共生细菌告诉蚂蚁胚胎如何发育

细菌与多细胞生物之间的共生关系在自然界中无处不在，但有些比其他复杂得多。例如，奶牛和木蚂蚁都在消化系统中依赖细菌伴侣，以帮助他们最大程度地利用食物。然而，尽管母牛的细菌仅栖息在动物的胃中，但蚂蚁中的细菌却以共生菌的形式生活在肠道细胞内。

了解内共生是生物学家的一个难题，因为它对生命至关重要，众所周知：线粒体是为所有复杂细胞提供动力的细胞器，是非常古老的内共生事件的残余物。然而，解释物种之间如此紧密的相互依存关系如何发展始终是一个挑战。甚至可以可靠地保证内共生菌进入宿主的正确细胞并从一代传给下一代的机制也很神秘。

然而，上周在《自然》杂志上，麦吉尔大学的三位科学家宣布，他们发现了木蚂蚁内生共生机制是如何进化的，并帮助他们成为地球上最成功的生物。研究人员拼凑起来的是，这种看似和谐的伙伴关系是通过细胞和遗传水平上的对决进化而来的，这种对决使蚂蚁卵自身无法生存。这种细菌已经控制了蚂蚁早期发育的关键阶段的基因控制，并从字面上将胚胎重塑成能维持自身生存的容器。

康奈尔大学的进化生物学家科里·莫罗（Corrie Moreau）评论说：“在这种情况下，微生物实质上是为了吸收宿主自身细胞系统的各个方面，以使自身受益。”

洛克菲勒大学的丹尼尔·克罗瑙尔（Daniel Kronauer）研究昆虫社会的进化，但并未参与研究，他在给Quanta的电子邮件中称这项工作为“相当的技术巡回演说”。 “这项研究提供了关于不同伙伴之间复杂的进化相互作用如何在进化过程中在分子和发育水平上发挥作用的美好见解。”

在全世界种类繁多的Camponotus属植物中，约有12,000种已知蚂蚁物种中，有1,000多种是木匠蚂蚁。该属和其他七个相关的生活类组成了Camponotini ant“部族”，所有这些类的肠道细胞中都含有细菌。细菌被归类为专性内共生体，这意味着它们需要蚂蚁作为宿主，而蚂蚁也需要它们。

这些内共生子是动物中最早描述的一种。 1882年，德国动物学家弗里德里希·布洛赫曼（Friedrich Blochmann）在木匠蚂蚁胚胎中发现了微生物。他错误地称它们为真菌，但后来科学家们将胚胎后极中明亮的DNA云识别为细菌，并以发现者的名字命名为Blochmannia。在成年木蚂蚁中，细菌产生必需氨基酸，并在免疫中发挥重要作用。作为交换，木匠蚂蚁为黑斑病提供了保护性的细胞环境，并将其传播给后代，从而确保了细菌的生存。

内共生菌是如何进入蚂蚁的尚不清楚，但是从遗传学和生态学的证据来看，内共生菌是大约在五千一百万年前从汁液喂养昆虫中水平转移到Camponotus的祖先中的，而后者被蚂蚁保护以交换含糖分泌物。然后，蚂蚁和细菌结成伙伴关系，现在可以作为一个单元进行发育，繁殖和进化。为了了解这是怎么回事，蒙特利尔麦吉尔大学Ehab Abouheif实验室的一组研究人员从一开始就开始研究：研究刚产下的蚂蚁卵。

在发育的早期，昆虫的卵和胚胎的行为与鸡和其他脊椎动物的行为完全不同：活化的核不断地复制，但是单个卵细胞在相当长的一段时间内不会分裂。虫卵并没有变成一个由不同细胞组成的球，而是形成了合胞体，一个巨大的多核细胞。胚胎的结构随着细胞核和其他细胞物质逐渐排列在该团块中而出现。直到后来，细胞质及其内容物才划分为不同的细胞。

从母亲传来的信使RNA分子（母亲mRNA）位于胚胎的末端，用于建立身体计划的轴。然后胚胎接管，严格的胚胎基因序列开始起作用，从而建立更多特征。在那条链的末端，Hox基因打开以指定昆虫的头部，胸部和腹部。

然而，当麦吉尔大学的研究人员仔细检查了木蚂蚁胚胎的发育时，他们惊讶地发现Hox蛋白出现在第一次核分裂中-远远超出了计划。这些蛋白质是由细胞质中的母体mRNA制成的，“这是我们从其他昆虫获得的任何数据中都无法预期的，” Abouheif实验室的研究生Arjuna Rajakumar说。研究。

通过比较31种蚂蚁物种的胚胎，科学家得出结论，这种在早期发育中表达母体Hox mRNA的怪癖一定是在Camponotini蚂蚁部落的祖先中发生的，而且早在共生菌开始生活在蚂蚁体内之前。

为何这些祖先的蚂蚁开始以这种方式发展，但尚有一个重要的后果：它最终使Camponotini蚂蚁的祖先能够找到一个共生共生的伴侣。 Moreau说：“本文的主要发现是，为了使这些昆虫参与这种共生，它们已经必须拥有这些预先存在的发育系统。”

一旦将内共生体放入蚂蚁体内，昆虫的胚胎发育的主要特征就会发生巨大变化，这显然是通过两个物种的一系列移动和反向移动来控制的。当研究人员更加仔细地观察木蚂蚁的种系会发生什么时，这一点就变得很清楚了。