螞蟻又來搞事情|精子進化能存活多年

2021-01-19 BMC科研永不止步

Joanito Liberti 2018年3月23日

 

照片拍攝：Pixabay


在中美洲及南美洲森林考察的時候，常常會碰見無數螞蟻運送大塊植物的長隊。這些是切葉蟻，新熱帶區的主要食草動物，它們正在收集葉子和花以供養其培育在地下小室的菌類作物。


這種共生現象在很多方面與我們的農業類似：螞蟻專門依靠菌類為食，它們用收集到的材料施肥，甚至使用抗生素來治療菌類的花園病。


長期以來，這種互惠關係一直吸引著試圖了解生物界有機體之間合作進化動力學的科學家們的注意。不過，這些螞蟻獨特的交配生物學和蟻后的超長壽命也讓人非常感興趣。



蟻后可以活二三十年，在此期間她不會重新交配，但她會謹慎地使用這些來自雄蟻的精子使數百萬隻卵受精。


切葉蟻蟻后在成年早期的單次交配活動中交配。當蟻后開始交配飛行，她會與多個雄蟻交配，然後返回地面脫落翅膀並尋找一個合適的地方挖洞。


雖然雄蟻在輸送精子給蟻后之後幾乎立刻死亡，但蟻后可以活二三十年，在此期間她不會再交配，但會謹慎地使用這些來自雄蟻的精子 — 精子被存儲在一個被稱為精囊的專門的器官中 — 使數百萬個卵子受精。


這種長時間的精子存儲是動物王國的一項記錄，並且創造了一種罕見的伴侶間的終生承諾 — 這就類似於是雌性脊椎動物使用來自幾個雄性的精子不斷懷孕，而且精子需要在在雄性死去後的多年、在環境溫度下仍能保持活性並免受衰老機制的損害。


由於多隻雄蟻在一個下午為一隻切葉蟻蟻后授精，來自不同雄蟻的精子在蟻后的精囊中競爭儲存。這種競爭儲存和儲存多年後仍能存活的需求之間的相互作用已經在螞蟻精子中創造出了獨特的進化適應。


脊椎動物的生殖研究已經確定，精子能夠對其周圍環境的細微變化作出響應，使它們能夠更有效地到達雌性的卵子並授精。這些變化可能是pH值、離子濃度或生殖系統溫度和腺體分泌物的改變，或者是將精子吸引到授精處的特定分子的出現。


通過借鑑脊椎動物研究中常用的一個定量精子活力的實驗方法，我們發現螞蟻精子也能做到同樣的事：當接觸到雄性的分泌物和蟻后的生殖器官時，不僅更大比例的精子變為活動的並且遊得更快，而且，根據這些分泌物是來自它們自己還是蟻后和競爭的雄性，精子的反應非常不同。


我們首先注意到，當來自不同雄性射出的精液混合時，與同次射出的精子單獨遊動相比，精子的運動性增加。為了確定是什麼因素引起的這些增加，我們進行附加實驗，收集來自關注的雄性的精子，並讓精子在來自同一雄性的精液、競爭雄性的精液，或蟻后生殖器官不同腔室的分泌物，以及這幾種液體的混合物中遊動。


我們發現，與使用生理鹽水的對照組相比，與精子一起射出的精液增強了運動性，並且一旦這些精子接觸到來自競爭雄性的精液或蟻后貯精囊中含有的液體，這種運動性進一步增強。


因為從關注的精子的角度來看，競爭雄性的精液和蟻后貯精囊中的液體都是非自體組織分泌物，我們推斷，精子必須對在非自身分泌物中存在的分子作出響應，並相應地調節運動性 — 一種當競爭對手射精存在時有意義的響應，也就是說對儲存的競爭將會提高一個雄性繁殖成功的機會。


一旦精子在蟻后體內授精，它們的活動性立刻就可能變到最大，這與是否存在競爭精子無關，那麼為什麼精子在它們自己的精液中遊得更慢？表達一種分辨自體和非自體的識別機制可能代價很大，所以我們的觀察需要從進化論的角度去解釋。


我們假定，這種認知的進化是由於持續的精子運動消耗的精力很大，並導致活性氧（ROS）的產生。精子對ROS引起的結構損傷特別敏感，因為它們缺乏豐富的損傷修復機制，這意味著ROS的任何增加都將可能導致精子授精能力的不可逆損失


因此，在精子為贏得儲存競賽所需要增加的運動性和精子一旦被儲存後能夠長期存活之間可能存在一個權衡 — 這很重要，因為可能需要經過很多年，它們才能使卵子受精。


來自多項研究的數據表明，ROS損傷控制是維持精子生存能力的關鍵因素 — 多種蟻類和蜂類在精子儲存後上調抗氧化酶，而且這些酶在它們的精液中也很充足。


因此，為進一步闡明螞蟻如何在精子競爭需要付出代價的情況下確保精子長期存活的進化困境，未來的研究應該嘗試更加直接地測量與精子運動相關的產生的ROS量。


BMC Evolutionary Biology

doi:10.1186/s12862-018-1144-y


BMC Evolutionary Biology is an open access, peer-reviewed journal that considers articles on all aspects of molecular and non-molecular evolution of all organisms, as well as phylogenetics and palaeontology.


2016 Journal Metrics


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