Исследование супергенов раскрывает тайну крошечных муравьиных королев

Муравьиная колония поддерживается сложной социальной динамикой, где каждый член — королева, самцы и рабочие (стерильные самки) — вносит вклад в сообщество. Некоторые виды усложняют эту динамику, добавляя в неё довольно маленьких королев.

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде выяснили, почему эти дополнительные королевы присутствуют, сосредоточившись на сложных генетических структурах — супергенах — в сообществе. Эти супергены контролируют происхождение и появление маленьких королев у одного вида муравьёв. Результаты их исследования опубликованы в декабрьском номере журнала Current Biology.

"Мы были заинтригованы крошечными королевами, — сказала старший автор Джессика Пёрселл, доцент кафедры энтомологии UCR. — Это отличная система (колонии муравьёв с несколькими королевами) для изучения эволюции супергенов, которые существуют у многих типов организмов".

Супергены различаются по размеру, но состоят из кластера генов на одной хромосоме, которые связаны между собой. Суперген подавляет рекомбинацию — обычное перемешивание генов во время деления клетки — и передаёт и сохраняет архитектуру супергена из поколения в поколение. Эти мега-гены связаны с признаками, или фенотипами, проявляемыми многими организмами, включая миграционные модели у рыб и птиц и количество королев в муравьиной колонии.

Исследователи сосредоточились на маленьких королевах у одного вида муравьёв, Formica cinerea, который распространён по всей Европе, от Испании до Западной Сибири и от Скандинавии до Балкан.

Исследовательская группа идентифицировала наличие двух супергенов, которые увеличивают количество королев в колонии и контролируют их размер.

Королева — самая важная и крупная особь в колонии. У неё есть крылья, и она может улететь, но её основная роль — откладывать яйца для выращивания поколений рабочих, самцов и своей преемницы. Рабочие живут около шести месяцев и проводят время в поисках пищи и заботе о потомстве. Самцы живут меньше; они редко покидают колонию и спариваются один раз с будущей королевой.

Крошечные королевы получают свою особенность от супергена, который сформировался около 23 миллионов лет назад и определяет, будет ли в колонии одна или несколько королев. Исследователи обнаружили ещё один суперген, ответственный за размер муравья. Два супергена вместе производят дополнительных королев, которые на 20% меньше, чем типичная муравьиная королева.

Это сочетание может оказывать значительное влияние на колонию.

"Муравьи — социальные насекомые и создают огромные колонии, где члены гнезда связаны родством, и колонии хорошо работают вместе, чтобы вырастить своих родственников, — сказала Джулия Скарпаро, постдокторант-энтомолог и первый автор исследования. — В полигинной (многокоролевской) колонии степень родства между членами гнезда ниже. Присутствие многих неродственных особей может привести к репродуктивным конфликтам среди рабочих".

Исследователи предполагают, что конфликты, возникающие из-за этих объединённых супергенов, могут помочь колонии расширяться и выживать.

Создание независимой колонии требует, чтобы королева улетела в новое место и использовала запасы своего тела, содержащиеся в мышцах крыльев и телесном жире, чтобы вырастить первое потомство рабочих. Эта стратегия рискованна и может привести к гибели королевы, а вместе с ней и колонии.

Крошечные королевы не имеют энергетических резервов для создания новой колонии, но они могут присоединиться к существующим колониям. Это поднимает новые вопросы относительно продолжающегося сотрудничества между группами, которые не связаны генетически.

"Обнаружение супергенов, связанных с микрогинами (маленькими королевами), — это первое открытие такого рода, — сказала Скарпаро. — Мы думаем, что такие королевы могут быть социальными паразитами — социальными насекомыми, которые используют преимущества других социальных насекомых. Микрогины могут быть хорошей отправной точкой для понимания эволюции социального паразитизма, и, возможно, именно суперген движет этим образом жизни".