جهش مورچه ها را در یک نسل به انگل تبدیل کرد

زمانی که محقق دانیل کروناور در سال 2008 هنوز فوق دکترا بود، او به اوکیناوا، ژاپن سفر کرد تا نمونه‌های وحشی مورچه‌های مهاجم کلونال (این گونه) Ooceraea biroi). در اولین کلنی که جمع آوری کرد، متوجه دو مورچه با ظاهری عجیب شد. آنها مانند کارگران کوچک بودند، اما آنها همچنین دارای جوانه های بال کوچک بودند، که قابل توجه بود زیرا معمولاً فقط ملکه مورچه ها بال دارند. چیزی که این موضوع را عجیب‌تر می‌کرد این بود که مورچه‌های مهاجم کلونال حتی ملکه هم ندارند: این مورچه‌ها مطابق با نامشان، به‌صورت غیرجنسی تولید مثل می‌کنند، بنابراین همه مورچه‌های یک کلنی، کلون‌های ژنتیکی تقریباً کاملی هستند.

کرونوئر مجذوب ملکه های مینیاتوری شده بود، زیرا به نظر می رسید که آنها بسیار متفاوت از سایر مورچه های مهاجم کلونال هستند، حتی اگر او معتقد بود که آنها همان گونه هستند. اما پاسخی به سؤالات او ارائه نشد، بنابراین او چند نمونه گرفت، چند عکس گرفت تا رکورد بگیرد و سپس به کار خود ادامه داد.

چند سال بعد، کرونوئر آزمایشگاهی در دانشگاه راکفلر تأسیس کرد و یک کلونی از مورچه های مهاجم کلونال را برای مطالعه راه اندازی کرد. یک روز، دانشجوی آن زمان دکترا باک تریبل چند ملکه مینیاتوری دیگر را در آن مستعمره پیدا کرد و تصمیم گرفت آنها را توصیف کند.

تریبل دریافت که بال ها تنها ویژگی غیرعادی مورچه ها نیستند. مورچه‌های عجیب رفتارهای اجتماعی متفاوتی از خود نشان دادند، تخمدان‌های بزرگ‌تری داشتند و دو برابر بیشتر تخم‌گذاری کردند. او با استفاده از ابزارهای ژنتیکی، تمام این تغییرات را در یک امتداد 2.25 میلیون جفت باز از DNA دنبال کرد. در مورچه های معمولی، DNA روی هر یک از دو نسخه کروموزوم 13 آنها متفاوت بود. اما در مورچه های مینیاتوری ملکه، این دو نسخه یکسان بودند.

به عنوان تریبل، کرونوئر و همکارانشان گزارش ماه مارس in زیست شناسی کنونیتمام ویژگی‌های مورچه‌های عجیب و غریب - بال‌ها، رفتارهای اجتماعی و ویژگی‌های تولید مثلی - ناشی از چیزی است که ژنتیک‌ها آن را سوپرژن می‌نامند، مجموعه‌ای از ژن‌هایی که به‌عنوان یک واحد به ارث می‌رسند و در برابر تجزیه شدن بسیار مقاوم هستند. مورچه ها در مرحله ای از تکامل خود نسخه دومی از آن ابرژن را به دست آورده بودند و تغییرات کروموزومی بدن و رفتار آنها را دگرگون کرده بود. این یافته‌ها مکانیسم جدیدی را برای چگونگی ترکیب پیچیده‌ای از اجزا و رفتارهای بدن پیشنهاد می‌کنند که گاهی اوقات می‌توانند به یکباره در تکامل ظاهر شوند: از طریق جهشی که یک ابرژن را تکرار می‌کند، و روی مجموعه‌ای از صفات مانند رشته‌هایی از چراغ‌ها که توسط یک کلید نور کنترل می‌شوند، تغییر می‌کند.

محققان مورچه‌ها از این کار هیجان‌زده هستند و نه فقط به این دلیل که به نظر می‌رسد معمایی چند دهه‌ای را در مورد چگونگی تکامل حداقل یکی از شکل‌های انگلی اجتماعی در حشرات حل کند. اکتشافات سوپرژن ممکن است به آنها کمک کند تا ویژگی‌های طولانی مدت در معماری ژنتیکی مورچه‌ها را شناسایی کنند که باعث می‌شود کلنی‌های آن‌ها به‌عنوان کاست‌های سلسله مراتبی ملکه‌ها و کارگران توسعه یابند.

