mrówki mają cztery do pięciu razy więcej receptorów zapachowych niż większość innych owadów-odkrył zespół naukowców.
zespół badawczy, kierowany przez Lawrence Zwiebel w Vanderbilt, niedawno ukończył pierwszą pierwszą pełną mapę układu węchowego, który zapewnia mrówkom poczucie smaku i zapachu. Odkryli, że pracowite owady mają geny, które tworzą około 400 różnych receptorów zapachowych, specjalne białka, które wykrywają różne zapachy. Dla porównania, ćmy jedwabne mają 52, muszki owocowe 61, komary wahają się od 74 do 158, a pszczoła miodna ma 174.
„najbardziej ekscytującym momentem był dla mnie powrót analizy pokazującej, że zidentyfikowaliśmy ponad 400 lub geny, największą liczbę znanych gatunków owadów”, powiedział Xiaofan Zhou, współpracownik badawczy, który kierował procesem charakteryzacji. „Oznaczało to, że z powodzeniem zrobiliśmy pierwszy krok w kierunku uzyskania nowego poziomu zrozumienia złożonego systemu społecznego, który uczynił mrówki jedną z najbardziej udanych rodzin na świecie.”
ludzie od dawna są zaintrygowani i zainspirowani zdolnością mrówek do tworzenia wysoce zorganizowanych kolonii z podziałem praca, komunikacja między osobami i umiejętność rozwiązywania złożonych problemów. Od pewnego czasu naukowcy wiedzą również, że komunikacja chemiczna odgrywa ważną rolę w zachowaniu mrówek. „Jest więc rozsądnym przypuszczeniem, że to dramatyczne rozszerzenie zdolności wykrywania zapachów pozwoliło mrówkom rozwinąć tak wysoki poziom organizacji społecznej”, powiedział Laurence Zwiebel, profesor nauk biologicznych, który kierował nowym badaniem, które zostało opublikowane w Aug. 30 numer czasopisma PLOS Genetics.
zespół Zwiebela scharakteryzował systemy węchowe dwóch wyraźnie różnych gatunków mrówek w ramach interdyscyplinarnego projektu zatytułowanego „Epigenetics of Behavior, Longevity and Social Organization in Ants”, kierowanego przez Danny ’ ego Reinberga Z New York University i finansowanego przez Howard Hughes Medical Institute. W 2010 roku w ramach projektu po raz pierwszy zsekwencjonowano genomy dwóch gatunków – Mrówki Florydańskiej (Camponotus floridanus) i indyjskiej skaczącej (Harpegnathos saltator). Ten wysiłek ustawił scenę, aby umożliwić szczegółowe badanie węchowe.
układ węchowy większości owadów jest skoncentrowany w ich antenach i zasadniczo składa się z trzech różnych klas receptorów: receptorów zapachowych (ORs), które identyfikują różne związki aromatyczne i feromony; receptorów smakowych (GRs), które rozróżniają różne smaki i reagują na niektóre feromony; i nowo odkryte jonotropowe receptory glutaminianu (IRs), które są wąsko dostrojone do różnych trujących i toksycznych związków. Badanie wykazało, że pierwotna ekspansja w układzie węchowym mrówki koncentruje się na ORs. Liczba GRs i IRs są porównywalne do tych występujących u innych owadów.
początkowa automatyczna analiza dwóch genomów mrówek wykazała tylko około 100 genów dla Or i dziesięć GRs. „Wiedzieliśmy, że te liczby są niskie, ponieważ receptory węchowe są bardzo trudne do zidentyfikowania”, powiedział Zhou. Tak więc on i jego koledzy zaprojektowali w tym celu nowatorski zautomatyzowany proces bioinformatyczny, połączony z obszerną oceną manualną.
