Supergen-Forschung löst Rätsel um winzige Ameisenköniginnen

Eine Ameisenkolonie wird durch komplexe soziale Dynamiken getragen, wobei jedes Mitglied – die Königin, die Männchen und die Arbeiterinnen (unfruchtbare Weibchen) – einen Beitrag zur Gemeinschaft als Ganzes leistet. Einige Arten machen diese Dynamik noch komplexer, indem sie eher kleine Königinnen hinzufügen.

Forscher der UC Riverside untersuchten, warum diese zusätzlichen Königinnen vorhanden sind, indem sie sich auf die komplexen genetischen Strukturen, sogenannte Supergene, in der Gemeinschaft konzentrierten. Diese Supergene steuern die Entstehung und Vervielfältigung kleiner Königinnen einer Ameisenart. Die Ergebnisse ihrer Studie sind in der Dezemberausgabe der Zeitschrift verfügbar Aktuelle Biologie.

„Wir waren fasziniert von den winzigen Königinnen“, sagte Hauptautorin Jessica Purcell, außerordentliche Professorin in der Abteilung für Entomologie der UCR. „Dies ist ein hervorragendes System (Kolonien mehrerer Ameisenköniginnen), um die Evolution von Supergenen zu untersuchen, die in vielen Arten von Organismen vorkommen.“

Supergene variieren in ihrer Größe, bestehen jedoch aus einer Gruppe verknüpfter Gene auf demselben Chromosom. Das Supergen unterdrückt die Rekombination (eine häufige Vermischung von Genen während der Zellteilung) und überträgt und bewahrt die Supergen-Architektur von Generation zu Generation. Diese Megagene sind mit Merkmalen oder Phänotypen verbunden, die von vielen Organismen ausgedrückt werden, einschließlich der Migrationsmuster von Fischen und Vögeln und der Anzahl der Königinnen in einer Ameisenkolonie.

Obwohl sie nicht in allen Ameisenkolonien vorkommen, konzentrierten sich Purcell und seine Kollegen auf die kleinen Königinnen einer Ameisenart, Formica cinerea, die in ganz Europa verbreitet ist, von Spanien bis Sibirien in Westeuropa und von Skandinavien bis zum Balkan. Diese Ameisen sind nützlich und verbringen gerne ihre Tage damit, Spinnen, Milben und sogar zuckerhaltigen Blattlauskot zu fressen.

Das Forschungsteam identifizierte das Vorhandensein von zwei Supergenen, die die Anzahl der Königinnen in der Kolonie erhöhen und die Größe der Königinnen kontrollieren.

Die Königin ist die wichtigste und größte Ameise der Kolonie. Die Königin hat Flügel und kann fliegen, aber ihre Hauptaufgabe besteht darin, Eier zu legen, um Generationen von Arbeiterinnen, Männchen und ihren Nachfolgern großzuziehen. Die Arbeiter leben etwa sechs Monate und verbringen ihre Zeit mit der Nahrungssuche und der Brutpflege. Männer haben eine kürzere Lebenserwartung; Sie verlassen die Kolonie selten und paaren sich einmal mit einer zukünftigen Königin.

Die kleinen Königinnen erhalten ihre Kraft von einem vor etwa 23 Millionen Jahren gebildeten Supergen, das bestimmt, ob Kolonien eine oder mehrere Königinnen haben. Forscher haben ein weiteres Supergen entdeckt, das für die Größe von Ameisen verantwortlich ist. Die beiden Supergene zusammen bringen zusätzliche Königinnen hervor, die 20 % kleiner sind als eine typische Ameisenkönigin.

Diese Paarung kann dramatische Auswirkungen auf die Kolonie haben.

„Ameisen sind soziale Insekten und bilden riesige Kolonien, in denen die Nester miteinander verwandt sind und die Kolonien bei der Aufzucht ihrer Verwandten gut zusammenarbeiten“, sagte Giulia Scarparo, Postdoktorandin in Entomologie und Erstautorin der Studie. „In einer polygynen Kolonie (mit mehreren Königinnen) ist die Beziehung zwischen den Nestern schwächer. Das Vorhandensein vieler nicht verwandter Nester kann zu Fortpflanzungskonflikten zwischen den Arbeiterinnen führen.“

Die Forscher vermuten, dass die Konflikte, die sich aus diesen kombinierten Supergenen ergeben, der Kolonie beim Wachstum und Überleben helfen könnten.

Um eine unabhängige Kolonie zu gründen, muss die Königin an einen neuen Ort fliegen und ihre in Flügelmuskeln und Körperfett untergebrachten Körperreserven nutzen, um die erste Arbeiterinnenbrut aufzuziehen. Diese Strategie ist riskant und kann zum Tod der Königin und damit der Kolonie führen.

Kleine Königinnen verfügen nicht über die Energiereserven, um eine neue Kolonie zu gründen, können sich aber bestehenden Kolonien anschließen. Dies wirft neue Fragen auf, die hinsichtlich der laufenden Zusammenarbeit zwischen Gruppen, die genetisch nicht verwandt sind, berücksichtigt werden müssen.

„Die Entdeckung von Supergenen im Zusammenhang mit Mikrogynen (kleinen Königinnen) ist die erste Entdeckung dieser Art“, sagte Scarparo. „Wir glauben, dass diese Art von Königinnen möglicherweise sozial parasitär ist, also soziale Insekten, die andere soziale Insekten ausnutzen. Microgynes könnten ein guter Ausgangspunkt sein, um die Entwicklung des sozialen Parasitismus zu verstehen, und wir könnten ein Supergen haben, das dies vorantreibt.“ Lebensstil.”

Purcell und Scarparo wurden bei diesem Projekt von Alan Brelsford, Assistenzprofessor für Biologie, und Marie Palanchon, einer Doktorandin in Purcells Labor, unterstützt.

Der Artikel trägt den Titel „Social Antagonism Facilitates Supergene Expansion in Ants“.