基因改造蚂蚁揭示社会性昆虫进化之谜

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每一个蚁群可以一起工作，每一只蚂蚁四处奔跑，同时与其他兄弟姐妹密切合作，完成分配的任务。因此，蚁群有时被称为“超级个体”。现在，研究人员分析了世界上第一只转基因蚂蚁，发现它的社会性主要取决于它的嗅觉。这一发现为理解昆虫社会行为的进化提供了一条重要线索。

"这是实验生物学领域的一个突破."美国亚利桑那州立大学的行为生物学家伯特·赫尔多布勒没有参与这项研究，他说。在此之前，没有人成功生产出用于研究的转基因蚂蚁。

一般来说，群居昆虫有不同的社会阶层和分工，这是研究行为和社会进化的一个重要模型。早在达尔文时代，生物学家就被社会行为的进化深深吸引。

非常不同的生物，如蚂蚁和人类，都生活在紧密的群体中。以色列研究人员观察到，一群蚂蚁合作将一块“巨大”的食物带回“家”，后面的蚂蚁向上“举”，前面的蚂蚁向前“拉”。携带食物的蚂蚁越多，它们回家的速度就越快。不时加入团队的“新成员”负责“校准”方向。每次新的蚂蚁加入搬运队，它们的路线都会调整，而“老队员”会跟随“新队员”的方向。在这个持续的校准中，整个蚂蚁团队把食物搬回家。

此外，蜜蜂研究也提供了基因如何影响这种社会化的线索，但是很难确定这些基因在昆虫如蜜蜂和蚂蚁中的功能。部分原因是研究人员没有中断目标基因的好方法——尽管这在老鼠身上很容易做到，或者很容易精确地搜索出相关基因。

此外，群居昆虫尤其难以进行基因改造。瑞士洛桑大学的进化生物学家劳伦特·凯勒(Laurent Keller)说，即使科学家能够改变一个人的基因，“蚂蚁的卵非常敏感，没有工人很难繁殖”，所以人们很难获得可以存活的转基因蚂蚁卵。此外，群居昆虫的生命周期非常复杂，这也使得人们难以在一定时间范围内获得大量转基因后代。

结果，纽约洛克菲勒大学的进化生物学家丹尼尔·克罗纳将目光转向了无性繁殖蚂蚁，无性繁殖军队蚂蚁。无性繁殖的军蚁属于蚁科。它们可以捕食蚂蚁，攻击其他蚂蚁的巢穴。它们群落的一个生命周期包括两个阶段:一个是繁殖，另一个是捕食和保护。与其他蚂蚁种群不同，这种矮壮的军队蚂蚁的群体中没有蚁后。它们所有的后代都是由全能工蚁通过无性繁殖产生的。

这意味着，一旦研究人员修改了单个蚂蚁的基因，他们就能迅速开发出转基因链。"对于绝大多数蚂蚁种群来说，这种情况不会实现."克罗纳说，由于处理卵和幼虫过程中可能出现的问题，获得一种普通蚂蚁的转基因品种需要几年时间，但这种蚂蚁是无性的，“给了我们一条捷径”。

为了修改无性繁殖蚂蚁的基因，克罗纳的沃林部落和里奥诺拉奥利佛斯-希斯内罗斯使用了CRISPR技术，尽管这种基因编辑技术可以使科学家更容易适应基因。

此前，研究人员发现，同一巢穴中的蚂蚁基因型非常相似。它们通过一种叫做*融合自体受精的无性繁殖方法进行繁殖。科学家可以将蚁群转移到实验室进行繁殖，并控制每个蚁群的大小。此外，无性繁殖军队蚁群生命周期的同步交替也使研究人员能够非常精确地控制工蚁的年龄。

在新的研究中，Trible破坏了一种叫做orco的基因，它可以提供必要的蛋白质来维持蚂蚁触角中对气味敏感的神经细胞的功能。这些细胞被称为嗅觉感受器，是能够检测信息素的几个感觉器官之一。像蚂蚁这样的动物使用这种化学物质来交流。蚂蚁可能比其他动物有更多的气味感受器，至少有350个，而果蝇有46个。因此，研究人员怀疑这种受体与蚂蚁复杂的社会系统有关。

因此，对转基因蚂蚁的行为和大脑解剖学研究表明，气味受体数量的增加确实发挥了作用。研究人员最近在bioRxiv上报道说，年轻的成年蚂蚁倾向于在第一个月与它们的巢伙伴呆在一起，而转基因蚂蚁会立即四处走动。此外，转基因蚂蚁无法检测到其他蚂蚁留下的线索，但相互团结和寻找线索是蚂蚁群体能够维持的重要行为。

更令人惊讶的是基因改造对大脑的影响。各种类型气味受体的神经末梢与肾小球簇接触。一些研究小组已经剔除了果蝇的逆戟鲸基因，但是它的肾小球不会受到影响。但是对于蚂蚁来说，修饰后的蚂蚁并没有形成肾小球。这与在小鼠大脑中剔除相似基因后获得的结果一致。

美国伊利诺伊大学的行为遗传学家吉恩·罗宾逊说，这项成就“非同凡响”，让人们有机会比较不同物种的大脑发育，这样科学家就能理解社会性动物复杂行为背后的大脑进化机制。(唐毅宸编译)