祖先基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)機制決定螞蟻等級

螞蟻是社會性昆蟲，其群體由世代重疊的蟻后、雄蟻和不育工蟻組成的超個體組織系統(tǒng)。近日，中國科學(xué)院昆明動物研究所生物多樣性基因組學(xué)團隊在調(diào)控螞蟻等級分化演化機制研究上取得了進展，揭示了螞蟻這類超個體組織物種存在的生殖等級分化的核心基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

此前的研究成果表明，蟻后與工蟻具有相同的基因組，但在形態(tài)、生理與行為上有著明確的分化。蟻后負責產(chǎn)卵，可以繁衍后代;而工蟻則永久喪失了繁殖力。這種生殖等級分化起源于約1.5億年前各螞蟻物種的共同祖先。但在漫長演化歷程中，基因功能會有多樣性變化，而且隨著新的亞科和屬種的形成，基因功能也會發(fā)生種系特異的重適應(yīng)，因此祖先基因的特征表達模式和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)可能會被掩蓋。

為了揭示等級分化祖先基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，研究人員對來源于三個亞科、都具有明確生殖等級的頂切葉蟻、法老蟻、小麻臭蟻、紅火蟻和黑毛蟻五個物種的大腦進行了轉(zhuǎn)錄組測序與生物信息學(xué)分析。通過跨物種等級差異表達基因比較，以及對種系特異性變化的標準化處理，檢測出一組核心基因，這組基因在各螞蟻物種中均表現(xiàn)出同方向的、程度類似的等級差異表達。研究還分析了另外兩種在演化歷程中丟失了等級系統(tǒng)的螞蟻——畢氏卵角蟻和方頭恐猛蟻的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)在丟失了等級系統(tǒng)的螞蟻里，這組基因依然存在，但其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)系已丟失。另外在同樣具有等級系統(tǒng)的蜜蜂里，雖然部分螞蟻等級調(diào)控基因也表現(xiàn)出等級差異，但它們呈現(xiàn)相反方向的變化。這意味著螞蟻和蜜蜂的等級系統(tǒng)屬于趨同演化，彼此有著獨立的基因網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控機制。

這項研究重構(gòu)了各螞蟻物種等級分化的祖先基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，開啟了進一步挖掘這組核心基因調(diào)控等級分化作用機制的大門;而且在方法學(xué)上，為跨多個物種比較轉(zhuǎn)錄組研究提供了成功范例。研究成果已最新發(fā)表在著名國際期刊《自然生態(tài)與進化》上。

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