昆明动物所揭示保幼激素在蚂蚁等级不对称分化中的关键作用
一个蚁群中通常包含两种在形态上显著分化的成年雌蚁：蚁后和工蚁。著名蚁学家威廉·莫顿·惠勒（William Morton Wheeler）最早提出“超有机体”（Superorganism）这一概念，将整个蚁巢视为一个类似于多细胞生物的结构。这个类比中，蚁后被视为具有繁殖能力的“生殖细胞”，能够产生下一代蚁巢中的所有个体；而工蚁则承担着觅食、育幼及防御等任务，维持巢穴的日常运作，相当于多细胞生物体内的各种“体细胞”。这种品级之间的功能分化是昆虫群体演化成为超有机体的关键特征之一。除了蚂蚁所属的膜翅目蚁科（Formicidae）外，膜翅目下的胡蜂亚科（Vespinae）与蜜蜂亚科（Apinae）中的部分类群，以及蜚蠊目的白蚁，也具有形态上明显分化的蚁后和工蚁，因此，这些昆虫同样被认为是超有机体。
渠化现象（canalization，分轨化）和形态整合（morphological integration）是调控同一物种不同个体在发育上产生表型差异的两个重要机制。专性多细胞生物和超有机体的出现是生命演化历程中两次重大且不可逆的转折性事件。近年来，研究者将康拉德·霍尔·沃丁顿（Conrad Hal Waddington）最初针对专性多细胞生物胚胎发育中提出的渠化概念推广至超有机体层面。这意味着，随着蚂蚁个体发育的进行，尽管有环境的扰动，蚁后和工蚁品级分化的命运仍越来越固定和不可逆。从转录组的角度具体表现为越靠近发育末期，不同品级之间的个体基因表达差异增加，而同一品级内部的个体基因表达差异降低。然而，一旦蚁后和工蚁品级的命运已经决定，并且个体已经沿着各自的轨迹进行了一段时间的渠化式发育之后，是否还能通过施加额外的扰动来打破渠化现象从而逆转品级分化，还尚未可知，有待于从器官发育和转录调控等层面进一步研究。
保幼激素（Juvenile hormone,JH）是昆虫发育中最重要的激素之一，其主要功能为保持幼虫状态和抑制早熟。在超有机体中，JH在幼虫发育阶段展现出更加多样化且复杂的功能。早前很多实验观察表明，JH的剂量及其作用时间窗口对决定蚁后和工蚁的命运以及工蚁内部不同亚品级的命运至关重要。然而，对于JH处理怎样打破品级分化过程中的渠化现象，各个器官对JH处理的响应有何不同，以及这一过程中涉及到的分子调控机制发生了怎样的重塑等问题，目前人们仍然知之甚少。
中国科学院昆明动物研究所生物多样性基因组学研究团队长期致力于对蚂蚁蚁后和工蚁品级分化的研究。此前以法老蚁（Monomorium pharaonis）为模式物种，发现生殖细胞在工蚁末龄胚胎和一龄幼虫中已经彻底消失，说明该物种蚁后和工蚁的品级分化的启动时间提前至了胚胎或卵子形成期，并且通过全发育期的单个体转录组测序，说明该物种的品级分化是一个渠化式发育过程。研究团队以此为基础，通过对三龄工蚁幼虫持续饲喂JH类似物（以下简称为JH工蚁），发现由成虫盘发育而来的器官，包括翅、单眼、复眼、触角柄节、交配囊、储精囊和输卵管等，都能像蚁后一样完整发育（图1）。通过荧光原位杂交技术，确定了多个器官特异标记基因：复眼和单眼基因sine oculis和eyes absent，以及翅的标记基因vestigial和engrailed，也响应于JH诱导，在JH工蚁中特异高表达（图2）。此外，研究团队通过苏木精-伊红染色、脂滴染色和大脑三维重构，确定了JH工蚁在飞行肌、脂肪体和大脑（包括蘑菇体、触角叶、视叶和中央复合体等脑区）等器官上表现出更大的体积，使这些器官的发育特征更接近蚁后。