Разделение на рабочих и цариц происходит у муравьев на стадии ранних личинок

Домовый муравей (Monomorium pharaonis) со своим расплодом и царицами. Различия между царицами и рабочими можно выявить по набору работающих генов уже у личинок первого возраста. Фото с сайта wiki.muravdom.ru

Международная команда генетиков и молекулярных биологов выполнила масштабную работу по изучению закладки каст (цариц и рабочих особей) у муравьев. Морфологически каста начинает проявляться у куколок и личинок позднего возраста. Однако, как было показано, молекулярная подготовка кастовых различий с соответствующей регуляторной составляющей начинается уже у самых ранних личинок, после чего развитие следует по определенной траектории либо в сторону цариц, либо в сторону рабочих. Это удалось выяснить благодаря сборке полутора тысяч транскриптомов в серии последовательных возрастных стадий у двух видов. Собранные данные демонстрируют не только траектории транскриптомных изменений, но также и более заметные эволюционные сдвиги у касты рабочих по сравнению с царицами. Эти сдвиги касаются адаптаций в функционировании нервной системы и поведения, тогда как эволюционные адаптации цариц связаны с работой половой системы (яичников) и мышц крыльев. И то, и другое логично увязывается с функциональной специализацией каст.

Журнал Nature Ecology and Evolution опубликовал статью на весьма интригующую тему — о формировании каст у муравьев. У них, как и у других социальных насекомых, на основе одной генетической программы развиваются морфологически и функционально несхожие формы: репродуктивные (матки или царицы) и рабочие, которые в свою очередь могут иметь свои подразделения. У одних видов кастовая принадлежность формируется под внешним влиянием (например, она может зависеть от типа пищи и ее количества), у других она почти нацело генетически предопределена (хороший обзор по этой теме: T. Schwander et al., 2010. Nature versus nurture in social insect caste differentiation).

Так или иначе, кастовая система появилась в эволюционной линии муравьев лишь однажды. Она предполагает наличие древних, консервативных механизмов, направляющих индивидуальное развитие либо в королевскую, либо в рабочую сторону (B. Qui et al., 2018. Towards reconstructing the ancestral brain gene-network regulating caste differentiation in ants). Было бы интересно добраться до генов-регуляторов, обеспечивающих работу этих механизмов. Одна из попыток представить масштаб регуляторных факторов была предпринята в 2014 году, когда генетики выявили у муравьев Acromyrmex echinatior около 800 «кастовых» генов, мРНК которых могут так или иначе редактироваться перед отправлением на рибосому (Q. Li et al., 2014. Caste-specific RNA editomes in the leaf-cutting ant Acromyrmex echinatior). Это по большей части гены, связанные с работой нервной системы и поведения. Другой путь — сравнить в кастах регуляторные сети у разных видов муравьев. Попытки такого сравнения уже имеются (например, B. Qui et al., 2018. Towards reconstructing the ancestral brain gene-network regulating caste differentiation in ants). Третий путь, который кажется самым продуктивным — получить генетическую развертку индивидуального развития в разных кастах и затем сравнить эти развертки. Конкретнее — посмотреть, какие гены включаются в серии последовательных возрастных стадий у разных каст. Получается транскриптом в динамике. По этому пути и направились ученые из Дании и Китая под руководством Гоцзе Чжана (Guojie Zhang) из Копенгагенского университета. Работа потребовала тщательности, трудолюбия и изрядных средств на множество полногеномных прочтений.

