突然変異はアリを一世代で寄生虫に変えた

研究者のとき ダニエル・クロナウアー 2008 年にまだポスドクだった彼は、クローン レイダー アリ (種 オオセアエア ビロイ）。 彼が集めた最初のコロニーで、彼は奇妙な姿をした XNUMX 匹のアリに気付きました。 彼らは働きアリのように小さかったが、通常は女王アリだけが翼を発達させるため、小さな翼の芽を見せていた. これをさらに奇妙にしたのは、クローンレイダーアリには女王さえいないということでした.その名前に沿って、これらのアリは無性的に繁殖するため、コロニー内のすべてのアリはほぼ完全な遺伝的クローンです.

Kronauer は、同じ種であると信じていたにもかかわらず、他のクローンレイダーアリとは非常に異なっているように見えたため、小型の女王に興味をそそられました。 しかし、彼の質問への回答はすぐに得られなかったので、彼はいくつかの標本を取り、記録のために何枚かの写真を撮り、それから彼の仕事を続けました.

数年後、クロナウアーはロックフェラー大学に研究室を設立し、研究のためにクローンのレイダーアリのコロニーを設定しました. ある日、当時の博士課程の学生 バック・トリブル そのコロニーで奇妙なミニチュアの女王をさらに数匹見つけ、それらを特徴付けることにしました。

Trible は、羽だけがアリの唯一の特徴ではないことを発見しました。 奇妙なアリはまた、異なる社会的行動を示し、より大きな卵巣を持ち、2.25 倍の卵を産みました。 彼は遺伝子ツールを使用して、これらすべての変化を 13 万塩基対の長さの DNA ストレッチまで追跡しました。 通常のアリでは、XNUMX 番染色体の XNUMX つのコピーのそれぞれの DNA が異なっていました。 しかし、小型の女王アリでは、XNUMX つのコピーは同一でした。

Trible として、Kronauer とその同僚 3月に報告されました in 現在の生物学、翼、社会的行動、生殖特性など、奇妙なアリのすべての特徴は、遺伝学者がスーパージーンと呼ぶもの、つまりユニットとして継承され、分解されることに対して非常に抵抗力のある遺伝子の集まりによって引き起こされました. 進化のある時点で、アリはその超遺伝子の XNUMX 番目のコピーを取得し、染色体の変化によって体と行動が変化しました。 この発見は、体の部位と行動の複雑な組み合わせが進化の過程で一度に現れることがあるという新しいメカニズムを示唆している.超遺伝子を複製する突然変異を通じて、ライトスイッチによって制御される一連のライトのような特性のスイート全体を切り替える.

アリの研究者はこの研究に興奮しているが、それは、昆虫の社会的寄生の少なくとも XNUMX つの形態がどのように進化するかについての数十年にわたる謎を解決するように見えるからだけではない. 超遺伝子の発見は、アリのコロニーを女王アリと働きアリの階層的なカーストとして発達させる、アリの遺伝的構造の長い間求められていた特徴を突き止めるのにも役立つかもしれません。

より広く言えば、この新しい研究は、単一の種の個体がどのように異なる可能性があるかについての根本的な進化論の問題への洞察も提供します。

「この研究で最もエキサイティングなことは、それがどれだけ多くの将来の方向性を切り開いているかということです. ジェシカ・パーセルカリフォルニア大学リバーサイド校の進化遺伝学者で、アリのゲノムを研究しています。

寄生のパラドックス

アリはクロナウアーやトリブルなどの研究者の注目を集めています。これは、ほとんどの種がその生態に結びついた社会構造を持っているためです。 典型的な巣では、生殖能力のある XNUMX 匹の大きな女王アリが、娘である生殖能力のない小さな働きアリの群れを主宰します。 労働者は巣を作り、食物を集め、侵入者を撃退し、コロニーの若者の世話をして、女王が卵を産むだけに解放します.

しかし、一部のアリ種は、社会的寄生の形態に従事することによってその計画から逸脱します。つまり、別のアリ種の社会構造を利用します。 たとえば、奴隷を作るアリは、他の巣から幼虫を盗み、それらを化学的に刻印して、奴隷商人の女王に仕える働き人になります。

何十年も前に、研究者たちは、一部のアリの種がより秘密の種類の寄生を利用していることに気付きました。 パラサイトは労働者カーストを失いました。 生き残るために、彼らの小さな女王アリは他の種のアリのコロニーに侵入し、そこに卵を産みます. 搾取された宿主労働者は、ひなの世話から保護、餌やりまで、すべてを彼らのために行います。 種間のこのような関係は、寄生虫が単独で生き残ることができないため、絶対寄生と呼ばれます。

これらの労働者を持たない社会的寄生虫は、インクイライン (ラテン語で「テナント」を意味する) と呼ばれることもあり、人間の目には宿主と簡単に区別できる独特の外観を持っています。 しかし、宿主の巣から化学臭を盗んで自分自身をカモフラージュする方法を進化させたため、彼らの寄生計画は成功しました。

ゲノム解析によると、アリの種は独立して何十回も進化しており、それらのほぼすべてが、アリが通常行うように見えて行動する密接に関連した種に寄生しています。 進化生物学者にとって、それは謎をもたらしました。新しい種の義務的な社会的寄生虫は、どのようにして宿主種から進化したのでしょうか? 彼らの祖先が同じ巣に一緒に住んでいたとしたら、彼らはあまりにも簡単に交配したでしょう.

