第一只轉(zhuǎn)基因螞蟻誕生記

每個蟻群都能通力協(xié)作，每只螞蟻東奔西走，同時與其他兄弟姐妹密切合作，完成指定任務(wù)。因此，蟻群有時也被稱為“超個體”。現(xiàn)在，研究人員分析了世界上首只基因改造螞蟻，發(fā)現(xiàn)螞蟻的社會性主要依賴其嗅覺。該發(fā)現(xiàn)為了解昆蟲社會性行為如何進(jìn)化提供了關(guān)鍵線索。

“這是實(shí)驗(yàn)生物學(xué)領(lǐng)域的一個突破性進(jìn)展?！蔽磪⑴c該研究的美國亞利桑那州立大學(xué)行為生物學(xué)家Bert Holldobler說。在這之前，沒有人成功制作出基因改良螞蟻用于研究。

通常，社會性昆蟲具有不同的社會等級與分工，是研究行為和社會性進(jìn)化的重要模型。早在達(dá)爾文時代，生物學(xué)家就被社會性行為的進(jìn)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(tuán)結(jié)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(fù)責(zé)“校準(zhǔn)”方向的是中途不時加入團(tuán)隊(duì)的“新隊(duì)員”。每次有新螞蟻加入搬運(yùn)團(tuán)隊(duì)，它們的行進(jìn)路線就會有所調(diào)整，且“老隊(duì)員”都會按照“新隊(duì)員”行進(jìn)的方向前進(jìn)。整個螞蟻團(tuán)隊(duì)就在這樣不斷的校準(zhǔn)中前進(jìn)，將食物搬回了家。

中國科學(xué)報(bào)

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蟲的基因機(jī)能十分困難。部分原因是研究人員沒有好方法打斷目標(biāo)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，社會性昆蟲尤其難以進(jìn)行基因改造。瑞士洛桑大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家Laurent Keller表示，即便科學(xué)家能夠修改一個個體的基因，但“螞蟻的卵子非常敏感，并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(zhuǎn)基因螞蟻卵。而且，社會性昆蟲的生命周期十分復(fù)雜，這也使得人們很難在合適的時間范圍內(nèi)獲得大量轉(zhuǎn)基因后代。

于是，美國紐約城洛克菲勒大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家Daniel Kronauer將目光轉(zhuǎn)向了一種無性繁殖螞蟻——無性生殖行軍蟻。無性生殖行軍蟻屬于猛蟻亞科，它能捕食螞蟻并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(chǎn)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(zhuǎn)基因鏈?！皩τ诮^大多數(shù)的螞蟻種群而言，這種情況基本不會實(shí)現(xiàn)?！盞ronauer說，由于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(zhuǎn)基因品系需要數(shù)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(tuán)隊(duì)的Waring Trible和Leonora Olivos-Cisneros使用了CRISPR技術(shù)，這種基因編輯技術(shù)能讓科學(xué)家更容易地改編基因。

之前，研究人員發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行繁衍?？茖W(xué)家可以把蟻群轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室中養(yǎng)殖，并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(nèi)的氣味敏感神經(jīng)細(xì)胞機(jī)能提供必要的蛋白質(zhì)。這些名為氣味受體的細(xì)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(xué)物質(zhì)進(jìn)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，相比之下果蠅只有46個。因此研究人員懷疑這種感受器與螞蟻復(fù)雜的社會體系有關(guān)。

結(jié)果，轉(zhuǎn)基因螞蟻的行為和大腦解剖研究顯示，氣味受體數(shù)量增多確實(shí)起了一定作用。研究人員近日在bioRxiv上報(bào)告稱，年輕的成年螞蟻在第一個月中更趨向于與蟻巢伙伴待在一起，而轉(zhuǎn)基因螞蟻卻立刻四處行走。而且，轉(zhuǎn)基因螞蟻也無法探知其他螞蟻留下的線索，但相互團(tuán)結(jié)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(jīng)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。但對于螞蟻而言，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(chǎn)生的結(jié)果一致。

伊利諾伊大學(xué)行為基因?qū)W家Gene Robinson表示，該成果“令人矚目”，它讓人們有機(jī)會對比不同物種的大腦發(fā)育，以便科學(xué)家弄清社會性動物復(fù)雜行為背后的腦進(jìn)化機(jī)制。