mieren hebben vier tot vijf keer meer geurreceptoren dan de meeste andere insecten, heeft een team van onderzoekers ontdekt.
het onderzoeksteam, geleid door Lawrence Zwiebel van Vanderbilt, voltooide onlangs de eerste volledige kaart van olfactorisch systeem dat mieren hun gevoel voor smaak en geur geeft. Ze vonden dat de ijverige insecten genen hebben die ongeveer 400 verschillende geurreceptoren maken, speciale eiwitten die verschillende geuren detecteren. Ter vergelijking: zijdevlinders hebben 52, fruitvliegen 61, muggen variëren van 74 tot 158 en de honingbij heeft 174.
“het meest opwindende moment voor mij was toen de analyse terugkwam waaruit bleek dat we meer dan 400 of genen hadden geïdentificeerd, het grootste aantal bekende insectensoorten,” zei Xiaofan Zhou, de onderzoeksmedewerker die het karakterisatieproces leidde. “Het betekende dat we met succes de eerste stap hadden gezet naar het verkrijgen van een nieuw niveau van begrip van het complexe sociale systeem dat mieren een van de meest succesvolle families op de planeet heeft gemaakt.”
mensen zijn al lang geïntrigeerd en geïnspireerd door het vermogen van mieren om sterk georganiseerde kolonies te vormen met arbeidsverdeling, communicatie tussen individuen en het vermogen om complexe problemen op te lossen. Sinds enige tijd weten wetenschappers ook dat chemische communicatie een belangrijke rol speelt in het gedrag van mieren. “Dus het is een redelijke veronderstelling dat deze dramatische uitbreiding van geur-sensing vermogen is wat mieren in staat gesteld om zo’ n hoog niveau van sociale organisatie te ontwikkelen, ” zei Laurence Zwiebel, hoogleraar biologische wetenschappen, die de nieuwe studie die werd gepubliceerd in de Aug geleid. 30 nummer van het tijdschrift PLoS Genetics.Zwiebel ‘ s team karakteriseerde de olfactorische systemen van twee duidelijk verschillende mierensoorten als onderdeel van een interdisciplinair project getiteld “Epigenetics of Behavior, Longevity and Social Organization in Ants”, geleid door Danny Reinberg van de New York University en gefinancierd door het Howard Hughes Medical Institute. In 2010 werd het genoom van de twee soorten – de timmermier uit Florida (Camponotus floridanus) en de Indiase springende mier (Harpegnathos saltator) – voor het eerst gesequeneerd. Deze inspanning vormde de basis om de gedetailleerde olfactorische studie mogelijk te maken.
het reuksysteem van de meeste insecten is gecentreerd in hun antennes en bestaat in grote lijnen uit drie verschillende klassen receptoren: geurreceptoren (ORs), die verschillende aromatische verbindingen en feromonen identificeren; smaakreceptoren (GRs), die verschillende smaken onderscheiden en reageren op sommige feromonen; en nieuw ontdekte ionotrope glutamaatreceptoren (IRs), die nauw zijn afgestemd op verschillende giftige en giftige verbindingen. De studie toonde aan dat de primaire expansie in het olfactorische systeem van de mier gericht is op ORs. Het aantal gr ‘ s en IRs is vergelijkbaar met dat van andere insecten.
de eerste geautomatiseerde analyse van de twee mier genomen vond slechts ongeveer 100 genen voor UPR ’s en tien gr’ s. “We wisten dat deze aantallen laag waren omdat reukreceptoren zeer moeilijk te identificeren zijn,” zei Zhou. Daarom ontwierpen hij en zijn collega ‘ s een nieuw geautomatiseerd bioinformatisch proces, gecombineerd met uitgebreide handmatige evaluatie.
