第一隻轉基因螞蟻誕生記

2017年03月20日08:30  來源:《中國科學報》
 
原標題:第一隻轉基因螞蟻誕生記

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  每個蟻群都能通力協作,每隻螞蟻東奔西走,同時與其他兄弟姐妹密切合作,完成指定任務。因此,蟻群有時也被稱為“超個體”。現在,研究人員分析了世界上首隻基因改造螞蟻,發現螞蟻的社會性主要依賴其嗅覺。該發現為了解昆虫社會性行為如何進化提供了關鍵線索。

  “這是實驗生物學領域的一個突破性進展。”未參與該研究的美國亞利桑那州立大學行為生物學家Bert Holldobler說。在這之前,沒有人成功制作出基因改良螞蟻用於研究。

  通常,社會性昆虫具有不同的社會等級與分工,是研究行為和社會性進化的重要模型。早在達爾文時代,生物學家就被社會性行為的進化深深吸引。

  螞蟻和人類等非常不同的生物體都生活在緊密團結的群體中。以色列研究人員就曾觀察到,一群螞蟻合作將一塊“巨型”食物弄回“家”——后方的螞蟻向上“抬”,前方的螞蟻則是向前“拉”。搬食物的螞蟻越多,回家的速度就越快,負責“校准”方向的是中途不時加入團隊的“新隊員”。每次有新螞蟻加入搬運團隊,它們的行進路線就會有所調整,且“老隊員”都會按照“新隊員”行進的方向前進。整個螞蟻團隊就在這樣不斷的校准中前進,將食物搬回了家。

  另外,蜜蜂研究也提供了基因如何影響這種社會化的線索,但要確定蜜蜂和螞蟻等昆虫的基因機能十分困難。部分原因是研究人員沒有好方法打斷目標基因——雖然這在小鼠中容易做到,或者精確地搜尋出涉及的基因。

  此外,社會性昆虫尤其難以進行基因改造。瑞士洛桑大學進化生物學家Laurent Keller表示,即便科學家能夠修改一個個體的基因,但“螞蟻的卵子非常敏感,並且在沒有工蟻的情況下難以培育”,因此人們很難獲得能存活下來的轉基因螞蟻卵。而且,社會性昆虫的生命周期十分復雜,這也使得人們很難在合適的時間范圍內獲得大量轉基因后代。

  於是,美國紐約城洛克菲勒大學進化生物學家Daniel Kronauer將目光轉向了一種無性繁殖螞蟻——無性生殖行軍蟻。無性生殖行軍蟻屬於猛蟻亞科,它能捕食螞蟻並襲擊其他螞蟻的巢穴,其蟻群的一個生活周期包括兩個階段:一個階段是繁殖,另一階段是捕食和保育。與其他螞蟻種群不同,這種矮壯的行軍蟻蟻群中沒有蟻后,它們的后代全部都是由全能型的工蟻通過無性生殖產生。

  這意味著,一旦研究人員修改了單個螞蟻的基因,就能很快培育出一個轉基因鏈。“對於絕大多數的螞蟻種群而言,這種情況基本不會實現。”Kronauer說,由於處理卵子和幼體過程中可能存在的問題,獲得一個普通螞蟻的轉基因品系需要數年,但這種螞蟻是無性繁殖的,“從而給了我們一條捷徑”。

  為了修改無性生殖行軍蟻的基因,Kronauer團隊的Waring Trible和Leonora Olivos-Cisneros使用了CRISPR技術,這種基因編輯技術能讓科學家更容易地改編基因。

  之前,研究人員發現,同一蟻巢的行軍蟻基因型非常相近,它們通過一種叫做中部融合自體受精的無性生殖方式進行繁衍。科學家可以把蟻群轉移到實驗室中養殖,並且可以控制每個蟻群的大小。此外,無性生殖行軍蟻蟻群生活周期的同步交替也使得研究者可以精確控制工蟻的年齡。

  在新研究中,Trible破壞了一個名為orco的基因,該基因能為維持螞蟻觸角內的氣味敏感神經細胞機能提供必要的蛋白質。這些名為氣味受體的細胞是若干感覺器官的一種,能探測信息素。而螞蟻等動物會使用這種化學物質進行交流。螞蟻的氣味接收器可能比其他動物更多,至少有350個,相比之下果蠅隻有46個。因此研究人員懷疑這種感受器與螞蟻復雜的社會體系有關。

  結果,轉基因螞蟻的行為和大腦解剖研究顯示,氣味受體數量增多確實起了一定作用。研究人員近日在bioRxiv上報告稱,年輕的成年螞蟻在第一個月中更趨向於與蟻巢伙伴待在一起,而轉基因螞蟻卻立刻四處行走。而且,轉基因螞蟻也無法探知其他螞蟻留下的線索,但相互團結和找尋線索是螞蟻種群能維持的重要行為。

  更令人驚訝的是基因修飾對大腦的作用。各種類型的氣味受體的神經末梢都會與腎小球簇接觸。有研究組曾敲除果蠅的orca基因,其腎小球卻不會受影響。但對於螞蟻而言,改造后的螞蟻沒有形成腎小球。這與敲除小鼠大腦中類似基因后產生的結果一致。

  伊利諾伊大學行為基因學家Gene Robinson表示,該成果“令人矚目”,它讓人們有機會對比不同物種的大腦發育,以便科學家弄清社會性動物復雜行為背后的腦進化機制。

(責編:魏艷、趙竹青)

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