Раскрытие эволюции различий между матками и рабочими муравьями
Матка и рабочие муравьи развиваются из одного набора генов, но выполняют совершенно разные экологические роли. Как одни и те же гены приводят к двум типам особей — остаётся загадкой. Ранее учёные изучали лишь небольшое число видов муравьёв, чтобы понять природу этих различий. Однако команда из Окинавского института науки и технологий (OIST) совместно с Университетом Хельсинки и другими коллабораторами со всего мира недавно проанализировала большой набор данных по 16 видам, что даёт новое представление о различиях между матками и рабочими.
Вместо того чтобы перечислять конкретные гены, которые проявляют себя по-разному (дифференциально экспрессируются) у маток и рабочих, команда искала гены со сходными паттернами экспрессии в разных образцах, которые могут быть вовлечены в поддержание структурных, поведенческих и функциональных различий. Результаты недавно опубликованы в Genome Biology.
Команда под руководством профессора OIST Александра Михеева и доктора Клэр Моранден собрала маток и рабочих и секвенировала транскриптом — полный набор молекул матричной РНК (mRNA) — у 16 видов муравьёв. Это позволило создать ко-экспрессионную сеть из 36 наборов генов, представляющих группы генов со сходной экспрессией. Это крупнейший на сегодня набор данных для изучения экспрессии генов у общественных насекомых, дающий представление об эволюции экспрессии генов у муравьёв.
«Муравьи возникли более 100 миллионов лет назад, — сказал Михеев. — Они примечательны своим разнообразием признаков и адаптаций, многие из которых эволюционировали параллельно у разных видов».
Почти все выявленные наборы генов были связаны либо с признаками маток, либо с признаками рабочих. Результаты показывают, что структурные и функциональные различия между ними возникают из-за дифференциальной экспрессии эволюционно консервативных наборов генов, то есть генов, которые в основном одинаково экспрессируются в ходе эволюции у всех видов муравьёв. Иными словами, не один конкретный ген, а взаимодействия между наборами генов могут объяснять различия между кастами.
«Наши результаты подчёркивают важность экспрессии генов для эволюции признаков, — отметил Михеев. — В частности, следует учитывать не только отдельные гены, но и то, с какими другими генами они взаимодействуют».
Удивительно, но эти консервативные наборы генов также были связаны с несколькими другими биологическими признаками, которые эволюционировали у муравьёв многократно: количество маток в колонии, инвазивность вида и степень стерильности рабочих. Это позволяет предположить, что консервативные генетические модули могут быть вовлечены в развитие или параллельную эволюцию признаков муравьёв.
Эти данные важны не только для понимания того, как различия между кастами возникают через взаимодействия генов, но и для изучения эволюции муравьёв и экспрессии генов в целом.
«В этом исследовании мы также демонстрируем, какой нетрадиционный геномный подход может быть применён в экологии и эволюции, — сказала Моранден. — Эта методика будет полезна для других исследований, направленных на установление связи между экспрессией генов и внешними физическими признаками».