Муравьи-рабовладельцы утратили значительную часть генов обоняния и вкуса

Немецкие и нидерландские энтомологи выяснили, что при переходе к рабовладельческому образу жизни муравьи теряют существенную часть генов, связанных с работой обонятельных и вкусовых рецепторов. Причина в том, что рабочие особи таких видов перекладывают обязанности по сбору еды и кормлению матки и расплода на слуг, захваченных в колониях родственных видов. В результате они намного меньше общаются друг с другом с помощью химических сигналов и теряют необходимость в тонком вкусе, так что гены, отвечающие за эти функции, постепенно исчезают. Впрочем, муравьи-рабовладельцы, судя по всему, сохраняют обонятельные рецепторы, необходимые для поиска колоний жертв, общения во время набегов на них и поиска пути домой. Препринт работы опубликован на сайте bioRxiv.

Большинство видов муравьев ведут эусоциальный образ жизни. Их сложные сообщества состоят из откладывающей яйца матки и бесплодных рабочих, которые ухаживают за ней и появляющимся на свет потомством. Однако некоторые муравьи в процессе эволюции превратились в социальных паразитов. Одни утратили касту рабочих и живут нахлебниками в колониях других видов. Другие — так называемые рабовладельцы — похищают рабочих близкородственных видов на стадии личинок или куколок, а затем заставляют их добывать корм и ухаживать за маткой и расплодом. При этом собственные рабочие муравьев-рабовладельцев частично или полностью утрачивают эти навыки и в основном занимаются захватом новых слуг. Интересно, что виды-рабовладельцы неоднократно и независимо появлялись в разных эволюционных линиях муравьев.

Команда энтомологов, которую возглавила Эвелин Йонгепир (Evelien Jongepier) из Вестфальского университета имени Вильгельма, решила проверить, как упрощение социальной структуры отразилось на геноме муравьев-рабовладельцев. Известно, что многие паразиты, живущие внутри тел других организмов или на их поверхности, утратили целый ряд генов и связанных с ними анатомических и физиологических признаков. Исследователи предположили, что сходная картина должна наблюдаться и у социальных паразитов.

Например, поскольку рабочие особи муравьев-рабовладельцев перекладывают большую часть функций на слуг, они относительно редко работают в группе (в основном во время набегов на чужие колонии) и, как следствие, меньше общаются друг с другом с помощью химических сигналов. Логично ожидать, что у таких видов хуже развита хеморецепция и меньше отвечающих за нее генов. Отчасти в пользу этой идеи говорит тот факт, что рабочие муравьев-рабовладельцев нередко участвуют в размножении. Возможно, это происходит из-за их неспособности воспринимать феромоны, выделяемые маткой, и реагировать на них.

Чтобы разобраться в данном вопросе, Йонгепир и ее коллеги проанализировали геномы трех видов муравьев-рабовладельцев (Harpagoxenus sublaevis, Temnothorax ravouxi и T. americanus) и трех родственных видов, на которых они паразитируют (Leptothorax acervorum, T. unifasciatus и T. longispinosus соответственно). Кроме того, в анализ включили два других вида муравьев, которые не являются рабовладельцами или их жертвами (T. rugatulus и T. nylanderi).

В геноме муравьев-рабовладельцев исследователи насчитали в среднем 311 генов обонятельных рецепторов. У их хозяев и видов из контрольной группы удалось насчитать значительно больше таких генов: от 403 до 421. Генов, связанных с рецепторами вкуса, у рабовладельцев также оказалось намного меньше, чем у родственных видов: 41-52 против 91-128. Таким образом, при переходе к рабовладению муравьи действительно теряют существенную часть генов обонятельных (25,08-29,97 процента) и вкусовых (44,44-55,56 процента) рецепторов.

Виды-хозяева в процессе эволюции также пережили утрату части таких генов, но она была намного менее значительной: 3,26-7,49 процента для генов обонятельных рецепторов и от 0-8,33 процента для генов вкусовых. Кроме того, эти потери были отыграны за счет дупликации генов. Вероятно, подобные сдвиги отражают эволюционную гонку вооружений между рабовладельцами и их жертвами.

Дополнительный анализ показал, что, хотя H. sublaevis, T. ravouxi и T. americanus развивались независимо друг от друга, они утратили много ортологичных генов. У всех трех видов наблюдаются потери в двадцати из 307 генетических кластеров, связанных с рецепторами обоняния. Эта доля достаточно велика, чтобы считать ее не случайностью, а проявлением конвергентной эволюции. Для сравнения, у трех видов-хозяев не зарегистрировано ни одного примера потерь генов в одних и тех же кластерах, связанных с обонянием.

Скорее всего, все три вида муравьев-рабовладельцев параллельно отказались от консервативных генов обонятельных рецепторов, связанных с общением во время совместного поиска пищи и заботой о расплоде. Учитывая, что функции сбора еды и ухода за потомством в колониях данных видов выполняют захваченные в чужих поселениях слуги, неудивительно, что эти гены оказались бесполезными и постепенно исчезли. Йонгепир и ее коллеги полагают, что из генов обонятельных рецепторов для муравьев-рабовладельцев важны лишь те, что помогают им искать колонии жертв, поддерживать связь с сородичами во время набегов и находить путь домой. Эти генетические последовательности поддерживаются естественным отбором и сохраняются, а остальные гены, связанные с обонянием, постепенно перестают работать и исчезают.

В то же время потери вкусовых рецепторов у всех трех видов муравьев-рабовладельцев наблюдались в двенадцати из 72 генетических кластеров. Это примерно соответствует случайной доле. Иными словами, разные виды муравьев-рабовладельцев в основном теряли разные гены вкусовых рецепторов. Авторы связывают исчезновение части этих генов с тем, что рабочие особи муравьев-рабовладельцев намного реже собирают пищу и кормят личинок, а, значит, хорошо развитый вкус им уже не требуется. При этом в геноме муравьев-рабовладельцев нет определенной группы генов вкусовых рецепторов, которые были бы им необходимы и потому сохранялись (как произошло с некоторыми генами обоняния). Возможно, этим и объясняется случайных характер потерь среди них.  

Ранее мы рассказывали об индийских прыгающих муравьях Harpegnathos saltator, у которых рабочие могут превращаться в размножающихся маток. Такие особи — их называют гамэргатами — живут дольше простых рабочих, однако мозг у них при этом уменьшается. Американские энтомологи установили, что при обратном переходе муравьи восстанавливают утраченный объем мозга.

Сергей Коленов