به طور گسترده تر، مطالعه جدید همچنین بینش هایی را در مورد یک سوال اساسی تکاملی در مورد اینکه افراد در یک گونه می توانند متفاوت باشند، ارائه می دهد.

گفت: «مهیج‌ترین چیز در مورد این مطالعه این است که چقدر مسیرهای آینده را باز می‌کند جسیکا پرسلژنتیک تکاملی در دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید که ژنوم مورچه ها را مطالعه می کند.

پارادوکس انگلی

مورچه ها توجه محققانی مانند کرونور و تریبل را به خود جلب می کنند زیرا اکثر گونه ها ساختار اجتماعی دارند که با زیست شناسی آنها پیوند خورده است. در یک لانه معمولی، یک مورچه ملکه بزرگ و تکثیرکننده بر لژیون کارگران ماده کوچکتر و غیر باروری که دختران او هستند، ریاست می‌کند. کارگران لانه می سازند، غذا جمع می کنند، مهاجمان را دفع می کنند و از بچه های مستعمره مراقبت می کنند و ملکه را آزاد می کنند تا فقط تخم بگذارد.

با این حال، برخی از گونه‌های مورچه با درگیر شدن در اشکال انگلی اجتماعی از این طرح خارج می‌شوند - یعنی از ساختار اجتماعی گونه‌های دیگر مورچه‌ها بهره‌برداری می‌کنند. به عنوان مثال، مورچه‌های برده‌ساز، لاروها را از لانه‌های دیگر می‌دزدند و به صورت شیمیایی روی آنها نقش می‌بندند تا به کارگرانی تبدیل شوند که به ملکه برده‌ها خدمت می‌کنند.

چندین دهه پیش، محققان متوجه شدند که برخی از گونه‌های مورچه از نوعی انگلی مخفیانه استفاده می‌کنند. انگل ها طبقه کارگر خود را از دست داده اند. ملکه های کوچک آنها برای زنده ماندن به مستعمرات گونه های دیگر مورچه ها نفوذ می کنند و در آنجا تخم می گذارند. کارگران میزبان استثمار شده پس از آن همه کاری را برای آنها انجام می دهند، از مراقبت از فرزندانشان گرفته تا محافظت و تغذیه آنها. چنین رابطه ای بین گونه ها انگلی اجباری نامیده می شود، زیرا انگل ها به تنهایی نمی توانند زنده بمانند.

این انگل‌های اجتماعی بی‌کار، که گاهی به نام inquilines (از کلمه لاتین "مستاجر") نامیده می‌شوند، ظاهری متمایز دارند که در چشم انسان به راحتی آنها را از میزبان خود متمایز می‌کند. اما طرح انگلی آنها موفقیت آمیز است زیرا آنها روش هایی را برای سرقت بوهای شیمیایی از لانه میزبان به منظور استتار خود ایجاد کرده اند.

آنالیزهای ژنومی نشان داده است که گونه‌های اینکوئیلین مورچه‌ها ده‌ها بار به‌طور مستقل تکامل یافته‌اند و تقریباً همه‌ی آن‌ها گونه‌های نزدیک به هم را که مانند مورچه‌ها به نظر می‌رسند و رفتار می‌کنند، انگلی می‌کنند. برای زیست شناسان تکاملی، این یک راز مطرح کرد: چگونه یک گونه جدید از انگل های اجتماعی اجباری می تواند از گونه میزبان خود تکامل یابد؟ اگر اجدادشان در یک لانه با هم زندگی می کردند، خیلی راحت با هم تلاقی می کردند.

برای سال‌های متمادی، محققان این فرضیه را مطرح می‌کردند که گام اولیه جداسازی تولیدمثلی بوده است: اجداد اولیه اینکوئیلین‌ها مورچه‌های معمولی بودند که از نظر تولیدمثلی به اندازه کافی از خویشاوندان خود جدا شده بودند تا از نظر ژنتیکی از آنها جدا شده و به گونه‌ای جدید تبدیل شوند. آنها می توانستند به تنهایی زندگی کنند، اما برخی از آنها در نهایت مزایای بازگشت مخفیانه به لانه اجداد خود را برای کمک کشف کردند. وابستگی آنها به میزبان خود به تدریج افزایش یافت و آنها از حالت انگلی اختیاری یا "اختیاری" به انگلی اجباری تبدیل شدند.

