O mutație a transformat furnicile în paraziți într-o singură generație

Când cercetătorul Daniel Kronauer era încă post-doctorat în 2008, a călătorit la Okinawa, Japonia, pentru specimene sălbatice de furnici clonale raider (specia Ooceraea biroi). În prima colonie pe care a adunat-o, a observat două furnici cu un aspect ciudat. Erau mici ca muncitoarele, dar aveau și muguri mici de aripi, ceea ce era izbitor pentru că de obicei doar mătcile furnici dezvoltă aripi. Ceea ce a făcut acest lucru și mai ciudat a fost faptul că furnicile raider clonale nici măcar nu au regine: în conformitate cu numele lor, aceste furnici se reproduc asexuat, așa că toate furnicile dintr-o colonie sunt clone genetice aproape perfecte.

Kronauer a fost intrigat de reginele în miniatură, deoarece păreau atât de diferite de celelalte furnici raider clonale, deși credea că sunt din aceeași specie. Dar răspunsurile la întrebările sale nu au primit, așa că a luat câteva exemplare, a făcut câteva fotografii pentru înregistrări și apoi a continuat cu munca sa.

Câțiva ani mai târziu, Kronauer a înființat un laborator la Universitatea Rockefeller și a înființat o colonie de furnici raider clonale pentru studiu. Într-o zi, doctorandul lui de atunci Buck Trible a mai găsit câteva dintre reginele în miniatură ciudate din acea colonie și a decis să le caracterizeze.

Trible a descoperit că aripile nu erau singura caracteristică neobișnuită a furnicilor. Furnicile ciudate au manifestat, de asemenea, comportamente sociale diferite, au avut ovare mai mari și au depus ouă de două ori mai multe. Folosind instrumente genetice, el a urmărit toate aceste modificări la o porțiune de ADN de 2.25 milioane de perechi de baze. La furnicile obișnuite, ADN-ul de pe fiecare dintre cele două copii ale cromozomului lor 13 era diferit. Dar la furnicile-regine în miniatură, cele două copii erau identice.

Ca Trible, Kronauer și colegii lor raportat în martie in Curent Biologie, toate caracteristicile furnicilor ciudate - aripile, comportamentele sociale și trăsăturile de reproducere - au fost cauzate de ceea ce geneticienii numesc o supergenă, o colecție de gene care sunt moștenite ca unitate și sunt foarte rezistente la destrămare. La un moment dat în evoluția lor, furnicile dobândiseră oa doua copie a acelei supergene, iar această schimbare cromozomială le transformase corpurile și comportamentele. Descoperirile au sugerat un nou mecanism pentru modul în care combinațiile complexe de părți ale corpului și comportamente pot uneori să iasă la iveală dintr-o dată în evoluție: printr-o mutație care dublează o supergenă, activând întregi suite de trăsături, cum ar fi șiruri de lumini controlate de un comutator de lumină.

Cercetătorii furnici sunt încântați de muncă și nu doar pentru că pare să rezolve un mister vechi de zeci de ani despre modul în care cel puțin o formă de parazitism social evoluează la insecte. Descoperirile supergenelor îi pot ajuta, de asemenea, să identifice caracteristicile mult căutate în arhitectura genetică a furnicilor care fac coloniile lor să se dezvolte ca caste ierarhice de regine și lucrătoare.

Mai larg, noul studiu oferă, de asemenea, perspective asupra unei întrebări evolutive fundamentale despre cât de diferiți pot fi indivizii dintr-o singură specie.

„Cel mai interesant lucru despre acest studiu este cât de multe direcții viitoare deschide”, a spus Jessica Purcell, un genetician evoluționist la Universitatea din California, Riverside, care studiază genomul furnicilor.

Un paradox al parazitismului

Furnicile atrag atenția unor cercetători precum Kronauer și Trible, deoarece majoritatea speciilor au o structură socială care este legată de biologia lor. Într-un cuib tipic, o singură furnică regină mare, reproducătoare, prezidează legiuni de lucrătoare mai mici, nereproductive, care sunt fiicele ei. Lucrătorii își construiesc un cuib, adună hrană, resping invadatorii și au grijă de puii coloniei, eliberând regina să doar depună ouă.

