Eine Ameisenkolonie wird durch eine komplexe soziale Dynamik aufrechterhalten, wobei jedes Mitglied – die Königin, die Männchen und die Arbeiterinnen (unfruchtbare Weibchen) – einen Beitrag zur größeren Gemeinschaft leistet. Einige Arten machen diese Dynamik noch komplexer, indem sie eher kleine Königinnen hinzufügen.
Forscher an der UC Riverside untersuchten, warum diese zusätzlichen Königinnen vorhanden sind, indem sie sich auf komplexe genetische Strukturen, sogenannte Supergene, in der Gemeinschaft konzentrierten. Diese Supergene kontrollieren die Entstehung und Verdoppelung der kleinen Königinnen einer Ameisenart. Die Ergebnisse ihrer Studie sind in der Dezemberausgabe der Zeitschrift verfügbar Aktuelle Biologie.
„Wir waren von den winzigen Königinnen fasziniert“, sagte die leitende Autorin Jessica Purcell, außerordentliche Professorin in der Abteilung für Entomologie an der UCR. „Es ist ein großartiges System (Ameisenkolonien mit mehreren Königinnen), um die Evolution von Supergenen zu untersuchen, die in vielen Arten von Organismen vorkommen.“
Supergene variieren in der Größe, bestehen jedoch aus einer Ansammlung von Genen auf demselben Chromosom, die miteinander verbunden sind. Das Supergen unterdrückt die Rekombination – eine häufige Neuordnung von Genen während der Zellteilung – und gibt die Architektur des Supergens von Generation zu Generation weiter und bewahrt sie. Diese Megagene sind mit Merkmalen oder Phänotypen verbunden, die von vielen Organismen exprimiert werden, einschließlich Migrationsmustern bei Fischen und Vögeln und der Anzahl der Königinnen in einer Ameisenkolonie.
Obwohl dies nicht in allen Ameisenkolonien üblich ist, konzentrierten sich Purcell und ihre Kollegen auf die kleinen Königinnen einer Ameisenart, Formica cinerea, die in ganz Europa verbreitet ist und von Spanien bis Westsibirien und von Skandinavien bis zum Balkan reicht. Diese Ameisen sind nützlich und verbringen gerne ihre Tage damit, Spinnen, Milben und sogar zuckerhaltigen Blattlauskot zu fressen.
Das Forschungsteam identifizierte das Vorhandensein von zwei Supergenen, die die Anzahl der Königinnen in der Kolonie erhöhen und die Größe der Königinnen kontrollieren.
Die Königin ist die wichtigste und größte Ameise der Kolonie. Die Königin hat Flügel und kann wegfliegen, aber ihre Hauptaufgabe besteht darin, Eier zu legen, um Generationen von Arbeiterinnen, Männchen und ihrem Nachfolger heranzuzüchten. Arbeiter leben etwa sechs Monate und verbringen ihre Zeit mit der Nahrungssuche und der Brutpflege. Männer haben eine kürzere Lebenserwartung; Sie verlassen die Kolonie selten und paaren sich einmal mit einer zukünftigen Königin.
Winzige Königinnen erhalten ihre Kraft von einem Supergen, das sich vor etwa 23 Millionen Jahren gebildet hat und bestimmt, ob Kolonien eine Königin oder mehrere Königinnen haben. Die Forscher fanden ein weiteres Supergen, das für die Ameisengröße verantwortlich ist. Die beiden Supergene zusammen bringen zusätzliche Königinnen hervor, die 20 % kleiner sind als eine typische Ameisenkönigin.
Diese Paarung kann erhebliche Auswirkungen auf die Kolonie haben.
„Ameisen sind soziale Insekten und bilden riesige Kolonien, in denen Nestkameraden miteinander verwandt sind und die Kolonien bei der Aufzucht ihrer Verwandten gut zusammenarbeiten“, sagte Giulia Scarparo, Postdoktorandin der Entomologie und Erstautorin der Studie. „In einer polygynen Kolonie (mehrere Königinnen) ist die Beziehung zwischen Nestkameraden geringer. Die Anwesenheit vieler nicht verwandter Nestkameraden kann zu Fortpflanzungskonflikten zwischen Arbeiterinnen führen.“
Die Forscher vermuten, dass die Konflikte, die aus diesen kombinierten Supergenen entstehen, der Kolonie helfen könnten, sich zu vergrößern und zu überleben.
Um eine unabhängige Kolonie zu gründen, muss die Königin an einen neuen Standort fliegen und ihre in den Flügelmuskeln und im Körperfett untergebrachten Körperreserven nutzen, um die erste Arbeiterinnenbrut aufzuziehen. Diese Strategie ist riskant und kann zum Tod der Königin und damit der Kolonie führen.
Winzigen Königinnen fehlen die Energiereserven, um eine neue Kolonie zu gründen, aber sie können sich bestehenden Kolonien anschließen. Dies wirft neue Fragen hinsichtlich der laufenden Zusammenarbeit zwischen Gruppen auf, die genetisch nicht verwandt sind.
„Die Entdeckung von Supergenen im Zusammenhang mit Mikrogynen (kleinen Königinnen) ist die erste Entdeckung dieser Art“, sagte Scarparo. „Wir glauben, dass diese Art von Königinnen sozial parasitär sein können – soziale Insekten, die andere soziale Insekten ausnutzen. Microgynes könnten ein guter Ausgangspunkt sein, um die Entwicklung des sozialen Parasitismus zu verstehen, und wir könnten ein Supergen haben, das diesen Lebensstil antreibt.“
Purcell und Scarparo wurden bei diesem Projekt von Alan Brelsford, einem Assistenzprofessor für Biologie, und Marie Palanchon, einer Doktorandin in Purcells Labor, unterstützt.
Der Artikel trägt den Titel „Sozialer Antagonismus erleichtert die Supergenexpansion bei Ameisen.“
Mehr Informationen:
Giulia Scarparo et al., Sozialer Antagonismus erleichtert die Supergenexpansion bei Ameisen, Aktuelle Biologie (2023). DOI: 10.1016/j.cub.2023.10.049