Мутиляция и социальное определение каст у муравьёв Diacamma

Общественные насекомые, такие как муравьи, пчёлы и осы, демонстрируют организационную сложность — эусоциальность, где члены колонии действуют скорее как части целого, а не как независимые организмы. В колониях каждая особь выполняет определённые задачи в зависимости от касты: репродуктивной или рабочей. У многих видов репродуктивная роль определяется на ранних стадиях развития. Однако у некоторых видов, например, у коренных для Окинавы муравьёв рода Diacamma, почти нет внешних различий между рабочими и репродуктивной кастой. Такие виды называют «бескоролевыми», хотя социальная иерархия с обеими кастами существует.

«В отличие от большинства видов муравьёв, где способность к размножению определяется в ходе раннего развития, Diacamma демонстрируют необычную биологию: каждая самка имеет потенциал стать частью репродуктивной касты до ранней взрослой стадии», — объясняет профессор Александр Михеев, руководитель подразделения экологии и эволюции в OIST.

Когда взрослые самки Diacamma только выходят из куколки, у них есть пара крылоподобных структур — жемма (gemmae). Любая самка, сохранившая жеммы, может размножаться. Однако правящая репродуктивная самка (гамергат) атакует молодых муравьёв и отгрызает жеммы. Это насильственное увечье лишает самок возможности развить яичники, вызывая необратимое бесплодие. Бесплодные самки становятся рабочими. Если же гамергата нет, молодые самки сохраняют жеммы и входят в репродуктивную касту.

Учёные из OIST в сотрудничестве с исследователями из Университета Рюкю и Токийского университета изучили, как эта мутиляция влияет на муравьёв на молекулярном уровне. Они собрали колонии Diacamma в разных местах Окинавы и изучили паттерны экспрессии их генов.

«Мы хотели сравнить экспрессию генов у изувеченных и неизувеченных муравьёв на одной стадии развития, чтобы увидеть, какие гены определяют дифференциацию каст», — описывает Михеев. — «Затем мы могли сравнить паттерны экспрессии генов между разными кастами у Diacamma и у других видов, чтобы выяснить эволюционное происхождение эусоциальности».

Исследование, опубликованное в Molecular Ecology, показало, что лишь небольшое количество генов отличает репродуктивную касту от рабочей, в основном гены, связанные с питанием. Это указывает на то, что повышенные энергетические потребности репродукции могут быть фактором в эволюции эусоциальности.

Некоторые из этих генов также влияют на определение каст у других видов, таких как пчёлы, осы и другие муравьи, хотя обычно на стадии развития. Подразделение экологии и эволюции OIST планирует использовать эти результаты для дальнейшего изучения эволюционного происхождения эусоциальности. «Мы проводим последующее исследование, сравнивая профили экспрессии генов в ходе развития у муравьёв и медоносных пчёл, чтобы изучить параллели в том, как касты неоднократно эволюционировали», — говорит Михеев.