Cu toate acestea, unele specii de furnici se îndepărtează de acest plan, angajându-se în forme de parazitism social - adică exploatează structura socială a unei alte specii de furnici. Furnicile care fac sclavi, de exemplu, fură larve din alte cuiburi și le imprimă chimic pentru a deveni muncitoare care servesc reginei sclavilor.

Cu multe decenii în urmă, cercetătorii au observat că unele specii de furnici folosesc un tip mai clandestin de parazitism. Paraziții și-au pierdut casta de muncitori. Pentru a supraviețui, micile lor regine se infiltrează în coloniile altor specii de furnici și depun ouă acolo. Muncitorii gazdă exploatați fac apoi totul pentru ei, de la îngrijirea puilor până la protejarea și hrănirea lor. O astfel de relație între specii se numește parazitism obligatoriu, deoarece paraziții nu pot supraviețui singuri.

Acești paraziți sociali fără muncitori, numiți uneori inquiline (din latinescul „chiriași”), au un aspect distinctiv care, pentru ochii oamenilor, îi deosebește cu ușurință de gazdele lor. Dar schema lor parazitară reușește deoarece au dezvoltat modalități de a fura mirosuri chimice din cuibul gazdei pentru a se camufla.

Analizele genomice au arătat că speciile de furnici inchiline au evoluat independent de zeci de ori și aproape toate parazitează o specie strâns înrudită care arată și se comportă ca furnicile în mod normal. Pentru biologii evoluționari, asta a reprezentat un mister: cum ar putea o nouă specie de paraziți sociali obligați să evolueze din specia gazdă? Dacă strămoșii lor ar fi trăit împreună în același cuib, s-ar fi încrucișat prea ușor.

Timp de mulți ani, cercetătorii au emis ipoteza că pasul inițial a fost izolarea reproductivă: că strămoșii timpurii ai inquilinelor erau furnici normale care au fost izolate din punct de vedere reproductiv de rudele lor suficient de mult pentru a diverge genetic de ei și a deveni o nouă specie. Ar putea trăi singuri, dar unii dintre ei au descoperit în cele din urmă beneficiile furișării înapoi în cuiburile strămoșilor lor pentru ajutor. Dependența lor de gazde a crescut treptat și au evoluat de la o stare de parazitism opțional sau „facultativ” la parazitism obligatoriu.

Problema acestei idei, a explicat Kronauer, este că nimeni nu a observat vreodată în sălbăticie ceea ce ar trebui să fie un pas esențial, timpuriu al procesului: paraziți sociali facultativi, care trăiesc liber, care trăiesc izolați de rudele lor apropiate.

Noile descoperiri ale lui Trible și Kronauer le întorc ipotezele anterioare. Scenariul lor alternativ s-a concentrat pe perechea de supergene nepotrivite din furnicile raider clonale. La un moment dat în istorie, una dintre acele furnici a experimentat o mutație care a înlocuit supergena de pe un cromozom cu o copie a supergenei de pe celălalt cromozom. Furnica mutantă rezultată cu două copii ale versiunii „parazitare” a supergenei s-ar fi putut transforma brusc într-o regină în miniatură care semăna foarte mult cu o inchilină.

Lucrarea a arătat că o singură mutație într-o supergenă a fost suficientă pentru a produce suita completă de modificări observate la paraziții obligați, chiar înainte ca furnicile să fie divizate prin speciație.

„Puteți trece de la o viață liberă la un parazit obligatoriu într-un singur pas și nu trebuie să faceți o serie de pași treptat care implică o populație intermediară facultativă izolată din punct de vedere reproductiv”, a spus Trible, care este acum la Universitatea Harvard. „De ce putem fi siguri este că un părinte care trăiește liber a avut o fiică care a fost imediat un parazit obligatoriu.”

El a continuat: „Acesta este scenariul care nu a fost niciodată întreținut de niciunul dintre teoreticienii evoluționisti clasici, pentru că acesta este scenariul care s-a considerat a fi un salt prea mare pentru ca tu să îl faci.”

