破译膜翅目社会行为的遗传基础

2023-02-01 08:53:32冷酷的灯泡

从达尔文开始,生物学家长期以来一直对社会性的进化着迷。在最极端的形式中,社会性物种表现出一种劳动分工,其中某些个体执行生殖任务,如产卵,而其他个体则扮演非生殖角色,如觅食、筑巢和防御。这种类型的系统要求个人放弃部分或全部自己的繁殖成功,以协助其群体中其他人的繁殖,这一概念乍一看似乎与进化的关键原则不相容(即自然选择对个体的驱动) . 虽然蜜蜂可能是社会物种最著名的例子,但蜜蜂的复杂社会只是膜翅目动物中可以观察到的一系列社会结构的一端,其中包括蜜蜂、黄蜂、和蚂蚁。在另一端是更基本的社会结构,在最基本的层面上,只有少数个人及其后代的合作。虽然迄今为止大多数关于昆虫社会性的研究都集中在更复杂的社会系统上,但了解这些更基本形式的进化可能有助于揭示社会性道路上最早的变化。的作者发表在《基因组生物学与进化》( Genome Biology and Evolution )上的一项名为“共表达基因网络和机器学习算法揭示了基本昆虫社会中生殖分工的核心遗传工具包”的新研究旨在填补这一空白。根据第一作者 Emeline Favreau 的说法,“我们的工作是独一无二的,因为我们专注于六种蜜蜂和黄蜂,它们不是高度社会化的,但具有更基本的合作形式,并且是高度社会化物种的近亲。” 通过使用机器学习算法分析代表社会性多重起源的六个物种的基因表达,作者发现了一个共享的社会性遗传“工具包”,这可能构成更复杂社会结构进化的基础。

破译膜翅目社会行为的遗传基础

国际研究团队包括来自爱荷华州立大学的 Katherine S. Geist(共同第一作者)和 Amy L. Toth,来自伦敦大学学院的 Christopher DR Wyatt 和 Seirian Sumner,以及来自多伦多约克大学的 Sandra M. Rehan。两位作者合作撰写了这篇文章,“因为我们都发现了解社会性的起源很重要,”Favreau 说。“我们一直在实地观察社会生活的奇妙多样性,例如忙于集体行为的大蜂巢或小木蜂在微小的树枝上组织它们的巢穴。我们不断地问自己:但这些行为是如何产生的?通过这篇论文,我们深入研究了进化故事,以揭示社会组织出现的分子证据。”

该研究涉及对三种蜜蜂和三种黄蜂的数据进行比较荟萃分析,这三种蜜蜂代表了四种独立的社会性起源:halictid bee Megalopta genalis、xylocopine bees Ceratina australensis和C. calcarata、窄胃黄蜂Liostengoster flavolineata和polistine 黄蜂Polistes canadensis和P. dominula. Favreau 解释说:“利用不同行为群体(繁殖和非繁殖雌性)大脑中的全局基因表达数据,我们发现有一组核心的共同基因与蜜蜂和黄蜂的这些基本社会分化相关。” “这令人兴奋,因为它表明可能存在与跨物种合作相关的共同分子‘主题’。”

在这项研究中发现的一些与社会性相关的功能组也与其他社会蜜蜂和蚂蚁的社会性有关。这些包括与染色质结合、DNA 结合、端粒长度调节以及繁殖和代谢相关的基因。另一方面,该研究还确定了许多与社会表型相关的谱系特异性基因和功能组。这组作者说,这些发现“揭示了分类单元特异性分子机制如何补充分子过程的核心工具包,以塑造与社会性进化相关的特征。”

有趣的是,Favreau 指出,“对这些大型数据集采用机器学习方法是发现这些相似性的最佳方法。” 虽然作者首先尝试了研究差异基因表达的传统方法,但这些方法主要根据系统发育对物种进行分组,未能识别与社会性相关的基因组。相比之下,机器学习工具提供了“一种更加细致和敏感的方法”,使作者能够在很宽的进化距离内识别基因表达的相似性。

剩下的一个问题是,这项研究的结果(重点关注具有基本社会性形式的物种)如何与具有生殖和非生殖个体形态上不同种姓的专性真社会物种进行比较。根据 Favreau 的说法,“这是我们目前正在努力解决的问题,希望能够在不久的将来解决。我们正在采取更广泛的方法来研究基因和基因组在社会进化过程中是如何变化的。” 这包括为另外 16 种蜜蜂和黄蜂物种添加转录组数据,从而能够“对独居、具有基本社会性和复杂社会性的黄蜂和蜜蜂物种进行更大规模的比较研究。”

然而,扩大研究需要从全球范围内获取样本,这有时被证明是困难的。“要找到许多这样的物种实际上是一个挑战,其中一些以前从未在基因水平上进行过研究!” 注意到法夫罗。“鉴于全球分类群的多样性和许多收集地的偏远地区,鉴于过去几年的全球大流行和旅行限制,我们很高兴能够获得所有标本和基因组。” 该团队最终能够通过与其他研究人员和机构的合作获得大量样本,强调合作在科学发现中的关键作用。

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