Климат определяет гонку вооружений между муравьями и их социальными паразитами
Два новых исследования показывают, как климат влияет на поведение, коммуникацию и эволюцию генома, управляя адаптацией в затяжном конфликте.
Битва между муравьями-хозяевами и их социальными паразитами сильно зависит от климата. Температура и влажность формируют поведение, коммуникацию и даже эволюцию муравьёв, причём хозяин и паразит используют разные генетические стратегии. К такому выводу пришли авторы двух недавних исследований из Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце и Исследовательского центра биоразнообразия и климата Зенкенберга, объединивших поведенческие эксперименты с современным геномным анализом.
«Климат явно лучше объясняет вариации в поведении хозяина и паразита, чем сама распространённость паразита», — говорит профессор Сюзанна Фойцик, старший автор обоих исследований.
В первом исследовании, опубликованном в Journal of Evolutionary Biology, команда изучила паразита — так называемого «муравья-рабовладельца» Temnothorax americanus и его хозяина Temnothorax longispinosus. Социальный паразит вторгается в гнёзда хозяев и крадёт их расплод, который позже вырастает и работает на колонию паразита.
Исследователи сосредоточились на том, как поведение и химическая коммуникация муравьёв различаются в разных климатических условиях. Сравнив 10 природных популяций вдоль 1000-километрового градиента север-юг в США, они обнаружили, что климат влияет на конфликт сильнее, чем локальная частота паразитических колоний.
Различия в агрессии
«Популяции хозяев и паразитов различаются по агрессии, активности набегов и химическим профилям, и эти различия следуют градиенту температуры и влажности», — объясняет первый автор доктор Эрван Коллен.
«В более тёплых и сухих регионах муравьи-хозяева проявляли меньшую агрессию и чаще уносили свой расплод, а не защищали гнездо. Социальные паразиты из этих регионов, напротив, были более активны и агрессивны во время набегов». В более прохладных и влажных северных локациях наблюдалась противоположная картина: хозяева яростно защищали гнёзда, а паразиты вели себя осторожнее.
Химическая коммуникация также систематически менялась в зависимости от местных климатических условий — в частности, кутикулярных углеводородов, восковых поверхностных химических веществ, которые муравьи используют для распознавания сородичей и предотвращения высыхания. Поскольку все колонии содержались в идентичных лабораторных условиях в течение года до тестирования, эти различия отражают эволюционные, долгосрочные адаптации, а не краткосрочные реакции на среду.
Генетические адаптации к климату
Во втором исследовании, опубликованном в Molecular Biology and Evolution, изучалась генетическая основа этих климатически зависимых различий в признаках. Используя передовые молекулярные методы — полногеномное секвенирование и транскриптомику (анализ активных генов), — исследователи изучили, как естественный отбор формирует геномы популяций хозяина и паразита вдоль того же климатического градиента.
«Мы обнаружили "географическую мозаику коэволюции": популяции паразитов различались между регионами сильнее, чем популяции хозяев», — объясняет доктор Маиде Мачит, первый автор исследования. «Несмотря на эти различия, два родственных вида демонстрируют сходные генетические адаптации к климату, включая гены, участвующие в устойчивости к стрессу и высыханию». Однако их реакции на конфликт «хозяин-паразит» сильно разошлись.
У муравьёв-хозяев эволюция затронула гены, участвующие в передаче сигналов и химическом восприятии, — те, что помогают им обнаруживать и защищаться от вторгающихся паразитов. Несколько таких генов показали явные признаки отбора, навязанного социальным паразитом. Хотя эти гены обычно продуцируют иммунные белки для борьбы с микробами, здесь они, по-видимому, используются против другого врага: другого вида муравьёв. У паразита эволюция, напротив, воздействовала на регуляторные гены, контролирующие координацию и проведение набегов.
Меняющиеся способы защиты
Анализ экспрессии генов (показывающий, какие гены активно включены) дополнительно подчеркнул разницу в реакциях двух видов. «У хозяев активность генов в основном отражала распространённость паразитических колоний в каждом районе, тогда как у паразитов она гораздо сильнее зависела от местного климата», — объясняет доктор Барбара Фельдмайер, соавтор исследования.
«Мы также обнаружили, что вариации в химических профилях связаны не только с генетическими изменениями в ферментах, которые их производят, но и с изменениями в генах обонятельных рецепторов — белков, позволяющих муравьям воспринимать химические сигналы». Эта картина показывает, насколько центральными для конфликта являются химическая коммуникация и распознавание, и что эволюция постоянно действует на эти признаки по мере адаптации хозяев и паразитов друг к другу.
Вместе два исследования предлагают одну из наиболее комплексных на сегодняшний день перспектив того, насколько сильно условия окружающей среды и биологический конфликт формируют эволюцию в разных ландшафтах. «Системы "хозяин-паразит" — это классические эволюционные гонки вооружений, — говорит Фойцик. — Поскольку оба вида полагаются на химическую коммуникацию для распознавания друг друга, их взаимодействие представляет собой мощную основу для будущих исследований молекулярной коэволюции».