کرونوئر توضیح داد که مشکل این ایده این است که هیچ کس هرگز در حیات وحش چیزی را که باید یک مرحله اساسی و اولیه از فرآیند باشد مشاهده نکرده است: انگل های اجتماعی آزادانه و اختیاری که در انزوا از خویشاوندان نزدیک خود زندگی می کنند.

یافته‌های جدید تریبل و کروناور، پیش‌فرض‌های قبلی را تغییر داده است. سناریوی جایگزین آنها بر روی جفت سوپرژن ناسازگار در مورچه های مهاجم کلونال متمرکز بود. زمانی در تاریخ، یکی از آن مورچه ها جهشی را تجربه کرده بود که سوپرژن یک کروموزوم را با یک کپی از سوپرژن کروموزوم دیگر جایگزین کرد. مورچه جهش یافته با دو نسخه از نسخه "انگلی" این ابرژن می‌تواند ناگهان به ملکه‌ای مینیاتوری تبدیل شود که بسیار شبیه به یک اینکویلین است.

کار نشان داد که یک جهش واحد در یک ابرژن برای ایجاد مجموعه کامل تغییرات مشاهده شده در انگل های اجباری، حتی قبل از اینکه مورچه ها توسط گونه زایی تقسیم شوند، کافی است.

تریبل که اکنون در دانشگاه هاروارد است، می گوید: «شما می توانید در یک مرحله از زندگی آزاد به انگلی اجباری تبدیل شوید، و نیازی به برداشتن تعدادی گام تدریجی که شامل یک جمعیت میانی اختیاری جدا شده از باروری است، ندارید. «آنچه می‌توانیم از آن مطمئن باشیم این است که والدینی که زندگی آزاد داشتند، دختری داشتند که بلافاصله یک انگل اجباری بود.»

او ادامه داد: «این سناریویی است که هرگز توسط هیچ یک از نظریه‌پردازان تکامل کلاسیک اجرا نشده بود، زیرا این سناریویی است که تصور می‌شد برای شما بزرگ‌تر از آن است.»

کرونائر گفت، این واقعیت که یک جهش می‌تواند همه این ویژگی‌ها را در یک مرحله تغییر دهد «واقعاً طرز فکر ما را در مورد تکامل این انگل‌های اجتماعی عجیب و غریب و بدون کارگر تغییر می‌دهد».

قدرت سوپرژن ها

اطلاعات کمی در مورد تاریخچه تکاملی سوپرژن در کروموزوم 13 وجود دارد که فنوتیپ انگل اجتماعی را اعطا می کند. با این حال، بعید است که در گونه های کلونال مانند مورچه های مهاجم تکامل یافته باشد. مورچه های کلونال آخرین مکان برای جستجوی ابرژن ها بودند میشل چاپویزاتکه سوپرژن مورچه ها را در دانشگاه لوزان سوئیس مطالعه می کند.

دلیل آن این است که همه مورچه‌های یک گونه کلونال از نظر ژنتیکی یکسان هستند: جدا از جهش‌های تصادفی، ژنوم آنها بدون تغییر از والدین به فرزند منتقل می‌شود. با این حال، چیزی پیچیده‌تر در گونه‌های تولید مثلی جنسی اتفاق می‌افتد.

در سلول‌هایی که تخمک و اسپرم تولید می‌کنند، نسخه‌های مادری و پدری کروموزوم‌ها در کنار هم قرار می‌گیرند و بخش‌های مربوط به DNA را با هم عوض می‌کنند. این فرآیند "بازترکیب" اجازه می دهد تا مجموعه ای از صفات ارثی را به طور تصادفی تغییر دهند. بدون آن، ژن ها برای همیشه در دودمان مادری یا پدری حبس می شوند.

به دلیل نوترکیبی، ژن‌های رفتارهای انگلی مختلف می‌توانستند به‌طور تصادفی در کروموزوم 13 گرد هم آیند. انتخاب طبیعی به شدت از اتحاد آن آلل‌هایی که به خوبی با هم کار می‌کنند، حمایت می‌کرد. تریبل گفت: "اگر یک ژن تعیین کننده انگل دارید، می توانید به تدریج دسته ای از ژن های دیگر را در کنار آن قرار دهید که باعث می شود [مورچه] بهتر و بهتر انگل شود."

