Badanie wpływu rozmnażania mrówek na ewolucję genomu
Mrówki są haplodiploidalne, co oznacza, że samce rozwijają się z niezapłodnionych komórek jajowych, a robotnice i królowe z jaj zapłodnionych. U niektórych gatunków mrówkowatych występuje jednak system „rozmnażania poprzez podwójne klonowanie”. Wszystkie robotnice w tych koloniach są hybrydami, ale osobniki rozrodcze już nie: nowe królowe są klonami swoich matek, a samce rozwinięte płciowo klonami swoich ojców. Oznacza to, że genomy królowych i samców ewoluują oddzielnie i krzyżują się jedynie w celu produkowania robotnic – które są niepłodne. Finansowany przez Unię Europejską projekt MELCA dokładnie zbadał ten rzadki system, aby zdobyć na jego temat nowe informacje, na przykład dotyczące jego rozpowszechnienia i tego, kiedy wyewoluował, a także aby poznać jego konsekwencje dla ewolucji genomu. Przedmiotem badań była szalona mrówka karaibska, Paratrechina longicornis, pospolity szkodnik i jedna z mrówek o najbardziej rozproszonym obszarze występowania na świecie. „Nasze prace pozwoliły na poznanie dalszych szczegółów dotyczących działania systemu rozmnażania poprzez podwójne klonowanie u tego gatunku. Wiedza ta pozwala na zrozumienie zależności między ewolucją molekularną genomu a sposobem rozmnażania płciowego”, mówi Hugo Darras z Wydziału Ekologii i Ewolucji Uniwersytetu w Lozannie, główny badacz projektu MELCA. Badanie, którego realizacja była możliwa dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”, przyniosło dwa zaskakujące odkrycia. „Wyniki naszych prac sugerują, że u Paratrechina longicornis nie występuje już wymiana genetyczna między królowymi i samcami. Geny królowych i samców łączą się tylko u bezpłodnych robotnic. Według naszych szacunków te dwie klonowane płcie są rozdzielone od ponad miliona lat”.
Komórki jajowe i genomy
„Produkcja bezpłodnych robotnic poprzez rozmnażanie płciowe jest powszechną cechą mrówek. Niezwykłe u badanego gatunku jest natomiast to, że królowe rozmnażają się inaczej niż robotnice, a tym samym mają inny materiał genetyczny”, wyjaśnia Darras. U większości gatunków mrówek diploidalne (zapłodnione) komórki jajowe mogą rozwinąć się albo w królową, albo w robotnicę w zależności od czynników środowiskowych. U Paratrechina longicornis losy diploidalnej komórki jajowej wydają się być determinowane przez jej genotyp. Niezapłodnione komórki zawierają tylko materiał genetyczny matki i rozwijają się w królowe, natomiast komórki jajowe produkowane w drodze rozmnażania płciowego mają zarówno genomy królowej, jak i samców i rozwijają się w robotnice. „Mechanizm genetyczny odpowiedzialny za ten silny związek kasty żeńskiej z genotypem jest nadal nieznany”, mówi Darras.
Wybór królowej
Ten system rozrodczy oparty na podwójnym klonowaniu daje królowym Paratrechina longicornis możliwość korzystania zarówno z rozrodu bezpłciowego, jak i płciowego do produkcji nowych królowych oraz bezpłodnych robotnic. „Rozmnażanie bezpłciowe pozwala królowym zmaksymalizować szybkość przekazania genów płodnym córkom. Z kolei rozmnażanie płciowe utrzymuje różnorodność genetyczną wśród robotnic, co przypuszczalnie poprawia efektywność funkcjonowania kolonii”, wyjaśnia Darras. Krzyżowanie się oddzielnych linii królowych i samców powoduje, że robotnice wykazują wysoki poziom heterozygotyczności. To oznacza, że mają one dwa allele, co uniemożliwia jakiekolwiek kojarzenie krewniacze, nawet w małych populacjach. „Ten brak kojarzenia krewniaczego może być jednym z głównych czynników wyjaśniających, dlaczego Paratrechina longicornis stała się jedną z najbardziej rozpowszechnionych mrówek na świecie”, mówi Darras. Wyniki omawianego badania sugerują, że genomy królowych i samców Paratrechina longicornis nie łączą się już ze sobą, a tym samym ewoluują jako odrębne jednostki. „Zamierzamy wykorzystać ten niezwykły system do zbadania, jak selekcja kształtuje ewolucję genów powiązanych z różnicami między płciami”, dodaje Darras.
Słowa kluczowe
MELCA, mrówki, rozmnażanie, podwójne klonowanie, system, genom, królowa, robotnica
