Ameisen haben vier- bis fünfmal mehr Geruchsrezeptoren als die meisten anderen Insekten, hat ein Forscherteam entdeckt.Das Forschungsteam unter der Leitung von Lawrence Zwiebel von Vanderbilt hat kürzlich die erste vollständige Karte des olfaktorischen Systems fertiggestellt, die Ameisen mit ihrem Geschmacks- und Geruchssinn versorgt. Sie fanden heraus, dass die fleißigen Insekten Gene haben, die etwa 400 verschiedene Geruchsrezeptoren bilden, spezielle Proteine, die verschiedene Gerüche erkennen. Zum Vergleich: Seidenmotten haben 52, Fruchtfliegen haben 61, Mücken reichen von 74 bis 158 und die Honigbiene hat 174.“Der aufregendste Moment für mich war, als die Analyse zeigte, dass wir mehr als 400 OR-Gene identifiziert hatten, die größte Anzahl aller bekannten Insektenarten“, sagte Xiaofan Zhou, der wissenschaftliche Mitarbeiter, der den Charakterisierungsprozess leitete. „Es bedeutete, dass wir erfolgreich den ersten Schritt in Richtung eines neuen Verständnisses des komplexen sozialen Systems getan hatten, das Ameisen zu einer der erfolgreichsten Familien der Welt gemacht hat.“
Die Menschen sind seit langem fasziniert und inspiriert von der Fähigkeit der Ameisen, hochorganisierte Kolonien mit Arbeitsteilung und Kommunikation zwischen Individuen zu bilden und die Fähigkeit, komplexe Probleme zu lösen. Seit einiger Zeit wissen Wissenschaftler auch, dass die chemische Kommunikation eine wichtige Rolle im Verhalten von Ameisen spielt. „Es ist also eine vernünftige Annahme, dass diese dramatische Erweiterung der Geruchserkennungsfähigkeit es den Ameisen ermöglichte, ein so hohes Maß an sozialer Organisation zu entwickeln“, sagte Laurence Zwiebel, Professor für Biowissenschaften, der die neue Studie leitete, die im August veröffentlicht wurde. 30 ausgabe der Zeitschrift PLoS Genetics.Zwiebels Team charakterisierte die olfaktorischen Systeme zweier deutlich unterschiedlicher Ameisenarten im Rahmen eines interdisziplinären Projekts mit dem Titel „Epigenetics of Behavior, Longevity and Social Organization in Ants“, das von Danny Reinberg von der New York University geleitet und vom Howard Hughes Medical Institute finanziert wurde. Im Jahr 2010 sequenzierte das Projekt erstmals die Genome der beiden Arten – der Florida–Zimmermannsameise (Camponotus floridanus) und der indischen Springameise (Harpegnathos saltator). Diese Bemühungen bereiteten die Voraussetzungen, um die detaillierte olfaktorische Untersuchung zu ermöglichen.
Das olfaktorische System der meisten Insekten ist in ihren Antennen zentriert und besteht im Großen und Ganzen aus drei verschiedenen Klassen von Rezeptoren: Geruchsrezeptoren (ORs), die verschiedene aromatische Verbindungen und Pheromone identifizieren; Geschmacksrezeptoren (GRs), die zwischen verschiedenen Geschmacksrichtungen unterscheiden und auf einige Pheromone; und neu entdeckte ionotrope Glutamatrezeptoren (IRs), die eng auf verschiedene giftige und toxische Verbindungen abgestimmt sind. Die Studie ergab, dass die primäre Expansion im olfaktorischen System der Ameise auf ORs konzentriert ist. Die Anzahl der GRs und IRs ist vergleichbar mit denen anderer Insekten.
Die erste automatisierte Analyse der beiden Ameisengenome ergab nur etwa 100 Gene für ORs und zehn GRs. „Wir wussten, dass diese Zahlen niedrig waren, weil olfaktorische Rezeptoren sehr schwer zu identifizieren sind“, sagte Zhou. Deshalb entwickelten er und seine Kollegen zu diesem Zweck ein neuartiges automatisiertes bioinformatisches Verfahren, kombiniert mit einer umfangreichen manuellen Auswertung.