نوترکیبی ممکن است در نهایت دوباره آن ژن ها را از هم جدا کند، اما یک حادثه ژنتیکی سرنوشت ساز مداخله کرد. گاهی اوقات وقتی کروموزوم ها پس از آسیب ترمیم می شوند، یک قطعه DNA دوباره در جهت معکوس قرار می گیرد. از آنجایی که DNA معکوس نمی‌تواند با همتای کروموزومی خود مطابقت داشته باشد، نمی‌تواند دوباره ترکیب شود، بنابراین هر ژنی در DNA به‌عنوان یک واحد جدید وراثت‌پذیر - یک ابرژن، به طور دائم در کنار هم قفل می‌شود.

ممکن است این همان اتفاقی باشد که در کروموزوم 13 رخ داده است: وارونگی در آن امتداد 2.25 میلیون جفت باز DNA می‌تواند صفات انگلی اجتماعی را به عنوان یک ابرژن در کنار هم قرار دهد که انتخاب طبیعی سپس آن را حفظ کرد. پرسل خاطرنشان کرد که تحقیقات زیادی پیرامون راه‌های دیگری وجود دارد که می‌توانست ابرژنی مانند این را پیدا کند، اما "داشتن آلل‌هایی که به خوبی با هم کار می‌کنند و در منطقه‌ای با نوترکیبی کم گرد هم آمده‌اند، یک مزیت قوی وجود دارد."

Chapuisat فکر می‌کند این احتمال وجود دارد که ابرژن تمام صفات انگلی مشاهده‌شده طی مدت طولانی در یک اجداد جنسی مورچه‌های مهاجم کلونال تکامل یافته باشد. انگلی در مورچه هایی که حامل دو نسخه از سوپرژن بودند ظاهر می شد و مورچه هایی که یک نسخه یا بدون نسخه داشتند میزبان آنها بودند. هنگامی که مورچه های مهاجم کلونال و هتروزیگوت شدند، تنها با یک کپی از سوپرژن، رفتار انگلی ناپدید شد - اما ابرژن ادامه داشت. و هنگامی که یک جهش در نهایت مهاجمان کلونال هموزیگوت جدید ایجاد کرد، صفات سوپرژن خفته دوباره فعال شدند و جهش‌های ملکه‌مانند مینیاتوری یک شبه ظاهر شدند.

بازآرایی و تکامل کروموزوم

این سوپرژن مورچه از یک مثال جدا دور است. در هر صورت، ممکن است روشی کلی تر و هنوز نادیده گرفته شده را نشان دهد که در آن بسیاری از ویژگی های پیچیده تکامل می یابند.

"مطالعات بیشتر و بیشتری وجود دارد که به ما نشان می دهد که بازآرایی ژنوم می تواند تأثیر اساسی بر رفتار و سازمان اجتماعی گونه ها داشته باشد." کریستین رابلینگحشره شناس در دانشگاه هوهنهایم در اشتوتگارت آلمان، که چگونگی تکامل انگلی اجتماعی در مورچه ها را مطالعه می کند.

در جنس 30 میلیون ساله که از نظر جنسی تولید مثل می کنند فورمیکا به عنوان مثال، مورچه ها حداقل چهار اصل و نسب وجود دارند که در آنها یک ابر ژن مشترک تعیین می کند که آیا کلنی آنها یک ملکه خواهد داشت یا چند ملکه. پورسل گفت، گروه‌های دیگر مورچه‌ها سوپرژن‌هایی دارند که به‌طور مستقل تکامل یافته‌اند و مجموعه‌ای از ویژگی‌های رفتاری و مورفولوژیکی مهم برای شیوه زندگی آنها را کنترل می‌کنند.

همه این سوپرژن ها می توانند همان چیزی باشند که تریبل و سایر محققان اکنون آن را "کروموزوم های اجتماعی" می نامند. همانطور که کروموزوم های جنسی X و Y در انسان جنسیت را تعیین می کنند، سوپرژن ها در مورچه ها سازمان اجتماعی کلونی ها را تعیین می کنند. این یک مقایسه کوچک برای Trible نیست. سوپرژن‌ها و کروموزوم‌های جنسی، هر دو ژن‌هایی را که همیشه با هم به ارث می‌رسند به هم می‌پیوندند و مجموعاً مجموعه‌ای از صفات را ایجاد می‌کنند. همانطور که برخی از صفات مرتبط با جنس برای نرها یا ماده ها سودمند هستند اما نه هر دو، سوپرژن های انگلی می توانند برای اینکوئیلین های هموزیگوت سودمند باشند اما نه برای میزبان های هتروزیگوت.