研究者たちは何年もの間、最初のステップは生殖隔離だったという仮説を立てていた。インクイラインの初期の祖先は、遺伝的に分岐して新しい種になるのに十分長い間、親族から生殖的に隔離された通常のアリだったという仮説を立てていた。 彼らは自分で生きることもできましたが、彼らの一部は最終的に助けを求めて祖先の巣に忍び込むことの利点を発見しました. 宿主への依存度が徐々に高まり、選択的または「条件的」寄生の状態から義務的寄生へと進化しました。

Kronauer 氏によると、この考えの問題点は、このプロセスの本質的かつ初期の段階であるはずのもの、すなわち近親者から隔離された状態で生活する自由生活型の条件的社会的寄生生物を野生で観察した人は誰もいないということです。

Trible と Kronauer の新しい発見は、これまでの仮説を覆します。 彼らの別のシナリオは、クローン レイダー アリのミスマッチなスーパー遺伝子のペアに焦点を当てていました。 歴史のある時期に、これらのアリの XNUMX 匹が突然変異を経験し、一方の染色体のスーパー遺伝子がもう一方の染色体のスーパー遺伝子のコピーに置き換わりました。 その結果、超遺伝子の「寄生」バージョンのコピーを XNUMX つ持つ変異アリは、突如、インキリーネによく似た小型の女王アリに成長した可能性があります。

この研究は、アリが種分化によって分裂する前であっても、超遺伝子の単一の突然変異が絶対寄生虫で観察された一連の変化を生み出すのに十分であることを示しました。

「自由生活から絶対的な寄生性へとワンステップで移行することができ、生殖的に隔離された条件的中間集団を含む多くの段階的なステップを踏む必要はありません」と、現在ハーバード大学にいるトリブルは述べた. 「私たちが確信できるのは、自由生活を送っている親の娘が、すぐに義務的な寄生虫になったということです。」

彼は次のように続けました。

単一の突然変異がこれらすべての形質を XNUMX つのステップで変化させることができるという事実は、「これらの奇妙で労働力のない社会的寄生虫の進化についての私たちの考え方を大きく変えます」と Kronauer 氏は述べています。

超遺伝子の強さ

社会的寄生虫の表現型を付与する染色体 13 上のスーパージーンの進化の歴史については、ほとんど知られていません。 ただし、レイダー アリのようなクローン種に進化した可能性は低いです。 「クローンアリは、超遺伝子を探す最後の場所だったでしょう」と彼は言いました。 ミシェル・シャプイザは、スイスのローザンヌ大学でアリの超遺伝子を研究しています。

その理由は、クローン種のすべてのアリが遺伝的に同一であるためです。ランダムな突然変異は別として、それらのゲノムは親から子へ変更されずに受け継がれます。 しかし、有性生殖を行う種では、もっと複雑なことが起こります。

卵子と精子を産生する細胞では、母親の染色体と父親の染色体のコピーが整列し、対応する DNA セグメントが入れ替わります。 この「組換え」のプロセスにより、継承された形質のセットをランダムに再シャッフルできます。 それがなければ、遺伝子は永遠に母方または父方の血統に閉じ込められてしまうでしょう。

組換えのため、さまざまな寄生行動の遺伝子が 13 番染色体上にランダムに集められた可能性があります。その後、自然淘汰は、一緒にうまく機能する対立遺伝子の結合を強く支持したでしょう。 「寄生虫を決定する遺伝子を持っている場合は、その隣に他の遺伝子を徐々に配置して、[アリ]を寄生虫としてより良くすることができます」とトリブルは言いました.

組み換えにより、最終的にそれらの遺伝子が再び分離された可能性がありますが、致命的な遺伝子事故が介入しました. 損傷後に染色体が修復されると、DNA の一部が逆向きに再挿入されることがあります。 反転した DNA は対応する染色体と並ぶことができないため、再結合することができないため、DNA 内の遺伝子はすべて、新しい遺伝単位であるスーパージーンとして永久にロックされます。

それが 13 番染色体で起こったことかもしれません。この 2.25 万塩基対の DNA ストレッチの逆位は、社会的寄生の形質をスーパージーンとして一緒に固定し、自然淘汰によって維持された可能性があります。 パーセル氏は、多くの研究がこのような超遺伝子が出現する可能性がある他の方法を取り囲んでいると指摘したが、「一緒にうまく機能する対立遺伝子を持ち、組換えの少ない領域にまとめることには非常に大きな利点がある」と彼女は述べた.