Acromyrmex echinatior — муравей-листорез с бронированной (биоминерализованной) кутикулой был выбран одним из героев истории про касты. Его напарник в этом исследовании — домовый муравей (Monomorium pharaonis). Фото из статьи N. A. Holmes et al., 2016. Genome Analysis of Two Pseudonocardia Phylotypes Associated with Acromyrmex Leafcutter Ants Reveals Their Biosynthetic Potential

Для изучения взяли два вида муравьев: домового, или фараонова, муравья (Monomorium pharaonis) и листореза Acromyrmex echinatior. Их колонии, по всей видимости, поддерживаются в лаборатории. Первый — обычный и вездесущий обитатель наших жилищ размером 2–4 мм; семья домового муравья включает несколько тысяч рабочих, сотни цариц и десятки самцов (их примерно в три раза меньше, чем самок). Второй живет в тропиках; в его гнездах, как правило, одна царица, хотя нередки и случаи сожительства нескольких цариц. Рабочих в гнезде сотни тысяч, и они подразделяются на мелких нянек и «садоводов» и крупных солдат и фуражиров.

Попарное сравнение транскриптомов показало сходство внутри каждой возрастной стадии, а также сходство соседних стадий. Это означает, что изменение транскриптомов происходит постепенно, а не скачкообразно. Изменчивость проанализировали по методу главных компонент, определив положение каждой точки (транскриптом того или иного возраста). Если усреднить группы точек каждого возраста, то получится «траектория» движения транскриптома от яйца к взрослой особи. Такие «траектории» были вычислены для обоих видов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology and Evolution

В обоих этих видах были отобраны яйца (несколько стадий развития), личинки первого, второго и третьего возраста, личинки перед окукливанием, куколки и взрослые особи; всего на каждой стадии — по 30 экземпляров. Для них получили полногеномные транскриптомы — суммарно около 1400 транскриптомов. Вспомним здесь, что схожее исследование 2014 года каст у пчел было проведено на базе 40 индивидуальных транскриптомов (Гены рабочей касты у пчел отбирались эффективнее, чем гены королев, «Элементы», 05.02.2014), так что укрупнение масштабов подобных работ налицо. Именно транскриптомные таблицы и стали основой исследования: их статистически обрабатывали, выводили «траектории» транскриптомной динамики каст, искали консервативные и изменчивые гены.

«Траектории» индивидуального развития муравьев Monomorium pharaonis и Acromyrmex echinatior по их транскриптомам. Показаны вторая и третья компоненты изменчивости (первая компонента приходится на межвидовые различия). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology and Evolution

Сходство транскриптомов двух видов весьма высокое, однако авторы обращают внимание на то, что сходство транскриптомов цариц выше, чем транскриптомов рабочих. Также сходство транскриптомов цариц и дрозофилы выше, чем между дрозофилой и особями рабочей касты.

Сравнение транскриптомов цариц (gyne) и рабочих (worker) двух видов муравьев (слева) и транскриптома домового муравья с транскриптомом дрозофилы (справа). На графиках видно, что во всех случаях после перехода от личинки к куколке (pupa) сходство транскриптомов цариц между собой и с дрозофилой выше, чем аналогичное сходство между рабочими. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology and Evolution

Интерпретируется этот результат интересно: царицы более консервативны в своем развитии, а для рабочих потребовалось множество новых адаптаций, причем разных. Это логично: очевидно, что эволюция должна разворачиваться с репродуктивных самки и самца, а бесплодная «прислуга» может изменяться полезным для вида образом в широких пределах. Более того, этот результат удивительно перекликается с упоминавшейся работой по эволюции каст у пчел. Было показано, что у пчел каста рабочих эволюционирует быстрее, чем каста цариц. Мы видим, что и у муравьев накопление изменчивости, регулирующей функционирование рабочих особей, идет быстрее, чем у цариц.

