蚂蚁拥有严密的分工体系，蚁后负责产卵繁殖，工蚁负责寻找食物、抚养幼虫等。图为工蚁。受访者供图
◎本报记者 罗云鹏 翟玉梅
不依靠语言沟通，却能默契协作建造出令人惊叹的巢穴；没有组织意识，却拥有严密精细的分工体系……蚂蚁究竟是如何演化成为地球上规模最为庞大的社会群体之一的呢？
日前，由武汉华大生命科学研究院参与组织的“全球蚂蚁基因组联盟”（GAGA）在国际期刊《细胞》上发表一项研究，揭示了蚂蚁适应性辐射与社会性演化的遗传基础。
“我们通过对具有不同社会组织结构的蚂蚁物种展开比较研究，寻找到了与蚂蚁生殖分工和社会性特征相关的关键调控基因，进而揭示了其基因网络与社会性特征网络协同演化的机制。”浙江大学生命演化研究中心教授张国捷介绍，“在基因网络模块重塑的过程中，不同的表型性状相互关联、协同演化，最终推动了蚂蚁物种及其社会性状的多样化发展。”
重构蚁科“生命之树”
为了揭示蚂蚁适应性辐射与社会性演化的遗传基础，研究团队整合了全球163种不同蚂蚁的全基因组数据，成功重构了蚁科的“生命之树”，涵盖现生蚂蚁16个亚科中的12个，343个属中的97个。这不仅厘清了蚁科物种间复杂的亲缘关系，还将蚂蚁的共同祖先追溯至约1.57亿年前的侏罗纪晚期。
研究过程中，团队发现蚂蚁共同祖先的基因组中，与嗅觉感知相关的基因家族出现了显著扩增现象。这一发现表明，蚂蚁的共同祖先在当时已经具备社会通信的关键分子机制。
而在社会性复杂度较高的正蚁类的共同祖先中，研究团队监测到许多与蚁后—工蚁品级分化关联的基因存在正选择信号。研究人员认为，这表明与蚂蚁社会分工相关的关键通路在白垩纪时期经历了强烈的选择压力，这些关键通路在蚂蚁品级制度建立中具有关键作用。
此外，研究还发现各种蚂蚁的单倍体染色体数目差异极大，范围从1条到60条不等。研究团队对蚁科17个代表性物种的染色体结构进行了比较分析，发现在蚂蚁演化过程中，染色体经历了大量的重排事件。尤其在如弓背蚁、大头蚁等属中，染色体重排速率显著上升。
进一步深入研究后发现，蚂蚁的染色体重排速率与物种多样性呈显著的正相关关系。
有趣的是，尽管蚂蚁染色体整体上具有较高的基因组重排速率，但其基因组中仍保留了约970个保守共线性区域块。这些区域块共同形成了核心基因调控网络。
研究团队认为，这些核心基因调控网络不仅对基础发育与代谢过程起着调控作用，同时也为蚂蚁复杂社会系统功能的实现提供了有力支撑。
探索复杂性状演化机制
研究发现，蚂蚁社会性状的演化受到一套高度保守的信号通路调控，包括保幼激素、丝裂原活化蛋白激酶和胰岛素三大信号通路。这些通路中的核心蛋白在决定蚂蚁个体身份，如蚁后与工蚁的分化中发挥着核心作用。
不过，不同种类蚂蚁的这些信号通路的作用机制存在差异，这反映出它们在自然选择下的适应性演化。
文章共同通讯作者、中国科学院昆明动物研究所副研究员刘薇薇介绍：“该研究加深了我们对蚂蚁社会性演化的理解，为解析动物复杂性状的演化机制提供了重要启示。”
据悉，决定蚂蚁社会性的两个关键因素是巢穴的群体规模，以及蚁后与工蚁之间的分化程度。
而这两个因素又为其他社会性状的演化，如工蚁的体型差异、生殖能力的丧失等奠定了基础。根据研究，这些性状之间的相关性，与基因组中自然选择信号的强化或减弱高度吻合。同时，这些社会性状之间相互关联，进而重塑了核心基因调控网络，而这些核心基因调控网络则共同驱动了蚂蚁社会性状的演化进程。
文章共同第一作者、中国科学院大学与华大生命科学研究院联合培养博士熊子军介绍：“以保幼激素和胰岛素信号为核心的保守通路，在蚂蚁社会性演化中发挥着重要作用。蚂蚁中许多社会性状之间存在显著的相关性，这些相关性共同塑造了蚂蚁表型的多样性。我们的研究从基因水平、基因家族、基因调控网络和保守信号通路等多维度深入揭示了驱动蚂蚁社会性演化的分子遗传基础。”
“蚂蚁身上还有很多有趣的问题有待探索，包括蚁后为何能如此长寿、相同的基因组如何产生成表型截然不同的成体、蚂蚁核型快速演化的原因和意义等。我们将进一步利用多组学技术深入探索蚂蚁社会的奥秘，期待在此领域迎来更多突破性发现。”华大生命科学研究院研究员李启业说。
