基因變異實驗揭曉螞蟻如何形成高效群體行為能力

　　2017年08月17日 08:55 新浪科技

　　

　　螞蟻通訊最重要的信息素是烴類化合物，它們可實現物種信息傳遞、識別生殖狀況。這些信息素信號可通過螞蟻觸角上的多孔感知毛髮進行探測。

　　新浪科技訊 北京時間8月17日消息，據國外媒體報道，螞蟻工作嚴格，執行力高效，它們之間組織起來共同完成特殊任務，例如：覓食、防禦掠食者、建造地下隧道等。而完成這些工作需要大量的協調配合和高效溝通。為了探索螞蟻高效執行系統的進化根源，美國洛克菲勒大學研究人員培育了首批轉基因螞蟻，修改了螞蟻感知信息素的基因，這種信息素可用於實現螞蟻彼此之間的通訊。最終，螞蟻的群體行為能力嚴重缺失，很難在群體中倖存下來，這項研究揭示了螞蟻群體進化的一個關鍵因素，並證實螞蟻基因組編輯的可行性和實用性。

　　洛克菲勒大學群體進化和行為實驗室主管丹尼爾·克羅瑙爾（Daniel Kronauer）說：「眾所周知，螞蟻語言是通過信息素產生的，但是目前我們更了解信息素是如何被感知的。螞蟻之間的互動方式與單獨行動生物有著本質上的差別，基於這些發現，我們能夠更多掌握到基因進化，從而使螞蟻創造出組織結構化群體。」

　　群體行為

　　螞蟻通訊最重要的信息素是烴類化合物，它們可實現物種信息傳遞、識別生殖狀況。這些信息素信號可通過螞蟻觸角上的多孔感知毛髮進行探測，這些多孔感知毛髮包含著氣味受體——識別特殊化學物質並將信號傳送至大腦的蛋白質。

　　在克羅瑙爾的實驗室里，負責人研究生肖恩·麥肯齊（Sean McKenzie）指出，叫做「9-exon-alpha ORs」的一組氣味受體基因，負責感知Ooceraea biroi螞蟻物種的烴類化合物。這項研究報告發表在近期出版的《美國國家科學院院刊》上。

　　同時，麥肯齊和同事還研究了相關昆蟲的基因，確定「9-exon-alpha ORs」氣體受體基因出現在物種進化過程中，發現在相對較短的進化時間表中，這是一個巨大的重複基因，然而蜜蜂和螞蟻的祖先物種僅有1-3個「9-exon-alpha ORs」基因，但是Ooceraea biroi螞蟻卻擁有大約180個「9-exon-alpha ORs」基因。

　　該基因的快速增多與複雜的群體行為進化同時出現，意味著氣體受體基因的複製對螞蟻的交流發展是至關重要的。

　　通訊中斷

　　為了進一步剖析氣味受體基因在螞蟻溝通交流和群體行為中的作用，克羅瑙爾在實驗室破壞了「orco」基因，研究人員引入了CRISPR基因操作技術，使螞蟻很容易產生基因突變，但是這項研究的挑戰在於讓基因突變螞蟻倖存下來。

　　研究生華林·特裡布爾（Waring Trible）是實驗參與者，他指出，我們必須確定螞蟻種群接受這種基因突變，如果該條件不正確，工蟻會停止照顧幼蟻，並摧毀它們。一旦螞蟻成功進入成年階段，我們就會發現它們的行為也立即發生了變化。

　　螞蟻通常是縱隊排列行進，通過探測前面螞蟻留下的信息素感知路線方向。研究人員使用自動化系統跟蹤顏色編碼螞蟻，並分析螞蟻運動的演演算法，最終他們發現基因突變的螞蟻不能排隊行進。這項發現表明，缺少氣味受體對信息素檢測和群體組織行為是至關重要的。

　　特裡布爾指出，缺少氣味受體也將改變螞蟻大腦的形狀，這是非常令人吃驚的。因為其它昆蟲大腦解剖結構並不受到「orco」基因突變的影響，例如：果蠅。我們研究發現螞蟻與其它昆蟲存在本質差異，它們需要功能性氣味受體基因促進大腦的正常發育，這表明了感知氣味對於螞蟻的重要性，但是對於其它昆蟲則不這樣重要。

　　目前，實驗室能夠製造出變異螞蟻，克羅瑙爾有一個基因列表可以進行探索分析，其中包括那些與群體之間分工有關的基因，克羅瑙爾說：「我們成功地提取一個基因，然後把一個基因放入其中，我們有一個全新的知識領域需要探索。」（葉傾城）