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螞蟻擁有嚴(yán)密的分工體系，蟻后負(fù)責(zé)產(chǎn)卵繁殖，工蟻負(fù)責(zé)尋找食物、撫養(yǎng)幼蟲等。圖為工蟻。受訪者供圖

◎本報(bào)記者 羅云鵬 翟玉梅

不依靠語言溝通，卻能默契協(xié)作建造出令人驚嘆的巢穴；沒有組織意識，卻擁有嚴(yán)密精細(xì)的分工體系……螞蟻究竟是如何演化成為地球上規(guī)模最為龐大的社會群體之一的呢？

日前，由武漢華大生命科學(xué)研究院參與組織的“全球螞蟻基因組聯(lián)盟”（GAGA）在國際期刊《細(xì)胞》上發(fā)表一項(xiàng)研究，揭示了螞蟻適應(yīng)性輻射與社會性演化的遺傳基礎(chǔ)。

“我們通過對具有不同社會組織結(jié)構(gòu)的螞蟻物種展開比較研究，尋找到了與螞蟻生殖分工和社會性特征相關(guān)的關(guān)鍵調(diào)控基因，進(jìn)而揭示了其基因網(wǎng)絡(luò)與社會性特征網(wǎng)絡(luò)協(xié)同演化的機(jī)制?！闭憬髮W(xué)生命演化研究中心教授張國捷介紹，“在基因網(wǎng)絡(luò)模塊重塑的過程中，不同的表型性狀相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同演化，最終推動了螞蟻物種及其社會性狀的多樣化發(fā)展?！?/p>

重構(gòu)蟻科“生命之樹”

為了揭示螞蟻適應(yīng)性輻射與社會性演化的遺傳基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)整合了全球163種不同螞蟻的全基因組數(shù)據(jù)，成功重構(gòu)了蟻科的“生命之樹”，涵蓋現(xiàn)生螞蟻16個(gè)亞科中的12個(gè)，343個(gè)屬中的97個(gè)。這不僅厘清了蟻科物種間復(fù)雜的親緣關(guān)系，還將螞蟻的共同祖先追溯至約1.57億年前的侏羅紀(jì)晚期。

研究過程中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)螞蟻共同祖先的基因組中，與嗅覺感知相關(guān)的基因家族出現(xiàn)了顯著擴(kuò)增現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)表明，螞蟻的共同祖先在當(dāng)時(shí)已經(jīng)具備社會通信的關(guān)鍵分子機(jī)制。

而在社會性復(fù)雜度較高的正蟻類的共同祖先中，研究團(tuán)隊(duì)監(jiān)測到許多與蟻后—工蟻品級分化關(guān)聯(lián)的基因存在正選擇信號。研究人員認(rèn)為，這表明與螞蟻社會分工相關(guān)的關(guān)鍵通路在白堊紀(jì)時(shí)期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的選擇壓力，這些關(guān)鍵通路在螞蟻品級制度建立中具有關(guān)鍵作用。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)各種螞蟻的單倍體染色體數(shù)目差異極大，范圍從1條到60條不等。研究團(tuán)隊(duì)對蟻科17個(gè)代表性物種的染色體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)在螞蟻演化過程中，染色體經(jīng)歷了大量的重排事件。尤其在如弓背蟻、大頭蟻等屬中，染色體重排速率顯著上升。

進(jìn)一步深入研究后發(fā)現(xiàn)，螞蟻的染色體重排速率與物種多樣性呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

有趣的是，盡管螞蟻染色體整體上具有較高的基因組重排速率，但其基因組中仍保留了約970個(gè)保守共線性區(qū)域塊。這些區(qū)域塊共同形成了核心基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這些核心基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)不僅對基礎(chǔ)發(fā)育與代謝過程起著調(diào)控作用，同時(shí)也為螞蟻復(fù)雜社會系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐。

探索復(fù)雜性狀演化機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻社會性狀的演化受到一套高度保守的信號通路調(diào)控，包括保幼激素、絲裂原活化蛋白激酶和胰島素三大信號通路。這些通路中的核心蛋白在決定螞蟻個(gè)體身份，如蟻后與工蟻的分化中發(fā)揮著核心作用。

不過，不同種類螞蟻的這些信號通路的作用機(jī)制存在差異，這反映出它們在自然選擇下的適應(yīng)性演化。

文章共同通訊作者、中國科學(xué)院昆明動物研究所副研究員劉薇薇介紹：“該研究加深了我們對螞蟻社會性演化的理解，為解析動物復(fù)雜性狀的演化機(jī)制提供了重要啟示?！?/p>

據(jù)悉，決定螞蟻社會性的兩個(gè)關(guān)鍵因素是巢穴的群體規(guī)模，以及蟻后與工蟻之間的分化程度。

而這兩個(gè)因素又為其他社會性狀的演化，如工蟻的體型差異、生殖能力的喪失等奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)研究，這些性狀之間的相關(guān)性，與基因組中自然選擇信號的強(qiáng)化或減弱高度吻合。同時(shí)，這些社會性狀之間相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)而重塑了核心基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，而這些核心基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)則共同驅(qū)動了螞蟻社會性狀的演化進(jìn)程。

文章共同第一作者、中國科學(xué)院大學(xué)與華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合培養(yǎng)博士熊子軍介紹：“以保幼激素和胰島素信號為核心的保守通路，在螞蟻社會性演化中發(fā)揮著重要作用。螞蟻中許多社會性狀之間存在顯著的相關(guān)性，這些相關(guān)性共同塑造了螞蟻表型的多樣性。我們的研究從基因水平、基因家族、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和保守信號通路等多維度深入揭示了驅(qū)動螞蟻社會性演化的分子遺傳基礎(chǔ)?！?/p>

“螞蟻身上還有很多有趣的問題有待探索，包括蟻后為何能如此長壽、相同的基因組如何產(chǎn)生成表型截然不同的成體、螞蟻核型快速演化的原因和意義等。我們將進(jìn)一步利用多組學(xué)技術(shù)深入探索螞蟻社會的奧秘，期待在此領(lǐng)域迎來更多突破性發(fā)現(xiàn)?！比A大生命科學(xué)研究院研究員李啟業(yè)說。（羅云鵬 翟玉梅）