myror har fyra till fem gånger fler luktreceptorer än de flesta andra insekter, har ett forskargrupp upptäckt.
forskargruppen, ledd av Lawrence Zwiebel på Vanderbilt, slutförde nyligen den första första fullständiga kartan över luktsystem som ger myror sin känsla av smak och lukt. De fann att de flitiga insekterna har gener som gör cirka 400 distinkta luktreceptorer, speciella proteiner som upptäcker olika lukt. Som jämförelse har silkesmotar 52, fruktflugor har 61, myggor sträcker sig från 74 till 158 och honungsbiet har 174.
”det mest spännande ögonblicket för mig var när analysen kom tillbaka och visade att vi hade identifierat mer än 400 eller gener, det största antalet kända insektsarter”, säger Xiaofan Zhou, Forskningsassistenten som ledde upp karakteriseringsprocessen. ”Det innebar att vi framgångsrikt hade tagit det första steget mot att få en ny nivå av förståelse för det komplexa sociala systemet som har gjort myror till en av de mest framgångsrika familjerna på planeten.”
människor har länge fascinerats och inspirerats av myrornas förmåga att bilda högorganiserade kolonier med arbetsfördelning, kommunikation mellan individer och förmåga att lösa komplexa problem. Under en tid har forskare också vetat att kemisk kommunikation spelar en viktig roll i myrbeteende. ”Så det är ett rimligt antagande att denna dramatiska expansion I luktavkännande förmåga är det som gjorde det möjligt för myror att utveckla en så hög nivå av social organisation”, säger Laurence Zwiebel, professor i biologiska vetenskaper, som ledde den nya studien som publicerades i Aug. 30 nummer av tidskriften PLoS Genetics.Zwiebels team karakteriserade olfaktoriska system av två tydligt olika myrarter som en del av ett tvärvetenskapligt projekt med titeln ”epigenetik av beteende, livslängd och Social organisation i myror”, ledd av Danny Reinberg från New York University och finansierad av Howard Hughes Medical Institute. Under 2010 sekvenserade projektet genomerna av de två arterna – Florida carpenter ant (Camponotus floridanus) och den indiska hoppmyran (Harpegnathos saltator) – för första gången. Denna ansträngning satte scenen för att göra den detaljerade luktstudien möjlig.
luktsystemet hos de flesta insekter är centrerat i sina antenner och består i stort sett av tre olika klasser av receptorer: luktreceptorer (Ors), som identifierar olika aromatiska föreningar och feromoner; gustatoriska receptorer( GRs), som skiljer mellan olika smaker och reagerar på vissa feromoner; och nyupptäckta jonotropa glutamatreceptorer (IRs), som är snävt inställda på olika giftiga och giftiga föreningar. Studien fann att den primära expansionen i myrans olfaktoriska system är inriktad på ORs. Antalet GRs och IRs är jämförbara med de som finns i andra insekter.
den initiala automatiserade analysen av de två myrgenerna fann endast cirka 100 gener för ORs och tio GRs. ”Vi visste att dessa siffror var låga eftersom olfaktoriska receptorer är mycket svåra att identifiera,” sade Zhou. Så han och hans kollegor utformade en ny automatiserad bioinformatisk process för detta ändamål, kombinerat med omfattande manuell utvärdering.
forskarna jämförde också både identitets-och uttrycksnivåerna för ORs i de två arterna och fann signifikanta skillnader. Detta var inte förvånande eftersom de två arterna valdes för att återspegla den höga mångfalden som finns inom myrfamiljen. Snickarmyror lever i stora kolonier med långlivade drottningar som producerar alla befruktade ägg. Det finns två kaster av sterila arbetare. När drottningen dör så gör kolonin. Hoppmyror lever däremot i små grupper, skillnaden mellan drottningen och arbetarna ärbegränsad, och vissa arbetare kan kompisera och lägga befruktade ägg. ”Skillnaderna i receptorer är troligen förknippade med skillnaden i livsstil för de två arterna,” sade Zhou.
På samma sätt fann deras analys viktiga skillnader i ORs i antenner hos män och kvinnor. Sammantaget fann de att männen bara har en tredjedel av antalet ORs som kvinnorna uttrycker. ”Den primära rollen hos män är befruktning av ägg, så vi antar att ORs som män uttrycker och att kvinnor inte är förmodligen inställda på feromoner som produceras av drottningen,” sade Zhou.
teamet tog också de första stegen för att identifiera de kemiska signalerna som utlöste specifika ORs. Forskningsassistent Jesse Slone anpassade en analys som gruppen ursprungligen utvecklade för att matcha ORs med kemiska signaler i malariamyggen. Analysen innebär att man sätter in genen för en receptor i grodaägg så att receptorerna uttrycks på äggets yta. Genom att koppla äggen och sedan utsätta dem för olika kemiska föreningar producerar äggen en mätbar elektrisk signal när receptorn aktiveras.
Slone använde denna analys för att identifiera föreningarna som utlöser en eller på var och en av myrarterna. Han fann att en aromatisk förening som finns i anis utlöste eller från hoppmyran som han testade. Receptorerna hittades hos både män och arbetare. Eftersom studier har visat att anisolja har en repellant och / eller insekticid effekt på vissa arter av insekter, kan föreningen vara ett allmänt insektsmedel som detta eller är utformat för att upptäcka, spekulerar Slone.
Som jämförelse visade sig or från snickarmyran reagera på ett naturligt förekommande luktämne som finns i kokt nötkött och fläsk. Forskarna har ingen aning om varför denna förening är relevant för myrorna, men de konstaterade att den specifika receptorn förbättras hos arbetare, i förhållande till män.
” detta är bara början. Men vi har visat att vi har de grundläggande verktygen vi behöver för att fungera som” eller detektiver ”för att kartlägga myrorna ”luktutrymme” och identifiera de kemiska signalerna som utlöser specifika beteenden i myrans omfattande repertoar, säger Slone.
detta representerar öppnandet av en stor ny forskningsväg för Zwiebel lab, som har varit inriktat på banbrytande arbete som dekonstruerar malariamyggans olfaktoriska system. ”När jag gick på Forskarskolan drömde en grupp av oss om att dechiffrera den roll som gener kan spela i ant socialt beteende. Så jag kunde inte missa denna möjlighet när den kom. Det har tagit 30 år men vi har äntligen kommit till den punkt där vi faktiskt kan göra dessa studier.”
biträdande Professor i Biologiska Vetenskaper Antonis Rokis, Professor Shelley Berger vid University of Pennsylvania, biträdande Professor J Askorrgen Liebig vid Arizona State University, biträdande ProfessorAnandasankar Ray vid University of California, Riverside och Professor Danny Reinberg vid New York University bidrog också till studien, som finansierades av Howard Hughes Medical Institute.