Faptul că o singură mutație poate schimba toate aceste trăsături într-un singur pas „schimbă într-adevăr modul în care ne gândim la evoluția acestor paraziți sociali ciudați, fără muncitori”, a spus Kronauer.

Puterea supergenelor

Se cunosc puține despre istoria evolutivă a supergenei de pe cromozomul 13 care conferă fenotipul parazitului social. Cu toate acestea, este puțin probabil să fi evoluat într-o specie clonală precum furnicile raider. „Furnicile clonale ar fi fost ultimul loc pentru a căuta supergene”, a spus Michel Chapuisat, care studiază supergenele furnicilor la Universitatea din Lausanne din Elveția.

Motivul este că toate furnicile dintr-o specie clonală sunt identice din punct de vedere genetic: mutațiile aleatoare la o parte, genomul lor trece neschimbat de la părinte la copil. Ceva mai complicat, însă, se întâmplă la speciile cu reproducere sexuală.

În celulele care produc ovule și spermatozoizi, copiile materne și paterne ale cromozomilor se aliniază și schimbă segmentele corespunzătoare de ADN. Acest proces de „recombinare” permite seturi de trăsături moștenite să fie remaniere aleatoriu; fără ea, genele ar fi blocate în descendența maternă sau paternă pentru totdeauna.

Din cauza recombinării, genele pentru diferite comportamente parazitare ar fi putut fi reunite aleatoriu pe cromozomul 13. Selecția naturală ar fi favorizat apoi puternic unirea acelor alele care au funcționat bine împreună. „Dacă aveți o genă care determină parazitul, puteți pune treptat o grămadă de alte gene lângă ea care fac [furnica] din ce în ce mai bună să fie un parazit”, a spus Trible.

Recombinarea ar fi putut în cele din urmă să fi separat acele gene din nou, dar a intervenit un accident genetic fatal. Uneori, când cromozomii sunt reparați după deteriorare, o bucată de ADN este reinserată într-o orientare inversată. Deoarece ADN-ul inversat nu se poate alinia cu omologul său cromozomial, nu se poate recombina, astfel încât orice genă din ADN este blocată permanent împreună ca o nouă unitate ereditară - o supergenă.

Acesta poate fi ceea ce s-a întâmplat pe cromozomul 13: o inversare în acea întindere de 2.25 milioane de perechi de baze de ADN ar fi putut bloca împreună trăsăturile pentru parazitismul social ca supergenă, pe care selecția naturală le-a menținut apoi. Purcell a remarcat că o mulțime de cercetări înconjoară și alte moduri în care ar fi putut apărea o supergenă ca aceasta, dar „există un beneficiu atât de puternic de a avea alele care funcționează bine împreună, reunite într-o regiune cu recombinare scăzută”, a spus ea.

Chapuisat crede că este probabil ca supergena pentru toate trăsăturile parazitare observate să fi evoluat de-a lungul timpului într-un strămoș sexual al furnicilor raider clonale. Parazitismul s-ar fi manifestat la furnicile care purtau două copii ale supergenei, iar furnicile cu una sau fără copii ar fi fost gazdele lor. Când furnicile raider au devenit clonale și heterozigote, cu o singură copie a supergenei, comportamentul parazitar a dispărut - dar supergena a persistat. Și când o mutație a creat în cele din urmă noi rădăcini clonali homozigoți, trăsăturile supergenelor latente au fost reactivate și mutanții în miniatură asemănătoare reginei au apărut peste noapte.

Rearanjarea și evoluția cromozomilor

Această supergenă a furnicilor este departe de a fi un exemplu izolat; dacă este ceva, poate ilustra un mod mai general și încă subapreciat în care evoluează multe trăsături complexe.

„Există din ce în ce mai multe studii care ne arată că rearanjarea genomului poate avea o influență fundamentală asupra comportamentului și asupra organizării sociale a speciilor”, a spus. Christian Rabeling, un entomolog la Universitatea din Hohenheim din Stuttgart, Germania, care studiază modul în care a evoluat parazitismul social la furnici.

În genul de 30 de milioane de ani, cu reproducere sexuală Formica furnicile, de exemplu, există cel puțin patru filiații în care o supergenă comună determină dacă colonia lor va avea o regină sau mai multe. Alte grupuri de furnici au supergene pe care le-au evoluat independent, controlând suite de trăsături comportamentale și morfologice importante pentru modul lor de viață, a spus Purcell.

