Cell重磅！ 蚂蚁从恐龙时代就开始搞组织架构？华大参与解码“昆虫文明”

深圳商报·读创客户端首席记者 袁静娴

身长不足一厘米的蚂蚁，拥有足以令人类佩服的组织能力：它们无处不在，却无法独立生存；它们不靠语言沟通，却能协同建造惊人巢穴；它们没有领袖意识，却有最严密的分工体系，数量甚至超过了所有野生鸟类和哺乳动物的总和。蚂蚁是如何演化成地球上最庞大的社会系统之一？科学家在历时数年的全球合作研究后，给出了答案。

6月16日，由武汉华大生命科学研究院参与组织的“全球蚂蚁基因组联盟”（GAGA）在国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）上发表了一项重磅研究，揭示了蚂蚁适应性辐射与社会性演化的遗传基础。

研究团队通过整合全球163种不同蚂蚁的全基因组数据，重构了蚁科的生命之树，涵盖现生蚂蚁16个亚科中的12个 ，343个属中的97个。这项成果不仅澄清了蚁科物种复杂的亲缘关系，更是将蚂蚁的共同祖先追溯到约1.57亿年前的侏罗纪晚期。

找到决定蚂蚁社会性的关键因素

研究团队发现，在蚂蚁共同祖先的基因组中，与嗅觉感知相关的基因家族发生了显著扩增，表明蚂蚁的共同祖先已经具备社会通信的关键分子机制。而在社会性复杂度高的正蚁类（Formicoid）（占现存蚂蚁约90%）的共同祖先中，则发现许多蚁后-工蚁品级分化关联的基因存在正选择信号，表明与蚂蚁社会分工相关的关键通路在白垩纪时期经历了强烈的选择压力，这些关键通路在蚂蚁品级制度建立中具有关键作用。

蚂蚁染色体数目变动范围非常较大，单倍体染色体数目从1~60都有。通过对蚁科17个代表性物种的染色体结构进行比较，研究团队发现蚂蚁演化过程中染色体经历了大量的重排事件，尤其在如弓背蚁、大头蚁等物种丰富的属中，染色体重排速率显著上升。进一步研究发现，蚂蚁的染色体重排速率与物种多样性呈显著正相关，且远高于哺乳类、爬行类、鱼类等脊椎动物类群。

有趣的是，尽管蚂蚁染色体整体上具有较高的基因组重排速率，其基因组中仍保留了约970个保守共线性区域块，形成核心基因调控网络。这些核心网络不仅调控基础发育与代谢，同时也支撑了复杂社会系统功能的实现。

研究还发现，蚂蚁社会性状的演化受到一套高度保守的信号通路调控，包括保幼激素、MAPK和胰岛素三大信号通路。这些通路中的核心蛋白在决定蚂蚁个体身份，如蚁后与工蚁的分化中发挥着核心作用。

然而，不同种类的蚂蚁在调节“谁当蚁后、谁当工蚁”的过程中，这些信号通路的作用机制存在差异，反映出它们在自然选择下的适应性演化。例如，在社会性复杂度不同的物种中保幼激素与胰岛素信号通路发生了不同的适应性改变。同时，生物学实验证实了MAPK信号在蚂蚁品级分化中的调控作用。

蚂蚁社会的复杂组织结构来源于多个表型性状与生活史特征之间的相互作用。研究发现，决定蚂蚁社会性的两个关键因素是巢穴的群体规模，以及蚁后与工蚁之间的分化程度。这两者为其他社会性状的演化（如工蚁的体型差异、生殖能力的丧失等）奠定了基础。不同社会性状之间存在共享的遗传基础，往往作用于一组重叠的核心基因，并呈现出趋同的自然选择信号。这些性状之间的相关性，与基因组中自然选择的强化或减弱信号高度重叠，部分选择效应可能受到保守信号通路的调控。这些社会性状之间相互关联，进而重塑了核心基因调控网络，而这些核心基因调控网络则共同驱动了蚂蚁社会性状的演化进程。

揭示蚂蚁社会性演化的分子遗传基础

文章共同第一作者、中国科学院大学与华大生命科学研究院联合培养博士熊子军介绍说：“以保幼激素和胰岛素信号为核心的保守通路在蚂蚁社会性演化中发挥着重要作用，蚂蚁中许多社会性状之间存在显著的相关性，共同塑造了蚂蚁表型的多样性。我们的研究从基因水平、基因家族、基因调控网络和保守信号通路等多维度深入揭示了驱动蚂蚁社会性演化的分子遗传基础。”

文章共同通讯作者、中科院昆明动物研究所刘薇薇副研究员补充道：“研究加深了我们对社会性演化的理解，不仅构建了全面的性状/生活史数据集，而且建立了候选基因与蚂蚁社会性相关性状的功能联系，这为解析动物复杂性状的遗传机制提供了重要启示。”

“从宏观演化层面，我们的研究阐释了基因组演化和蚂蚁物种辐射性演化的相关性。通过对不同社会组织结构的蚂蚁物种的比较，我们寻找到与蚂蚁生殖分工和社会性特征相关的关键调控基因，揭示了基因网络-社会性特征网络协同演化。”项目的主要发起人、文章通讯作者、浙江大学生命演化研究中心张国捷教授总结说，“在基因网络模块重塑的过程中，不同表型性状相互关联、协同演化，最终促进了蚂蚁物种和社会性状的多样化。”

（图片由华大提供）