チャプイサットは、観察されたすべての寄生形質の超遺伝子が、クローンレイダーアリの性的祖先で長い時間をかけて進化した可能性が高いと考えています. 寄生は、超遺伝子のコピーを XNUMX つ持つアリに現れ、コピーを XNUMX つまたはまったく持たないアリが宿主になったでしょう。 レイダーアリがスーパー遺伝子のコピーを XNUMX つだけ持つクローン性のヘテロ接合体になると、寄生行動は消失しましたが、スーパー遺伝子は存続しました。 そして、突然変異が最終的に新しいホモ接合型のクローン侵入者を作成したとき、休眠中の超遺伝子の形質が再活性化され、小さな女王のような突然変異体が一晩で現れました.

染色体再編成と進化

このアリの超遺伝子は、孤立した例ではありません。 どちらかといえば、それは多くの複雑な形質が進化する、より一般的でまだ過小評価されている方法を示している可能性があります.

「ゲノム再編成が行動や種の社会的組織に根本的な影響を与える可能性があることを示す研究がますます増えています」と彼は言いました。 クリスチャン・ラベリングドイツのシュトゥットガルトにあるホーエンハイム大学の昆虫学者で、アリの社会的寄生がどのように進化したかを研究しています。

30万年前の有性生殖を行う属では、 フォーマイカ たとえば、アリの場合、共有されるスーパージーンによってコロニーの女王が XNUMX つになるか複数になるかが決まる系統が少なくとも XNUMX つあります。 アリの他のグループには、独自に進化した超遺伝子があり、その生き方にとって重要な一連の行動および形態学的特徴を制御していると、パーセル氏は述べた。

これらの超遺伝子はすべて、Trible や他の研究者が現在「社会的染色体」と呼んでいるものである可能性があります。 人間の性染色体 X と Y が性別を​​決定するのと同じように、アリの超遺伝子がコロニーの社会的組織を決定します。 これは Trible の簡単な比較ではありません。 スーパージーンと性染色体はどちらも遺伝子を束ねており、これらの遺伝子は常に一緒に継承され、集合的に一連の形質を付与します。 いくつかの性連鎖形質が男性または女性に有利であるが両方に有利ではないのと同様に、寄生超遺伝子はホモ接合体のインクリラインには有利であるが、ヘテロ接合体の宿主には有利ではない.

「何らかの理由で、集団遺伝学者は性染色体を進化の別の形態のように取っておきました」とトリブルは言いました。 社会的染色体がどれほど一般的であるかはまだ不明ですが、「彼らが私たちに伝えていることは、超遺伝子はいたるところにあり、性染色体は超遺伝子の特別なケースであるということです.」

クローンレイダーアリのスーパー遺伝子内にどの正確な遺伝子と制御要素が束ねられているかはまだわかっていません. しかし、さまざまなアリ種のスーパージーンやその他のスーパージーンを分析すると、アリのコロニーにおけるカーストの進化と発達について何かが明らかになるかもしれません。 アリの幼虫が成長するとき、環境の手がかりが女王になるか働きアリになるかを決定し、幼虫の行動、体の大きさ、羽と卵巣の発達、産卵能力を決定します。 これらの特性は非常に強く関連しているため、研究者は、実験的にXNUMXつをシフトすると、通常は他の特性も一緒に引っ張られることを発見しました. Trible と Kronauer は、寄生超遺伝子が体の大きさと他の女王に関連する形質との相関関係をどのように変化させたかを知ることによって、研究者は通常のカーストの発達の遺伝的メカニズムを明らかにできるかもしれないと考えている.

種分化、進化、寄生

Trible と Kronauer の研究は、超遺伝子変異が種分化にどのように関係するかなど、進化と発生に関する他の疑問も提起しています。 の中に フォーマイカ 単一女王アリと複数女王アリのコロニーは、独立した系統に分かれていないようです。 超遺伝子の両方の形態は、単一の種内で「多型」として快適に維持されているようです。

チャプイサットにとっての問題は、女王のような突然変異体が、クロナルレイダーアント種内の寄生虫のように振る舞う「チーター系統」であるかどうかです. 「それとも、別の種になる途中ですか？」 彼は尋ねた。

寄生表現型が発生した後に種分化イベントがどのように正確に発生する可能性があるかは謎ですが、この種の超遺伝子突然変異は、社会的寄生による急速な種分化のもっともらしいメカニズムを提供します、とパーセルは言いました. しかし、彼女とチャプイサットは、アリのようなクローン生物の種が何であるかを定義することの難しさによって、これらすべての質問と推測が複雑になっていると警告しました.

超遺伝子変異が実際に社会的寄生生物種が進化するメカニズムであることを実証するには、超遺伝子の構造的特徴である染色体上の反転が多くの宿主寄生虫ペアに存在するかどうかを確認することが重要であると Rabeling は示唆している。 他の数十種のアリの種は、同様の超遺伝子突然変異を持っていますか?

Rabeling は、ハイブリダイゼーションなど、この一連の形質を持つスーパージーンを作成するメカニズムが他にもある可能性があると考えています。 「社会寄生がどのように進化するかについてのメカニズムはXNUMXつだけではなく、おそらく多くの異なるメカニズムであると期待しています」と彼は言いました. 「そして、より経験的なシステムを研究すればするほど、社会的寄生の起源に関するより多くのメカニズムがおそらく見つかるでしょう。」