Toate aceste supergene ar putea fi ceea ce Trible și alți cercetători numesc acum „cromozomi sociali”. La fel cum cromozomii sexuali X și Y la oameni determină sexul, supergenele de la furnici determină organizarea socială a coloniilor. Nu este o comparație simplă pentru Trible. Supergenele și cromozomii sexuali reunesc ambele gene care apoi sunt întotdeauna moștenite împreună și conferă colectiv seturi de trăsături. La fel cum unele trăsături legate de sex sunt avantajoase pentru bărbați sau femei, dar nu pentru ambele, supergenele parazite pot fi avantajoase pentru inchilinele homozigote, dar nu și pentru gazdele heterozigote.

„Din anumite motive, geneticienii populației au lăsat deoparte cromozomii sexuali ca o formă separată de evoluție”, a spus Trible. Deși nu este încă sigur cât de des întâlniți sunt cromozomii sociali, „ceea ce [ei] ne spun este că supergenele sunt peste tot, iar cromozomii sexuali sunt un caz special de supergenă”.

Ce gene exacte și elementele de control sunt incluse în supergena furnicilor clonale raider este încă necunoscut. Dar disecția acelei supergene și a altora din diferite specii de furnici poate dezvălui ceva despre evoluția și dezvoltarea castelor în coloniile de furnici. Când o larvă de furnică se dezvoltă, indicii de mediu determină dacă va deveni regină sau lucrătoare, o decizie care dictează comportamentul larvei, dimensiunea corpului, dezvoltarea aripilor și a ovarelor și capacitatea sa de a depune ouă. Aceste trăsături sunt atât de puternic asociate, încât cercetătorii au descoperit că schimbarea experimentală a uneia le trage de obicei pe celelalte. Trible și Kronauer cred că, învățând cum supergena parazitismului a modificat corelația dintre dimensiunea corpului și celelalte trăsături asociate matcii, cercetătorii ar putea fi capabili să descopere mecanismele genetice pentru dezvoltarea normală a castei.

Speciație, evoluție și parazitism

Lucrările lui Trible și Kronauer ridică și alte întrebări despre evoluție și dezvoltare, inclusiv despre modul în care o mutație supergenă se leagă de speciație. În Formica furnici, coloniile cu o singură regină și mai multe matci nu par să se împartă în linii independente. Ambele forme ale supergenei par să fie menținute confortabil ca un „polimorfism” în cadrul unei singure specii.

Pentru Chapuisat, întrebarea este dacă mutanții asemănătoare reginelor sunt o „linie a trișorilor” care se comportă ca un parazit în cadrul speciei clonale de furnici raider. „Sau este pe cale să devină o specie separată?” el a intrebat.

Cum s-ar putea întâmpla exact un eveniment de speciație după ce apare fenotipul parazitar este un mister, dar acest tip de mutație supergenică oferă un mecanism plauzibil pentru speciația rapidă prin parazitism social, a spus Purcell. Atât ea, cât și Chapuisat au avertizat, totuși, că toate aceste întrebări și speculații sunt complicate de caracterul alunecos al definirii a ceea ce este o specie într-un organism clonal precum aceste furnici.

Pentru a demonstra că o mutație supergenă este de fapt mecanismul prin care speciile de paraziți sociali evoluează, Rabeling sugerează că va fi important să vedem dacă inversiunile cromozomilor, care sunt semne distinctive structurale ale supergenelor, sunt prezente în multe perechi gazdă-parazit. Zecile de alte specii de furnici inchiline au mutații similare supergenelor?

Rabeling crede că pot exista și alte mecanisme, cum ar fi hibridizarea, care ar putea crea și supergena cu această constelație de trăsături. „M-aș aștepta că nu există un singur mecanism pentru modul în care evoluează parazitismul social, ci probabil că este vorba de multe mecanisme diferite”, a spus el. „Și cu cât studiem mai multe sisteme empirice, cu atât am găsi probabil mai multe mecanisme pentru originea parazitismului social.”