然而，JH的诱导却始终不能对卵巢起作用，与对照组工蚁一样，JH工蚁中始终没有发育出卵巢，说明工蚁卵巢的发育不受三龄幼虫期间JH类似物处理的影响，也进一步提示蚂蚁不同品级生殖细胞系和体细胞系分化的时间窗口是不对称的，在发育过程中具有异时性。研究团队进一步以vasa和headcase作为标记基因，通过幼虫整体的荧光原位杂交技术，确认了构成卵巢的生殖细胞和体细胞都在工蚁三龄幼虫中完全消失，证实了JH工蚁无法发育出卵巢。行为学分析显示，JH工蚁羽化为成虫后，虽然其外在形态已经十分接近蚁后，然后，其活动力介于工蚁和蚁后之间，不能完全复现蚁后的行为模式，这提示其行为受大脑发育和卵巢缺失的共同影响。
为了阐明JH处理逆转蚂蚁不同品级渠化发育的分子机制，研究团队对三龄幼虫期、预蛹期和蛹期的单个体进行了转录组测序，并且对JH工蚁、对照组工蚁和蚁后之间的基因表达差异进行量化，发现随着发育的进行，JH工蚁与蚁后的差距减小并且与对照组工蚁的差距增大（图3）。这个结果表明JH类似物处理可以打破品级分化过程中的渠化现象，并且把工蚁的发育轨迹逆转成蚁后，这与JH工蚁除了卵巢之外其余各器官的发育都与蚁后类似的表型相吻合。研究团队进一步筛选出了95个响应于JH且表达模式呈现出高度渠化现象的核心基因，为深入探索JH介导的渠化式品级分化机制提供了候选靶标。
基于以上研究结果，并且在经典的二分发育模型的基础上，团队提出了一个以JH为核心的蚂蚁品级发育和演化的模型。该模型指出，在蚂蚁向超有机体不可逆的演化过程中，不同器官逐渐演化出了新的分子机制来直接响应JH的调控，即JH信号通路下调和上调促使各器官分别向工蚁和蚁后方向渠化式发育。各器官响应JH的时间段存在发育异时性，例如在法老蚁中，卵巢可能在胚胎期响应JH，而其它由体细胞组成的器官则主要在三龄幼虫期响应JH，这体现了JH对于各器官的模块化调控。团队进一步提出，如果各器官响应JH的时间段在发育上有部分重叠，那么自然情况下JH在时间和空间上的扰动可能会导致嵌合了蚁后和工蚁的中间品级个体的产生，即一部分器官沿着蚁后方向发育，另一部分器官则沿着工蚁方向发育（图4）。根据蚁群超有机体适应环境的需要，这些中间品级个体在偶然情况下可以通过作用在整个蚁群层面的自然选择作用而得以固定下来，并且进一步演化成拟工蚁和兵蚁等新型蚂蚁品级，从而优化整个蚁群的生存与繁殖能力。这一过程可能是解释为什么多个蚂蚁类群中会出现亚品级多态性的一个重要因素。
近日该成果以“Juvenile hormone as a key regulator for asymmetric caste differentiation in ants”为题，在线发表于PNAS。丹麦哥本哈根大学博士研究生李儒岩和中国科学院昆明动物研究所博士研究生戴学勤为该论文的共同第一作者，中国科学院昆明动物研究所刘薇薇副研究员与浙江大学生命演化研究中心张国捷教授为共同通讯作者。浙江大学生命演化研究中心郑霁轩，丹麦哥本哈根大学Rasmus Stenbak Larsen、Joel Vizueta博士和Jacobus J. Boomsma教授，以及中国科学院昆明动物研究所博士研究生杞燕梅和张霞芳参与了部分工作。本研究得到国家自然科学基金基础科学中心（32388102）、面上项目（32170631）、云南省科学技术厅（202301AT070291）和Villum Foundation（25900）的共同资助。