de onderzoekers vergeleken ook zowel de identiteits-als expressieniveaus van UPR ‘ s in de twee soorten en vonden significante verschillen. Dit was niet verwonderlijk omdat de twee soorten werden geselecteerd om de hoge mate van diversiteit die bestaat binnen de mierenfamilie te weerspiegelen. Timmermieren leven in grote kolonies met langlevende koninginnen die alle bevruchte eieren produceren. Er zijn twee kasten van steriele arbeiders. Als de koningin sterft, sterft de kolonie ook. Springende mieren leven daarentegen in kleine groepen, het verschil tussen de koningin en de arbeiders is beperkt, en sommige arbeiders kunnen paren en bevruchte eieren leggen. “De verschillen in receptoren zijn zeer waarschijnlijk geassocieerd met het verschil in levensstijl van de twee soorten,” Zhou zei.
Op dezelfde manier vond hun analyse belangrijke verschillen in de UPR ‘ s in de antennes van mannetjes en vrouwtjes. In het algemeen vonden ze dat de mannetjes slechts een derde van het aantal Or ‘ s hebben dat de vrouwtjes uitdrukken. “De primaire rol van mannetjes is bevruchting van eieren, dus we gaan ervan uit dat de OK’ s die mannetjes uitdrukken en dat de vrouwtjes niet waarschijnlijk zijn afgestemd op feromonen geproduceerd door de koningin,” Zhou zei.
het team nam ook de eerste stappen bij het identificeren van de chemische signalen die specifieke UPR ‘ s veroorzaken. Onderzoeksmedewerker Jesse Slone paste een test aan die de groep aanvankelijk ontwikkelde voor het matchen van ORs met chemische signalen in de malariamug. De analyse impliceert het invoegen van het gen voor een receptor in kikkereieren zodat de receptoren op de oppervlakte van het ei worden uitgedrukt. Door de eieren te bedraden en ze vervolgens bloot te stellen aan verschillende chemische verbindingen, produceren de eieren een meetbaar elektrisch signaal wanneer de receptor wordt geactiveerd.
Slone gebruikte deze test om de verbindingen te identificeren die één of op elk van de mierensoorten veroorzaken. Hij vond dat een aromatische verbinding gevonden in anijs de OK activeerde van de springende mier die hij testte. De receptoren werden gevonden bij zowel mannen als werknemers. Aangezien studies hebben aangetoond dat anijsolie een afweermiddel en/of insectendodende werking heeft op sommige soorten insecten, kan de verbinding een algemeen insectenwerend middel zijn dat deze of is ontworpen om te detecteren, Slone speculeert.
ter vergelijking bleek de OR van de timmermier te reageren op een van nature voorkomende geur die voorkomt in gekookte rund-en varkensvlees. De wetenschappers hebben geen idee waarom deze verbinding relevant is voor de mieren, maar ze hebben vastgesteld dat de specifieke receptor is verbeterd in werknemers, ten opzichte van mannen.
” Dit is nog maar het begin. Maar we hebben aangetoond dat we de basis tools die we nodig hebben om op te treden als ‘of detectives’ om de mieren ‘geur ruimte’ in kaart te brengen en identificeren van de chemische signalen die specifiek gedrag in uitgebreide repertoire van de mier triggeren,” Slone zei.
Dit is de opening van een belangrijke nieuwe onderzoeksloop voor het Zwiebel-Lab, dat is gericht op baanbrekend werk deconstrueren van het olfactorische systeem van de malariamug. “Toen ik op de graduate school zat, droomde een groep van ons over het ontcijferen van de rol die genen zouden kunnen spelen in mieren sociaal gedrag. Dus ik kon deze kans niet laten liggen. Het heeft 30 jaar geduurd, maar we zijn eindelijk zover gekomen dat we deze studies daadwerkelijk kunnen doen.”
Assistant Professor of Biological Sciences Antonis Rokis, Professor Shelley Berger aan de University of Pennsylvania, Assistant Professor Jürgen Liebig aan de Arizona State University, Assistant ProfessorAnandasankar Ray aan de University of California, Riverside en Professor Danny Reinberg aan de New York University droegen ook bij aan de studie, die werd gefinancierd door het Howard Hughes Medical Institute.