Die Forscher verglichen auch die Identitäts- und Expressionsniveaus von ORs in den beiden Arten und fanden signifikante Unterschiede. Dies war nicht überraschend, da die beiden Arten ausgewählt wurden, um die hohe Vielfalt innerhalb der Ameisenfamilie widerzuspiegeln. Zimmermannsameisen leben in großen Kolonien mit langlebigen Königinnen, die alle befruchteten Eier produzieren. Es gibt zwei Kasten steriler Arbeiter. Wenn die Königin stirbt, stirbt auch die Kolonie. Springende Ameisen dagegen leben in kleinen Gruppen, der Unterschied zwischen Königin und Arbeitern istbegrenzt, und einige Arbeiter können sich paaren und befruchtete Eier legen. „Die Unterschiede in den Rezeptoren sind höchstwahrscheinlich mit dem Unterschied in der Lebensweise der beiden Arten verbunden“, sagte Zhou.
In ähnlicher Weise fand ihre Analyse wichtige Unterschiede in den ORs in den Antennen von Männern und Frauen. Insgesamt fanden sie heraus, dass die Männchen nur ein Drittel der Anzahl von ORs haben, die die Weibchen ausdrücken. „Die primäre Rolle der Männchen ist die Befruchtung der Eier, also gehen wir davon aus, dass die ORs, die Männchen exprimieren und die Weibchen nicht, wahrscheinlich auf Pheromone abgestimmt sind, die von der Königin produziert werden“, sagte Zhou.
Das Team unternahm auch die ersten Schritte zur Identifizierung der chemischen Signale, die bestimmte ORs auslösen. Der wissenschaftliche Mitarbeiter Jesse Slone adaptierte einen Assay, den die Gruppe ursprünglich entwickelt hatte, um ORs mit chemischen Signalen in der Malariamücke abzugleichen. Der Test beinhaltet das Einfügen des Gens für einen Rezeptor in Froscheier, so dass die Rezeptoren auf der Oberfläche des Eies exprimiert werden. Indem sie die Eier verdrahten und sie dann verschiedenen chemischen Verbindungen aussetzen, erzeugen die Eier ein messbares elektrisches Signal, wenn der Rezeptor aktiviert wird.
Slone verwendete diesen Test, um die Verbindungen zu identifizieren, die eine ODER bei jeder der Ameisenarten auslösen. Er fand heraus, dass eine aromatische Verbindung in Anis die Reaktion der von ihm getesteten springenden Ameise auslöste. Die Rezeptoren wurden sowohl bei Männern als auch bei Arbeitern gefunden. Da Studien gezeigt haben, dass Anisöl eine abweisende und / oder insektizide Wirkung auf einige Insektenarten hat, kann die Verbindung ein allgemeines Insektenschutzmittel sein, das dieses MITTEL erkennen soll, spekuliert Slone.
Im Vergleich dazu reagierte der Geruch der Zimmermannsameise auf einen natürlich vorkommenden Geruch, der in gekochtem Rind- und Schweinefleisch vorkommt. Die Wissenschaftler haben keine Ahnung, warum diese Verbindung für die Ameisen relevant ist, aber sie haben festgestellt, dass der spezifische Rezeptor bei Arbeitern im Vergleich zu Männern verstärkt ist.
„Das ist erst der Anfang. Aber wir haben gezeigt, dass wir die grundlegenden Werkzeuge haben, die wir brauchen, um als „OR-Detektive“ zu fungieren, um den „Geruchsraum“ der Ameisen abzubilden und die chemischen Signale zu identifizieren, die bestimmte Verhaltensweisen im umfangreichen Repertoire der Ameise auslösen „, sagte Slone.
Dies ist die Eröffnung einer großen neuen Forschungsstraße für das Zwiebel-Labor, die sich auf Pionierarbeiten konzentriert hat, die das olfaktorische System der Malariamücke dekonstruieren. „Als ich in der Graduiertenschule war, träumte eine Gruppe von uns davon, die Rolle zu entschlüsseln, die Gene im sozialen Verhalten von Ameisen spielen könnten. Also konnte ich mir diese Gelegenheit nicht entgehen lassen, als sie kam. Es hat 30 Jahre gedauert, aber wir sind endlich an dem Punkt angelangt, an dem wir diese Studien tatsächlich durchführen können.“
Assistant Professor für Biowissenschaften Antonis Rokis, Professor Shelley Berger an der University of Pennsylvania, Assistant Professor Jürgen Liebig an der Arizona State University, Assistant ProfessorAnandasankar Ray an der University of California, Riverside und Professor Danny Reinberg an der New York University trugen ebenfalls zu der Studie bei, die vom Howard Hughes Medical Institute finanziert wurde.