日本研究人员发现决定白蚁兵蚁分化基因

生命科学 2018年08月08日
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日本富山大学与日本基础生物学研究所共同发现了决定白蚁兵蚁分化的基因。研发小组利用新一代DNA测序仪(大规模碱基序列解读装置)进行全面解析,探索了在兵蚁分化初期发挥作用的基因。结果发现,在分化成兵蚁的个体中,名为脂质运载蛋白的转运蛋白基因高度表达。进行机制解析后确认,这种基因经由被蚁后喂食营养物质后分化成兵蚁。

白蚁正常以一夫一妻制的形式筑穴,蚁后一个月约产卵10~20个。产卵后的一段时间内,蚁后与蚁王共同养育虫卵(图1)。

内华达古白蚁的生殖虫(蚁后和蚁王)

图1:内华达古白蚁的生殖虫(蚁后和蚁王)。

虫卵正常生长到第三龄以上就会变成工蚁,在蚁穴内从事各种各样的工作。研究发现,在栖息于西日本地区部分山林中的内华达古白蚁的初始蚁穴中,发育最快的三龄个体(第一代幼虫)被蚁后和蚁王高频率喂食肠内分泌物后,经过名为“前兵蚁”的中间阶段,分化成兵蚁(图2)。而比第一代幼虫小的个体(第二代以后的幼虫)被蚁后和蚁王喂食肠内分泌物的频率较低,需很久才会蜕皮成为四龄个体。

初始蚁穴的第一代幼虫

图2:初始蚁穴的第一代幼虫(最早成为三龄的个体)和第二代幼虫(其次成为三龄的个体)的生长命运。

在本次研究中,为通过社会行为明确兵蚁分化的机制,研发小组利用日本基础生物学研究所的共用设备新一代DNA测序仪,全面比较了在第一代和第二代幼虫的发育初期表达的基因群。结果在第一代幼虫体内发现了高度表达的基因。

该基因编码了脂质运载蛋白,这种蛋白具备转运费洛蒙等水溶性较差的物质的功能。研发小组利用基因数据库调查发现,基本上任何一种昆虫都携带这种基因。不过,对各类昆虫携带的基因进行比较发现,白蚁和隐尾蠊(最接近白蚁的一种蟑螂)的基因序列有特点地发生了变化。

研发小组调查该基因编码的脂质运载蛋白的定位发现,它存在于第一代幼虫的肠上皮细胞中。另外,利用名为RNA干扰的方法,在第一代幼虫身上抑制了该基因的功能,结果第一代幼虫一半以上都蜕皮成为工蚁,兵蚁的分化率明显减少(图2)。研发小组利用拍摄的视频观察了这一时期的幼虫的行动,发现蜕皮成为工蚁的第一代幼虫被蚁后喂食肠内分泌物的频率明显减少(图3)。

蚁后向第一代幼虫喂食肠内容物的行动观察示例

图3:蚁后向第一代幼虫喂食肠内容物的行动观察示例。

文 客观日本编辑部

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