еще один суперген, отвечающий за размер муравьев. Вместе два супергена производят дополнительных королев, которые на 20% меньше, чем типичная королева муравьев.

Это спаривание может оказать существенное влияние на колонию.

«Муравьи являются социальными насекомыми и создают огромные колонии, члены которых связаны друг с другом, и колонии хорошо работают вместе, воспитывая своих родственников», — сказала Джулия Скарпаро, постдокторант энтомологии и первый автор исследования. «В полигинной (с несколькими матками) семье отношения между соседями по гнезду ниже. Присутствие многих неродственных соседей по гнезду может привести к репродуктивным конфликтам среди рабочих».

Исследователи предполагают, что конфликты, возникающие из-за этих объединенных супергенов, могут помочь колонии расшириться и выжить.

Для создания независимой колонии королеве необходимо перелететь в новое место и использовать резервы своего тела, обнаруженные в мышцах крыльев и жировых отложениях, для выращивания своего первого выводка рабочих. Эта стратегия рискованна и может привести к гибели королевы и колонии.

Молодым королевам не хватает запасов энергии, необходимых для создания новой колонии, но они могут присоединиться к уже существующим колониям. Это поднимает новые вопросы, которые следует рассмотреть относительно продолжающегося сотрудничества между группами, не связанными генетически.

«Открытие супергенов, связанных с мини-королевами, — первое открытие такого рода», — сказал Скарбарроу. «Мы думаем, что этот тип королевы может быть социальным паразитизмом – социальными насекомыми, которые используют других социальных насекомых. Микрогены могут стать хорошей отправной точкой для понимания эволюции социального паразитизма, и у нас может быть суперген, который управляет этим образом жизни».

В этом проекте к Перселлу и Скарбарроу присоединяются Алан Брэйлсфорд, доцент кафедры биологии, и Мари Баланшон, аспирантка лаборатории Перселла.

Статья называется «Социальный антагонизм способствует расширению супергенов у муравьев».