Муравьиные матки научились клонировать самцов другого вида для спаривания с дочерьми

❋ 4.2

Королевы иберийских муравьев-жнецов производят не только потомство своего вида, но и с помощью клонирования выводят самцов другого вида. После появления на свет «чужаки» становятся отцами всех рабочих особей в колонии. О муравьином парадоксе, который меняет привычные представления о размножении и выживании муравьиных колоний, ученые знали давно, но не было достаточно данных, чтобы в нем разобраться. Теперь они появились.

Биология

# ДНК

# матка

# муравей

# муравьи

# спаривание

Муравьи-самцы двух видов от одной королевы: Messor ibericus (слева) и Messor structor (справа) / © Jonathan Romiguier

Во время экспедиции на итальянский остров Сицилия команда биологов под руководством Джонатана Ромигье (Jonathan Romiguier) из Университета Монпелье во Франции изучила иберийских муравьев-жнецов (Messor ibericus) и обнаружила у них одну странность. Выяснилось, что во всех колониях рабочие муравьи — стерильные самки, которые живут от нескольких недель до нескольких лет — были гибридами. Примерно половина их ДНК совпала с ДНК степного муравья-жнеца (Messor structor), то есть с представителем другого вида.

Тогда Ромигье и его коллеги предположили, что вероятнее всего самки появились на свет от самцов Messor structor, которые родились после спаривания их «отцов» с королевой Messor ibericus. Межвидовое скрещивание происходит у некоторых других видов муравьев, но пока ученые не знают почему. Существует два наиболее вероятных объяснения. Первое — гетерозис, когда потомство от смешения двух близкородственных видов получается более жизнеспособным и здоровым.

Второе объяснение может скрываться в уникальной генетической проблеме Messor ibericus. Когда королева спаривается с самцами своего вида, все потомство развивается в новых королев. Рабочие не появляются, а без них колония обречена на гибель. Спаривание с представителями другого вида может быть эволюционным механизмом, помогающим обойти это препятствие.

Но загадка в том, что колонии Messor ibericus встречаются и в регионах, где Messor structor вовсе не живут. Например, на той же Сицилии. И все же там в гнездах исследователи находили странных самцов без волосков на теле, похожих на Messor structor. Как такое возможно?

Разобраться в парадоксе помог генетический анализ «чужаков». Ромигье и его коллеги исследовали митохондриальную ДНК таких самцов — небольшой участок генома, который передается исключительно по материнской линии. Оказалось, она принадлежала виду Messor ibericus. Это означало только одно: матерью самцов Messor structor была королева Messor ibericus.

Чтобы проверить гипотезу, ученые собрали почти 50 колоний иберийских муравьев-жнецов и два года наблюдали за ними в лаборатории. Выведение самцов в неволе — задача крайне сложная. Однако удача все же улыбнулась исследователям, когда в лаборатории родились три гибридных самца. Это стало доказательством: королева Messor ibericus действительно способна производить на свет самцов двух видов — своего и чужого.

Каким же образом происходит оплодотворение, ведь в исследуемых колониях не было живых представителей другого вида? Единственное возможное объяснение — клонирование «чужаков» из спермы Messor structor, хранящейся в специализированном органе, называемом сперматекой.

муравьи двух видов — Королевы M. ibericus порождают на свет двух внешне и генетически разных типов самцов: «свои» (M. ibericus — с волосками) и «чужих» (M. structor — без волосков). У этих самцов разная роль — сперма M. ibericus дает начало новым маткам, а сперма M. structor — рабочим особям. При этом у всех этих существ общая митохондриальная ДНК — от M. ibericus / © Jonathan Romiguier

Яйцо королевы содержит ее собственный генетический материал. Если яйцо не оплодотворено сперматозоидом, из него развивается самец Messor ibericus, если оплодотворено — самка (будущая королева). То есть самцы своего вида происходят прямо из генов матери, без отцовского вклада, самки — наоборот, с участием отца. Первый способ размножения называют гаплодиплоидным.

Если в прошлом королева Messor ibericus спарилась с самцами своего вида и Messor structor, в ее сперматеке хранятся два типа спермы: «своя» (от Messor ibericus) и «чужая» (от Messor structor). Когда королева производит на свет самца Messor structor, она использует «чужую» сперму. Но применяет ее не по прямому назначению, не для оплодотворения яйцеклетки, а как генетический контейнер для клона. Происходит не оплодотворение, а замещение генетического материала яйцеклетки генетическим материалом сперматозоида.

Сперматозоид Messor structor, по-видимому, полностью уничтожает или деактивирует ядерную ДНК яйцеклетки королевы. После этого ДНК самца Messor structor, используется для создания эмбриона. Единственное, что остается от королевы-матери в яйце, — митохондриальная ДНК. В результате получается копия (клон) самца, поскольку воспроизводятся гены отца, а вклад матери минимален.

Такое решение природы обеспечивает выживание колонии. Королевы производят на свет два типа репродуктивных самцов. Ее дочери, будущие королевы, спариваются с самцами своего вида, Messor ibericus, чтобы произвести новое поколение маток. А для создания армии рабочих дочери используют самцов-клонов Messor structor. Их сперма дает жизнеспособное гибридное потомство рабочих, а также новых клонированных самцов Messor structor для будущих поколений.

В природе известны случаи, когда сперма самца одного вида «обманывает» яйцеклетку самки другого вида, заставляя ее производить чужеродное потомство. Но такой паразитизм выгоден только самцу. У иберийских муравьев-жнецов все устроено иначе, им выгоден симбиоз.

Королевы не могут обойтись без клонированных самцов, чтобы поддерживать жизнедеятельность колонии, а те, в свою очередь, нуждаются в королеве, чтобы воспроизвести себе подобных. Кроме того, «чужаки» живут и защищаются благодаря гибридным рабочим, которые кормят и охраняют всех. И еще важное: нет свидетельств, что клоны Messor structor когда-либо спаривались с самками своего вида, то есть они не возвращаются к «родной» половой репродукции.

Поскольку клоны Messor structor не получают новых генов извне, они накапливают опасные мутации. Это делает всю линию уязвимой и в долгосрочной перспективе может привести к ее вырождению. Однако пока механизм работает. Колонии Messor ibericus успешно распространяются по Средиземноморью, занимая даже те регионы, где Messor structor ранее не встречался.

Результаты исследования представлены в журнале Nature.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Автор публикует материалы по астрономии, археологии и палеонтологии. В текстах освещает современные открытия, теории и ключевые находки, представляя актуальные данные в научно-популярном формате.