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第一只转基因蚂蚁诞生记
来源:中国科学报      作者:唐一尘      时间:2017-03-20 20:12      关键词:昆虫社会性行为,基因改造
摘要:研究人员分析了世界上首只基因改造蚂蚁,发现蚂蚁的社会性主要依赖其嗅觉。该发现为了解昆虫社会性行为如何进化提供了关键线索。

图片来源:网络


每个蚁群都能通力协作,每只蚂蚁东奔西走,同时与其他兄弟姐妹密切合作,完成指定任务。因此,蚁群有时也被称为“超个体”。现在,研究人员分析了世界上首只基因改造蚂蚁,发现蚂蚁的社会性主要依赖其嗅觉。该发现为了解昆虫社会性行为如何进化提供了关键线索。

“这是实验生物学领域的一个突破性进展。”未参与该研究的美国亚利桑那州立大学行为生物学家Bert Holldobler说。在这之前,没有人成功制作出基因改良蚂蚁用于研究。

通常,社会性昆虫具有不同的社会等级与分工,是研究行为和社会性进化的重要模型。早在达尔文时代,生物学家就被社会性行为的进化深深吸引。

蚂蚁和人类等非常不同的生物体都生活在紧密团结的群体中。以色列研究人员就曾观察到,一群蚂蚁合作将一块“巨型”食物弄回“家”——后方的蚂蚁向上“抬”,前方的蚂蚁则是向前“拉”。搬食物的蚂蚁越多,回家的速度就越快,负责“校准”方向的是中途不时加入团队的“新队员”。每次有新蚂蚁加入搬运团队,它们的行进路线就会有所调整,且“老队员”都会按照“新队员”行进的方向前进。整个蚂蚁团队就在这样不断的校准中前进,将食物搬回了家。

另外,蜜蜂研究也提供了基因如何影响这种社会化的线索,但要确定蜜蜂和蚂蚁等昆虫的基因机能十分困难。部分原因是研究人员没有好方法打断目标基因——虽然这在小鼠中容易做到,或者精确地搜寻出涉及的基因。

此外,社会性昆虫尤其难以进行基因改造。瑞士洛桑大学进化生物学家Laurent Keller表示,即便科学家能够修改一个个体的基因,但“蚂蚁的卵子非常敏感,并且在没有工蚁的情况下难以培育”,因此人们很难获得能存活下来的转基因蚂蚁卵。而且,社会性昆虫的生命周期十分复杂,这也使得人们很难在合适的时间范围内获得大量转基因后代。

于是,美国纽约城洛克菲勒大学进化生物学家Daniel Kronauer将目光转向了一种无性繁殖蚂蚁——无性生殖行军蚁。无性生殖行军蚁属于猛蚁亚科,它能捕食蚂蚁并袭击其他蚂蚁的巢穴,其蚁群的一个生活周期包括两个阶段:一个阶段是繁殖,另一阶段是捕食和保育。与其他蚂蚁种群不同,这种矮壮的行军蚁蚁群中没有蚁后,它们的后代全部都是由全能型的工蚁通过无性生殖产生。

这意味着,一旦研究人员修改了单个蚂蚁的基因,就能很快培育出一个转基因链。“对于绝大多数的蚂蚁种群而言,这种情况基本不会实现。”Kronauer说,由于处理卵子和幼体过程中可能存在的问题,获得一个普通蚂蚁的转基因品系需要数年,但这种蚂蚁是无性繁殖的,“从而给了我们一条捷径”。

为了修改无性生殖行军蚁的基因,Kronauer团队的Waring Trible和Leonora Olivos-Cisneros使用了CRISPR技术,这种基因编辑技术能让科学家更容易地改编基因。

之前,研究人员发现,同一蚁巢的行军蚁基因型非常相近,它们通过一种叫做中部融合自体受精的无性生殖方式进行繁衍。科学家可以把蚁群转移到实验室中养殖,并且可以控制每个蚁群的大小。此外,无性生殖行军蚁蚁群生活周期的同步交替也使得研究者可以精确控制工蚁的年龄。

在新研究中,Trible破坏了一个名为orco的基因,该基因能为维持蚂蚁触角内的气味敏感神经细胞机能提供必要的蛋白质。这些名为气味受体的细胞是若干感觉器官的一种,能探测信息素。而蚂蚁等动物会使用这种化学物质进行交流。蚂蚁的气味接收器可能比其他动物更多,至少有350个,相比之下果蝇只有46个。因此研究人员怀疑这种感受器与蚂蚁复杂的社会体系有关。

结果,转基因蚂蚁的行为和大脑解剖研究显示,气味受体数量增多确实起了一定作用。研究人员近日在bioRxiv上报告称,年轻的成年蚂蚁在第一个月中更趋向于与蚁巢伙伴待在一起,而转基因蚂蚁却立刻四处行走。而且,转基因蚂蚁也无法探知其他蚂蚁留下的线索,但相互团结和找寻线索是蚂蚁种群能维持的重要行为。

更令人惊讶的是基因修饰对大脑的作用。各种类型的气味受体的神经末梢都会与肾小球簇接触。有研究组曾敲除果蝇的orca基因,其肾小球却不会受影响。但对于蚂蚁而言,改造后的蚂蚁没有形成肾小球。这与敲除小鼠大脑中类似基因后产生的结果一致。

伊利诺伊大学行为基因学家Gene Robinson表示,该成果“令人瞩目”,它让人们有机会对比不同物种的大脑发育,以便科学家弄清社会性动物复杂行为背后的脑进化机制。(唐一尘编译)


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