По «траекториям» транскриптомов хорошо заметно расхождение по кастам у личинок второго и третьего возраста. Если с помощью статистики продлить «траектории» различий в транскриптомах на более ранние стадии, то окажется, что уже вышедшие из яиц личинки (у домового муравья) и личинки второго возраста (у листореза) делятся на отчетливые группы по набору работающих регуляторных элементов. Эти группы и есть будущие касты, что было доказано по экспрессии специального гена vasa (он кодирует фермент, участвующий в запуске мейоза у животных) в яичниках личинок. Следовательно, каста предопределена уже на этих ранних стадиях развития, хотя внешне личинки в этом возрасте практически не различаются. Здесь любопытно вспомнить, что у домового муравья рабочие особи в больших гнездах избавляются от потенциальных цариц и самцов, съедая их ранних личинок и куколок; личинок рабочих они при этом не трогают. По всей видимости, муравьи умеют определять, кто разовьется из личинки (J. P. Edwards Adas, 1991. Caste regulation in the pharaoh's ant Monomorium pharaonis: recognition and cannibalism of sexual brood by workers). Было бы очень интересно и полезно понять, на какие признаки при этом ориентируются муравьи (явно не на транскриптом), но так или иначе, каста в этом возрасте уже определена, и развитие катится по своей колее.

Большая часть работы посвящена выяснению конкретики — выявлению генов с наиболее различающимися уровнями экспрессии у цариц и рабочих и их функционального смысла. Набор таких генов оказался на редкость наглядным.

Уровень экспрессии (точнее, отклонение от среднего в сторону цариц или рабочих) генов, наиболее резко различающихся по уровню экспрессии у цариц и рабочих у обоих видов. Показано, в каких частях тела эти гены экспрессируются: в гонадах (красный), мышцах крыльев (желтый) или мозге (синий). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology and Evolution

У цариц мощно работают гены, контролирующие функции яичников и развитие мышц крыльев, а у рабочих — те гены, которые связаны с нервной системой и мозгом. Действительно, семье нужны плодовитые царицы и «сообразительные» рабочие, а вовсе не наоборот — сметливые царицы и охочие до размножения рабочие. Функция крыльев у цариц двоякая. Во-первых, царица может улетать на новые места для основания гнезда, но помимо этого, мышечная масса, немало превышающая полетные нужды, рассасывается при созревании первых поколений яиц, которые самка откладывает на новом месте. Так что и мышцы крыльев нужны царице в качестве резерва питательных веществ и успешного воспроизводства.

В запуск каскада кастовых различий включены ювенильные гормоны и вителлогенин (vitellogenin), контролирующие рост и линьки. Те же гены запускают формирование каст и социальное поведение у пчел (см. новость Выявлен ген, регулирующий разделение труда у пчел, «Элементы», 13.03.2007). Здесь важно понять, что эволюционные игры у перепончатокрылых разворачивались, по-видимому, вокруг этой гормональной кнопки.

Получив столь внушительные результаты, авторы не упустили шанс пофилософствовать. Они рассуждали о мощи предопределенности индивидуального развития, так называемой «канализации» развития. Где расположена та точка развития, после которой каста невозвратно определена? Можно ли проводить аналогии между дифференциацией отдельных клеток и отдельных особей? Клетка движется от плюрипотентности к специализации, причем половые клетки (яйцеклетки) получают конечное назначение на ранних стадиях развития организма, также как и половые особи — царицы — также специализируются на ранних этапах становления суперорганизма, муравьиной семьи. Хотелось бы, однако, понять, насколько глубока по своему биологическому содержанию такая аналогия, так как авторы в своих рассуждениях увлекаются, по большей части, больше историей вопроса и цитатами известных исследователей.

Источник: Bitao Qiu, Xueqin Dai, Panyi Li, Rasmus Stenbak Larsen, Ruyan Li, Alivia Lee Price, Guo Ding, Michael James Texada, Xiafang Zhang, Dashuang Zuo, Qionghua Gao, Wei Jiang, Tinggang Wen, Luigi Pontieri, Chunxue Guo, Kim Rewitz, Qiye Li, Weiwei Liu, Jacobus J. Boomsma, Guojie Zhang. Canalized gene expression during development mediates caste differentiation in ants // Nature Ecology and Evolution. 2022. DOI: 10.1038/s41559-022-01884-y.

Елена Наймарк