تریبل گفت: "به دلایلی، متخصصان ژنتیک جمعیت کروموزوم های جنسی را مانند شکل جداگانه ای از تکامل کنار گذاشته اند." اگرچه هنوز مشخص نیست که کروموزوم های اجتماعی چقدر رایج هستند، "آنچه [آنها] به ما می گویند این است که سوپرژن ها در همه جا وجود دارند و کروموزوم های جنسی یک مورد خاص از یک سوپرژن هستند."

اینکه کدام ژن‌ها و عناصر کنترل دقیق در سوپرژن مورچه‌های مهاجم کلونال ترکیب شده‌اند هنوز ناشناخته است. اما تشریح آن سوپرژن و سایر ژن ها در گونه های مختلف مورچه ممکن است چیزی در مورد تکامل و توسعه کاست ها در کلونی مورچه ها آشکار کند. هنگامی که یک لارو مورچه در حال رشد است، نشانه های محیطی تعیین می کند که آیا او ملکه می شود یا کارگر، تصمیمی که رفتار لارو، اندازه بدن، رشد بال ها و تخمدان ها و توانایی آن برای تخم گذاری را تعیین می کند. این صفات به قدری با هم مرتبط هستند که محققان دریافته‌اند که تغییر آزمایشی یکی معمولاً دیگران را نیز همراه خود می‌کشد. Trible و Kronauer فکر می کنند که با یادگیری اینکه چگونه ابرژن انگلی همبستگی بین اندازه بدن و سایر صفات مرتبط با ملکه را تغییر می دهد، محققان ممکن است بتوانند مکانیسم های ژنتیکی برای رشد طبیعی کاست را کشف کنند.

گونه زایی، تکامل و انگلی

کار تریبل و کروناور همچنین سوالات دیگری را در مورد تکامل و توسعه مطرح می کند، از جمله اینکه چگونه یک جهش ابرژن با گونه زایی ارتباط دارد. در فورمیکا مورچه ها، کلنی های تک ملکه و چند ملکه به نظر نمی رسد به دودمان مستقل تقسیم شوند. به نظر می رسد که هر دو شکل سوپرژن به راحتی به عنوان یک "چند شکلی" در یک گونه واحد نگهداری می شوند.

برای Chapuisat، سؤال این است که آیا جهش‌یافته‌های ملکه‌مانند یک «تبار متقلب» هستند که مانند یک انگل در گونه‌های مورچه‌های مهاجم کلونال رفتار می‌کنند. "یا در راه تبدیل شدن به گونه ای جداگانه است؟" او درخواست کرد.

پرسل گفت که چگونه یک رویداد گونه زایی دقیقاً می تواند پس از ظهور فنوتیپ انگلی اتفاق بیفتد، یک راز است، اما این نوع جهش ابرژن مکانیسم قابل قبولی برای گونه زایی سریع از طریق انگلی اجتماعی فراهم می کند. با این حال، هم او و هم Chapuisat هشدار دادند که همه این سؤالات و گمانه‌زنی‌ها به دلیل لغزنده بودن تعریف یک گونه در ارگانیسم کلونال مانند این مورچه‌ها پیچیده است.

رابلینگ برای نشان دادن اینکه جهش سوپرژن در واقع مکانیزمی است که گونه‌های انگل اجتماعی تکامل می‌یابند، پیشنهاد می‌کند که مهم است ببینیم آیا وارونگی کروموزوم‌ها، که نشانه‌های ساختاری ابرژن‌ها هستند، در بسیاری از جفت‌های میزبان-انگل وجود دارد یا خیر. آیا ده‌ها گونه مورچه دیگر دارای جهش‌های ابرژنی مشابه هستند؟

رابلینگ معتقد است ممکن است مکانیسم‌های دیگری مانند هیبریداسیون وجود داشته باشد که می‌تواند ابرژن را با این مجموعه از صفات ایجاد کند. او گفت: «من انتظار دارم که نه تنها یک مکانیسم برای چگونگی تکامل انگلی اجتماعی وجود داشته باشد، بلکه احتمالاً مکانیسم‌های مختلفی است. و هر چه سیستم‌های تجربی بیشتری را مطالعه کنیم، احتمالاً مکانیسم‌های بیشتری برای منشا انگلی اجتماعی پیدا می‌کنیم.»