naukowcy porównali również poziom tożsamości i ekspresji or u obu gatunków i odkryli znaczące różnice. Nie było to zaskakujące, ponieważ oba gatunki zostały wybrane, aby odzwierciedlić wysoki poziom różnorodności, który istnieje w rodzinie mrówek. Mrówki cieśli żyją w dużych koloniach z długowiecznymi królowymi, które produkują wszystkie zapłodnione jaja. Są dwie kasty sterylnych robotników. Kiedy królowa umiera, Kolonia też. Skaczące mrówki natomiast żyją w małych grupach, różnica między królową a robotnikami jest ograniczona, a niektórzy robotnicy mogą kojarzyć się i składać zapłodnione jaja. „Różnice w receptorach są najprawdopodobniej związane z różnicą w stylu życia obu gatunków” – powiedział Zhou.
podobnie, ich analiza wykazała istotne różnice w RNO w czułkach samców i samic. Ogólnie okazało się, że samce mają tylko jedną trzecią liczby RNO, którą wyrażają samice. „Podstawową rolą samców jest zapłodnienie jaj, więc zakładamy, że ORs, że samce wyrażają i że kobiety nie są prawdopodobnie dostrojone do feromonów produkowanych przez królową,” Zhou powiedział.
zespół podjął również wstępne kroki w identyfikacji sygnałów chemicznych, które uruchamiają określone RNO. Współpracownik badawczy Jesse Slone zaadaptował test, który grupa początkowo opracowała w celu dopasowania Or z sygnałami chemicznymi w komarze malarii. Test polega na wstawieniu genu receptora do żabich jaj tak, że receptory są ekspresji na powierzchni jaja. Poprzez okablowanie jaj, a następnie wystawienie ich na działanie różnych związków chemicznych, jaja wytwarzają mierzalny sygnał elektryczny, gdy receptor jest aktywowany.
Slone wykorzystał ten test do identyfikacji związków, które wywołują jeden lub każdy z gatunków mrówek. Odkrył, że związek aromatyczny znaleziony w anyżu wywołał operację od skaczącej mrówki, którą testował. Receptory stwierdzono zarówno u mężczyzn, jak i pracowników. Ponieważ badania wykazały, że olej anyżowy ma działanie odstraszające i/lub owadobójcze na niektóre gatunki owadów, związek może być ogólnym środkiem odstraszającym owady, który ten lub jest przeznaczony do wykrywania, spekuluje Slone.
dla porównania OR od mrówki cieśli okazał się reagować na naturalnie występujący zapach występujący w gotowanej wołowinie i wieprzowinie. Naukowcy nie mają pojęcia, dlaczego ten związek jest istotny dla mrówek, ale ustalili, że specyficzny receptor jest wzmocniony u pracowników, w porównaniu do samców.
” to dopiero początek. Ale wykazaliśmy, że mamy podstawowe narzędzia, których potrzebujemy, aby działać jako „detektywi”, aby mapować mrówki „przestrzeń zapachową” i zidentyfikować sygnały chemiczne, które wyzwalają określone zachowania w rozległym repertuarze mrówek”, powiedział Slone.
oznacza to otwarcie nowej, ważnej drogi Badawczej dla laboratorium Zwiebel, które koncentruje się na pionierskich pracach dekonstruujących układ węchowy komara malarii. „Kiedy byłem na studiach, grupa z nas marzyła o rozszyfrowaniu roli, jaką geny mogą odgrywać w zachowaniach społecznych mrówek. Więc nie mogłem przegapić tej okazji, kiedy nadeszła. Zajęło nam to 30 lat, ale w końcu dotarliśmy do punktu, w którym możemy przeprowadzić te badania.”
adiunkt nauk biologicznych Antonis Rokis, profesor Shelley Berger na University of Pennsylvania, adiunkt Jürgen Liebig na Arizona State University, Adiunktanandasankar Ray na University of California, Riverside i profesor Danny Reinberg na New York University również przyczynili się do badania, które było finansowane przez Howard Hughes Medical Institute.