中国科学院昆明动物研究所探寻蚂蚁世界奥秘

　　中国日报网12月15日电 蚂蚁是人们随处可见的昆虫，但往往容易被人们忽视。蚂蚁起源于1.4亿年以前的白垩纪，世界上现存的蚂蚁有接近2万种，它们的分布地域非常广泛，除了极地冰原难觅蚂蚁踪影，其他各种陆地生态系统中都能找到蚂蚁。蚂蚁在生态上具有重要作用，它们在地球上有着非常巨大的生物量，大于所有野生哺乳动物和鸟类的总和。蚂蚁既是猎食者，又会被捕食，它们会分解各种动植物的残渣碎片，帮助植物种子的散布，改造土壤的物理化学性质等，与很多动物、植物、微生物都有共生关系。蚂蚁的存在维持了生态系统物质与能量的平衡与流动，没有了蚂蚁，生态系统将会崩溃，人类也将难以生存。
　　中国科学院昆明动物研究所张国捷/刘薇薇团队致力于追寻蚂蚁王国的奥秘，通过整合基因组学、神经生物学以及生态、演化、发育等多个学科技术手段来构建蚂蚁数字化生命之树，厘清蚂蚁系统发育关系，解析蚂蚁社会组织是如何形成及维持的，考察它们如何适应复杂多变的生态环境，探究蚂蚁社会等级分化及劳动分工之谜，挖掘蚂蚁可利用的生物资源及开发有害入侵物种防治的技术手段。
　　解码蚂蚁大脑
　　蚂蚁是社会性的动物，离开了集体，单独的蚂蚁难以生存。蚂蚁有各自不同的分工，有的蚂蚁负责外出觅食，有的待在窝里照顾幼虫，有的负责守卫巢穴，这些维持巢穴日常运转的蚂蚁都称为＂工蚁＂；一窝蚂蚁里往往还存在着一个或少数几个＂蚁后＂，它们专职产卵，为蚁巢源源不断的提供新生的力量。蚁后和工蚁都是雌蚁，是由受精的卵发育而来，但它们的体型往往有很大的差别，蚁后体型较大，长有翅膀，卵巢发达；工蚁体型相对较小，没有翅膀，卵巢萎缩或完全退化。蚁巢内大部分时间都只存在工蚁和蚁后，只有在繁殖季会产生雄蚁，雄蚁是蚁后产下的未受精的卵发育而来的。雄蚁在巢内完全不工作，它们只等待合适的时机出巢，寻觅合适的雌蚁进行交配，之后很快就会死去。
　　蚂蚁是生态系统中绝对主导的动物类群，其演化上的极度成功与其社会化的生活方式密切相关，昆明动物所与华大基因、哥本哈根大学等研究团队合作，以法老蚁为模式生物，通过单细胞转录组测序技术开展了研究。获得了涵盖法老蚁工蚁、处女繁殖蚁、蚁后、雄蚁4种全等级大脑超过20万个高质量的单细胞核转录组数据。构建了世界上首个全面覆盖一个蚂蚁社会中所有分工角色的单细胞图谱。
　　研究提示了蚂蚁不同等级个体的社会分工和展现出的行为差异与其大脑不同的特化程度有关。不同等级个体的大脑有不同方向和程度的特化，彼此之间又功能互补，执行不同的社会行为和功能，从而使得整个蚁群能够同时拥有生殖、育幼、觅食、防御等全面的功能。因此蚁群成为一个真正意义上的＂超个体＂，自然选择作用上升到了蚁群这一更高的组织层次，使得蚂蚁在1.4亿年的生存竞争中获得优势，演化成为地球上极具优势的动物类群。
　　研究成果以＂A single-cell transcriptomic atlas tracking the neural basis of pision of labour in an ant superorganism＂为题，于6月16日发表在《自然—生态与演化》上。
　　解构蚂蚁社会
　　生命的演化充满了从简单到复杂的转变，如从单细胞生物到多细胞生物，从独立生活的个体到有着高度分工的社会性群体。蚂蚁等社会性昆虫由于有着明确的社会分工和高度有序的社会组织，一直备受生物学家和社会学家关注，并被冠以＂超有机体＂或＂超个体＂(superorganism)之名。在这一概念下，整个群体被和多细胞生物个体类比，蚁后作为繁殖品级被视为超有机体的＂生殖细胞＂，而工蚁等劳动品级则被视为超有机体的＂体细胞＂。虽然该理论已提出上百年，却一直停留在假说阶段，没有确凿的证据，对于蚁群如何在发育过程中形成＂超有机体＂更是知之甚少。
　　昆明动物所与浙江大学、华大基因、哥本哈根大学等国内外团队合作，对不同发育阶段的蚂蚁个体进行微量RNA测序，分析蚂蚁个体发育分化的表达图式。研究发现，在蚂蚁等级分化的早期，虽然蚁后与工蚁没有外部形态差异，但两者的基因调控网络已经截然不同。随着时间推移，蚁后与工蚁的基因表达差异逐渐增大，而同一等级个体间的基因表达则愈加相像。该现象与沃丁顿（C. H. Waddington）在1940年提出的表观遗传学模型所吻合。该模型最初是用于描述多细胞生物的胚胎发育和干细胞分化过程，并解释了生物体的器官定向分化并有着固定形态与功能的原因。这意味着蚁后和工蚁的等级分化与细胞分化类似，其形态发育会限制在特定的分化轨道上（渠化, canalization）并朝着特定的目标前进。该研究将为探寻生命复杂性演化和发育调控提供新的思路。
　　《自然—生态与演化》封面文章
　　研究成果以＂Canalized gene expression during development mediates caste differentiation in ants＂为题，于10月3日发表在《自然—生态与演化》上。