昆明動物所重構螞蟻等級分化祖先基因調控網絡
2020-12-07 中國科學院昆明動物所重構螞蟻等級分化祖先基因調控網絡
2019-01-29 昆明動物研究所
語音播報
近日，中國科學院昆明動物研究所生物多樣性基因組學團隊在調控螞蟻等級分化演化機制研究中取得進展，研究人員通過對三個亞科五個螞蟻物種的大腦轉錄組演化分析，揭示了螞蟻這類超個體組織物種（superorganism）存在的生殖等級分化的核心基因調控網絡。研究成果以Towards reconstructing the ancestral brain gene-network regulating caste differentiation in ants 為題，發表在Nature Ecology & Evolution上。
螞蟻是社會性昆蟲，其群體是由世代重疊的蟻后、雄蟻和不育工蟻組成的超個體組織系統。蟻后與工蟻具有相同的基因組，但在形態、生理與行為上有著明確的分化。蟻后負責產卵，可以繁衍後代；而工蟻則永久喪失了繁殖力。這種生殖等級分化起源於約1.5億年前各螞蟻物種的共同祖先。由於各螞蟻物種的等級系統屬於同源性狀，因此從發育演化生物學理論角度，可以預測這些同源性狀是由螞蟻祖先狀態的基因網絡所調控。由於在漫長演化歷程中，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，基因功能也會發生種系特異的重適應，因此祖先基因的特徵表達模式和調控網絡可能會被掩蓋。
為了揭示等級分化祖先基因調控網絡，研究人員對來源於三個亞科五個螞蟻物種的大腦進行了轉錄組測序與生物信息學分析。五個螞蟻物種分別為頂切葉蟻（Acromyrmex echinatior）、法老蟻（Monomorium pharaonis）、小麻臭蟻（Linepithema humile）、紅火蟻（Solenopsis invicta）和黑毛蟻（Lasius niger），這五種螞蟻都具有明確的生殖等級。通過跨物種的等級差異表達基因比較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出同方向的、程度類似的等級差異表達。研究進一步分析了另外兩種在演化歷程中丟失了等級系統的螞蟻畢氏卵角蟻（Ooceraea biroi）和方頭恐猛蟻（Dinoponera quadriceps）的轉錄組，發現在丟失了等級系統的螞蟻裡，這組基因依然存在，但其調控網絡關係已丟失；另外在同樣具有等級系統的蜜蜂裡，雖然部分螞蟻等級調控基因也表現出等級差異，但它們呈現相反方向的變化。這意味著螞蟻和蜜蜂的等級系統屬於趨同演化，彼此有著獨立的基因網絡和調控機制。
該研究重構了各螞蟻物種等級分化的祖先基因調控網絡，開啟了進一步挖掘這組核心基因調控等級分化作用機制的大門；同時在方法學上，為跨多個物種比較轉錄組研究提供了成功範例。
論文連結
近日，中國科學院昆明動物研究所生物多樣性基因組學團隊在調控螞蟻等級分化演化機制研究中取得進展，研究人員通過對三個亞科五個螞蟻物種的大腦轉錄組演化分析，揭示了螞蟻這類超個體組織物種（superorganism）存在的生殖等級分化的核心基因調控網絡。研究成果以Towards reconstructing the ancestral brain gene-network regulating caste differentiation in ants 為題，發表在Nature Ecology & Evolution上。
螞蟻是社會性昆蟲，其群體是由世代重疊的蟻后、雄蟻和不育工蟻組成的超個體組織系統。蟻后與工蟻具有相同的基因組，但在形態、生理與行為上有著明確的分化。蟻后負責產卵，可以繁衍後代；而工蟻則永久喪失了繁殖力。這種生殖等級分化起源於約1.5億年前各螞蟻物種的共同祖先。由於各螞蟻物種的等級系統屬於同源性狀，因此從發育演化生物學理論角度，可以預測這些同源性狀是由螞蟻祖先狀態的基因網絡所調控。由於在漫長演化歷程中，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，基因功能也會發生種系特異的重適應，因此祖先基因的特徵表達模式和調控網絡可能會被掩蓋。
為了揭示等級分化祖先基因調控網絡，研究人員對來源於三個亞科五個螞蟻物種的大腦進行了轉錄組測序與生物信息學分析。五個螞蟻物種分別為頂切葉蟻（Acromyrmex echinatior）、法老蟻（Monomorium pharaonis）、小麻臭蟻（Linepithema humile）、紅火蟻（Solenopsis invicta）和黑毛蟻（Lasius niger），這五種螞蟻都具有明確的生殖等級。通過跨物種的等級差異表達基因比較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出同方向的、程度類似的等級差異表達。研究進一步分析了另外兩種在演化歷程中丟失了等級系統的螞蟻畢氏卵角蟻（Ooceraea biroi）和方頭恐猛蟻（Dinoponera quadriceps）的轉錄組，發現在丟失了等級系統的螞蟻裡，這組基因依然存在，但其調控網絡關係已丟失；另外在同樣具有等級系統的蜜蜂裡，雖然部分螞蟻等級調控基因也表現出等級差異，但它們呈現相反方向的變化。這意味著螞蟻和蜜蜂的等級系統屬於趨同演化，彼此有著獨立的基因網絡和調控機制。
該研究重構了各螞蟻物種等級分化的祖先基因調控網絡，開啟了進一步挖掘這組核心基因調控等級分化作用機制的大門；同時在方法學上，為跨多個物種比較轉錄組研究提供了成功範例。
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