Колония муравьев обычно состоит из царицы и рабочих. Более того, рабочие могут различаться в зависимости от выполняемой ими задачи, например, ухода за расплодом, кормления или защиты гнезда. Эта поведенческая специализация может сопровождаться морфологическими и физиологическими различиями. Королевы, несущие единоличную ответственность за размножение, могут жить до 30 лет, в то время как продолжительность жизни рабочих составляет от нескольких месяцев до нескольких лет.
У некоторых видов есть также муравьи-солдаты, которые могут весить до 100 раз больше, чем их рабочие сестры, ухаживающие за выводком.Интересно, что разные фенотипические признаки маток и рабочих происходят от одного и того же генетического фона; различные фенотипические траектории определяются пищей, которую личинки получают во время развития. Обычно матка является единственной репродуктивной особью в гнезде, но если она умрет или будет удалена, у некоторых работников по уходу за выводком разовьются яичники и начнется размножение. Ученые из Майнца использовали этот феномен, чтобы вызвать плодовитость у рабочих, ухаживающих за выводком вида муравьев Temnothorax longispinosus.
Это позволило сравнить этих плодовитых рабочих с бесплодными воспитателями, собирателями и матками, чтобы определить экспрессию генов, вызывающих огромные различия в поведении, плодовитости и продолжительности жизни.«У нас есть идеальная модельная система для изучения полифенизма, которая описывает ситуацию, в которой один и тот же генотип порождает фенотипы, различающиеся с точки зрения индивидуальной морфологии, поведения и истории жизни», — сказала д-р Барбара Фельдмайер. Каждый образец, используемый для секвенирования РНК, включает до 100 миллионов считываний, то есть короткие участки последовательности примерно из 100 пар оснований. Наибольшие различия в экспрессии генов были обнаружены между кастами царицы и рабочих, тогда как наименьшие различия были обнаружены между оплодотворяющими бесплодный выводок и собирателями.
Рабочие по уходу за плодородным выводком занимают промежуточное положение между маткой и бесплодными рабочими.Муравьиные королевы экспрессировали множество специфичных для касты генов, функции которых были известны из сравнений с другими видами.
Это не относится к рабочим, у которых было обнаружено, что примерно половина характерных генов имеет неизвестную функцию. «Либо эти рабочие гены претерпели серьезные изменения, либо они являются новыми генами», — пояснил Фельдмайер. Тот факт, что королевы экспрессируют больше генов, известных от одиночных перепончатокрылых и других насекомых, соответствует эволюции социальных насекомых, производными от которых являются рабочие.«Это исследование различий в экспрессии генов между кастами муравьев характерно для огромных успехов, достигнутых в настоящее время в области биологии», — пояснила профессор Сюзанна Фойцик, руководитель рабочей группы по эволюционной биологии в Университете Майнца.
Секвенирование РНК — это метод, который позволяет ученым получить подробную молекулярную информацию даже для организмов, которые не входят в число стандартных биологических модельных организмов, таких как плодовая мушка Drosophila. «Теперь мы можем также посмотреть на виды, известные своей сложностью в социальном поведении. Кроме того, изучая муравьев, мы можем получить представление о генах, которые отвечают за необычайно долгую жизнь и плодовитость у насекомых-королев», — добавил Фойцик.
Рабочая группа планирует продолжить исследования в этой области под эгидой нового исследовательского подразделения GeneRED биологического факультета и Института молекулярной биологии (IMB).