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国家基因库最新研究成果揭示蚂蚁与真菌共生之谜

发布时间:2016-09-11

2016年7月20日,来自哥本哈根大学、中国国家基因库、美国史密森尼学会和中国科学院昆明动物研究所的研究者在《自然通讯》发表真菌蚂蚁最新研究成果,揭示了蚂蚁与真菌共同适应性的分子基础。

农业是人类文明的摇篮,人类通过多倍体化和无性繁殖改善作物的生长特性,提高了作物的营养和产量,驯化出了多种多样的农作物。然而,农业作物驯化行为并非人类特有,蚂蚁中也存在高级的农业行为。其中,真菌培植蚂蚁通过种植真菌来获得可食用的蛋白、脂肪和碳水化合物,形成了蚂蚁-真菌共生系统,并经过千万年的进化,形成一个类似于人类大规模人工养殖的复杂的社会系统。研究人员表示,在长久的进化过程中,这种具有大规模种植真菌能力的蚂蚁其基因组积累了许多变异以适应新的生活方式,对蚂蚁与真菌共生系统的基因组学研究将有助了解这一个进化过程中两类生物出现共同适应性的分子基础。此外,蚂蚁群体与人类社会具有高度相似性,研究蚂蚁的真菌培植行为能够更好的理解农业文明中农作物和驯化者之间的共生现象是如何发展起来的。

本研究中,研究人员分析了七种真菌培植蚂蚁以及它们种植的真菌的基因组和转录组,它们分为低级真菌蚂蚁、高级真菌蚂蚁和切叶蚁,代表了系统发育树上的新真菌蚂蚁冠群的所有属级别重要分支。通过全基因组分子钟分析,研究人员发现蚂蚁种植行为最早起源于第三纪早期(5.5-6千万年前,此时地球刚刚经历过恐龙大灭绝)的低级真菌培植蚂蚁,这类蚂蚁采集环境中存在的真菌进行培育,未进行物种选择。而具有真菌培育驯化的高级真菌蚂蚁发生于3千万年前,从这时候开始,不同的蚂蚁物种开始挑选自己适合的真菌物种进行培植。而后又转化成具有高级驯化能力的切叶蚁,它们采集树叶并利用树叶的残渣对特定真菌进行种植培养。利用全基因组数据分析发现蚂蚁-真菌共生系统的进化过程中重大转变时间比先前估计的要早。此外,相比于已知的任何一类动物,这类真菌培植蚂蚁的基因组结构重排的比率非常高,许多基因家族发生了收缩。说明新的生活方式淘汰了一些祖先基因。但在切叶蚁起源时,许多基因家族发生了扩张,这可能是在这些大规模种植社会的近期进化中,产生了大量新的遗传变异。

研究还指出,真菌培植蚂蚁的进化过程跟人类的农业文明演化过程有许多的相同点。两者都由靠采集和狩猎为生的祖先进化而来。首先,农作物被驯化后往往在野外很难生存。与此类似,高级真菌培植蚂蚁开始出现专一真菌驯化之后,真菌失去野外自由繁殖的能力,必须依靠蚂蚁才能繁殖;再者,与农作物,如小麦,土豆,苹果,白菜等,相对野生品种都出现了多倍化现象类似,专性培养的真菌也出现了多倍化现象。此外,随着驯化能力的提高,新陈代谢水平随之提高,同时社会出现更加复杂的分工。在高级真菌培植蚂蚁物种里,社会的主要分工为工蚁和繁殖蚁,而在切叶蚁里,工蚁又进一步分化出体型庞大的从事树叶采集、蚁巢防御的大工蚁和体形较小负责种植真菌和抚养后代的小工蚁。这与人类农业文明高度发达之后开始出现了城市化和社会分工现象类似。

“作物驯化和农业文明的出现对人类社会的演化产生了深远的影响。人类在作物驯化过程中通过杂交等手段使得作物基因组发生了巨大的变化从而获得人类所需要的作物性状,同时,人类自身的基因组也随着农业文明的发展逐渐发生了适应性变化。比如酒精降解酶和乳糖分解酶在不同地区人群活力的差异化就跟农业的发展有着密切的关系。”国家基因库生物多样性基因组学研究组负责人张国捷表示,“这类真菌种植蚂蚁为我们研究这种双向适应演化过程提供了绝佳模式生物,蚂蚁在培育真菌的过程中,不仅改变了真菌的基因组,自身同样经历了类似人类适应农业文明所产生的基因组变化。这些相似的历史过程的发生并非偶然,而是我们所希望寻找的自然规律。”