Генетические различия устанавливают порог размера королев и рабочих муравьев 

Фото из открытых источников

Для многих видов муравьёв каста определяет судьбу. Королевы вырастают крупными, отращивают крылья и откладывают яйца; рабочие муравьи остаются маленькими, бескрылыми и трудолюбивыми. Но как развиваются эти касты и как будущее молодого муравья определяется генетикой и окружающей средой, оставалось неясным.

Новое исследование показывает, что размер тела и каста идут рука об руку. Более крупные муравьи обычно становятся королевами, а более мелкие — рабочими, причём на рост муравья влияют как гены, так и окружающая среда. Однако результаты, опубликованные в PNAS, также предполагают, что пороговое значение для достижения статуса королевы определяется исключительно генетикой.

В разных колониях генетически разные муравьи одинакового размера, выращенные в одинаковых условиях, могут различаться по морфологии каст. Эти результаты показывают, что гены влияют не только на размер, но и на то, что этот размер означает для колонии. Два относительно небольших муравья могут иметь совершенно разную вероятность стать королевами.

«Одна из наших целей — понять, как функционирует сообщество насекомых», — говорит профессор Дэниел Кронауэр из Рокфеллеровского университета. «Изучение того, как дифференцируются особи в колонии, может дать нам понимание типов кастовых систем — от королев до рабочих и солдат, — которые могут развиваться у тысяч видов муравьев».

Королева — это не просто крупный рабочий муравей. Помимо более крупного тела, у королев обычно отрастают крылья, развивается более сложная зрительная система и крупные яичники для откладывания яиц, в то время как рабочие муравьи остаются бескрылыми, маленькими и обычно воздерживаются от размножения.

Такое разительное различие между генетически идентичными особями является классическим примером пластичности развития, и поэтому самки муравьев представляют собой прекрасную модель для изучения того, как один генотип может производить совершенно разные фенотипы.

Некоторые учёные предполагали, что размер тела может быть не связан с тем, становится ли муравей королевой. Эта теория имела смысл: у плодовых мушек, как и у других насекомых, физические характеристики, как правило, в некоторой степени регулируются факторами окружающей среды независимо от размера тела. Однако недавние исследования показали, что у муравьёв, в отличие от других насекомых, кастовые признаки всегда соответствуют размеру тела.

«Это горячо обсуждаемая тема, по крайней мере, среди биологов, изучающих муравьёв», — говорит соавтор исследования Патрик Пекарски. «Мы хотели решить этот вопрос, определив, можно ли отделить размер от таких факторов, как развитие яичников или глаз».

Группа ученых обратилась к клонированному муравью-рейдеру Ooceraea biroi — мощной модели, которая отличается клональным размножением и синхронизированным жизненным циклом, что позволяет осуществлять точный контроль над генетическими и экологическими переменными.

Хотя у клонированных муравьёв-рейдеров нет обычных королев, особи, известные как интеркасты, считаются гомологичными им по развитию: они крупнее, у них развиваются более крупные яичники, рудиментарные глаза и едва заметные намёки на крылья. Такая связь между размером тела и набором коррелирующих признаков, связанных с королевой, широко распространена среди муравьёв.

«Мы работаем с этим необычным видом муравьёв, потому что иначе мы не смогли бы контролировать их генотип», — говорит Кронауэр. «С помощью клонированных муравьёв-рейдеров мы можем провести аналог масштабного исследования однояйцевых близнецов, чтобы определить, как окружающая среда влияет на фенотип взрослой особи».

В начале исследования учёные поддерживали постоянный генотип личинок и манипулировали условиями их выращивания. Предыдущие исследования показали, что доступность пищи, температура и генотип муравьёв, ответственных за уход за личинками, могут влиять на формирование касты.

Они обнаружили, что каждый из этих факторов действительно влиял на результат, но только если он также влиял на конечный размер тела личинки. Например, когда генетически идентичные личинки выращивались при меньшем количестве пищи, они становились меньше и имели пониженную вероятность развития признаков, характерных для королевы. Но если этим личинкам удавалось достичь определённого размера, несмотря на недостаток пищи, у них всё равно развивались признаки, характерные для королевы. В конечном счёте, каста была связана с размером, и размер сам по себе мог практически точно предсказать исход развития.

Затем группа сравнила различные генотипы личинок, выращенных в схожих условиях окружающей среды, чтобы определить, могут ли генетические различия изменить основную взаимосвязь, связывающую размер тела с кастовыми признаками.

Они обнаружили, что, хотя гены могут влиять на размер, они также могут изменять размер, при котором начинают проявляться признаки, характерные для королевы. Например, муравьи из генетической линии, обозначенной как «M», стабильно вырастали до меньших средних размеров тела, чем муравьи из линии A, даже при выращивании в идентичных условиях окружающей среды.

Однако при любом размере тела муравьи линии M всё равно с большей вероятностью развивали черты, характерные для королевы. Два маленьких муравья, один из линии M, а другой из линии A, могли иметь совершенно разные шансы стать королевами, независимо от условий выращивания.

Это говорит о том, что генетическая изменчивость может влиять на морфологию касты двумя способами — влияя на размер вырастающих муравьев и изменяя размер, при котором проявляются признаки, свойственные королеве.

«Интересным примером этого является то, что существуют определенные генотипы, которые начинают больше походить на королеву при меньших размерах тела», — говорит Пекарски.

По мнению Пекарски, главный вывод исследования заключается в следующем: «Если какой-либо фактор окружающей среды влияет на касту, он повлияет и на размер. Он не может вызывать изменения в одном, не влияя на другом. Насколько нам известно, независимо от того, какой фактор окружающей среды вы изменяете, связь между размером тела муравья и кастой остаётся неизменной и, напротив, заложена генетически».

Для Кронауэра значение этой работы выходит за рамки кастовой принадлежности. Его лаборатория изучает колонии муравьёв как суперорганизмы — сложные биологические системы, в которых генетически идентичные особи играют совершенно разные роли, подобно клеткам в ткани. Используя муравьёв в качестве модели, Кронауэр сочетает изучение биологии развития с изучением поведения и социальной организации.

«Мозг королевы и рабочей пчелы совершенно разный, и это коррелирует с поразительными различиями в поведении», — объясняет Кронауэр.

Рабочие пчёлы покидают гнездо, чтобы добывать корм, заботиться о личинках, строить и расширять гнездо; королева же в основном просто спаривается и откладывает яйца. Поэтому понимание того, как размер тела связан с кастой, — это не просто вопрос морфологии. Оно открывает путь к пониманию того, как социальные роли, функции мозга и динамика колонии развиваются и эволюционируют вместе.