NOVEL GENES DETERMINE DIFFERENT CASTES IN ANT COLONIES (Comentado)

Castes of the carpenter ant Camponotus discolor: male (left), queen (right), and worker (bottom). Photo by Alex Wild, www.alexanderwild.com.

Castes of the carpenter ant Camponotus discolor: male (left), queen (right), and worker (bottom). Photo by Alex Wild, http://www.alexanderwild.com.

An ant colony generally consists of a queen and workers that perform different tasks, such as brood care, foraging, or nest defense. This behavioral specialization may be accompanied by morphological and physiological differences — ants from the same colony may look very different from each other, dependent on their caste, despite having similar genetic backgrounds.

Evolutionary biologists at Johannes Gutenberg University Mainz recently concluded that novel or highly modified genes play a major role in the development of the different castes within ant colonies.

The divergent phenotypic traits of queens and workers develop from the same genetic background. The different phenotypic trajectories are determined by the food larvae receive during development.

Usually the queen is the sole reproductive individual in a nest, but if she dies or is removed, some brood-care workers will develop their ovaries and begin to reproduce. It was this phenomenon that the Mainz scientists exploited in order to induce fertility in brood-care workers of the Temnothorax longispinosus ant species. This allowed the comparison of these fertile workers with infertile brood-carers, foragers, and the queens to determine the expression of genes causing the enormous variations in behavior, fertility, and life span.

“We have here the ideal model system to study polyphenism, which describes the situation in which one and the same genotype gives rise to phenotypes that differ in terms of individual morphology, behavior, and life history,” said Dr. Barbara Feldmeyer, one of the co-authors.

Each sample used for RNA sequencing encompassed up to 100 million reads, i.e., short sequence sections of about 100 base pairs. The largest differences in gene expression were found between the queen and the worker castes, while the smallest differences were determined between the infertile brood carers and the foragers. The fertile brood care workers occupy an intermediate position between the queen and the sterile workers.

The ant queens expressed many caste-specific genes whose functions were known from comparisons with other species. This is not the case for the workers in which about half of the characteristic genes were found to be of unknown function.

“Either these worker genes have undergone major modifications or they are novel genes,” explained Feldmeyer.

The fact that queens express more genes known from solitary hymenopterans and other insects fits to the evolution of social insects with workers being the derived state.

“This study of the differences in gene expression among ant castes is characteristic of the enormous advances that are currently being made in the field of biology,” explained Professor Susanne Foitzik, head of the Evolutionary Biology work group at Mainz University.

RNA sequencing is a technique that enables scientists to gain in-depth molecular information even for organisms that are not among the standard biological model organisms, such as the fruit fly Drosophila.

“We can now also look at species known for their complexity in social behavior. In addition, by studying ants we can gain insights into the genes that are responsible for the unusually long life and fertility in insect queens,” added Foitzik.

The group plans to continue its research into this area under the aegis of the new GeneRED research unit of the Faculty of Biology and the Institute of Molecular Biology (IMB).

Fonte: Entomology Today

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Comentários internos

No grupo das abelhas e formigas (Hymenoptera) a expressão dos genes e os elementos que interferem nessa expressão são fundamentais para a compreensão de aspectos biológicos muitos importantes do grupo.

Por exemplo, em abelhas sabe-se que os mecanismos que desencadeiam a diferenciação da abelha rainha das operárias esta relacionado a presença da Royalactina, uma proteína que quando associadas a açucares, minerais e nutrientes presentes na geléia real desencadeiam mecanismos moleculares que levam as larvas a se desenvolverem em rainhas.

O estudo foi publicado na Nature. No experimento, conservou-se a geléia real em temperatura ambiente para alimentar larvas durante vários dias. Como este produto é formado pela mistura de diversos açucares e proteínas que vão se descompondo com o tempo. Ao comparar a última composição que dava origem as rainhas quando administrada e a primeira dada as larvas, foi possível ver qual substância que faltava nas geleias, o resultado foi a Royalactina. Posteriormente essa mesma geléia foi usada para alimentar as Drosofilas, as moscas de fruta. O resultado foi surpreendente. A Royalactina atuou sobre os mesmos mecanismos morfológicos e as moscas cresceram com características diferenciadas e mais férteis. Sendo assim, é possível ver como evolutivamente mecanismos bioquímicos são modelados pela seleção natural e como estímulos ambientais modelaram e modelam a bioquímica da vida.

O cérebro das abelhas é dinâmico e cheio de surpresas, por essa razão é, em certos aspectos, semelhante ao cérebro humano. Seus neurônios modulam as atividades em resposta a estímulos sensoriais e alteram os padrões de expressão dos genes e das proteínas, mudanças tão importantes que reorganizam o cérebro das abelhas. O mais curioso, porém, é que essa plasticidade é fortemente influenciada pelo ambiente social, uma característica recentemente ressaltada pela descoberta de que abelhas que trocam seus papéis sociais, e revertem de maneira eficiente o envelhecimento cerebral.

Abelhas operárias sofrem uma rápida senescência física e por isso envelhecem rapidamente. Várias semanas após embarcarem em suas primeiras atividades de coleta, suas asas mostram sinais de desgaste devido aos voos extensos – e coletoras de longo prazo passam por modificações na expressão proteica cerebral que são consistentes com o processo de envelhecimento observado em outras espécies, particularmente na Drosophila, a mosca da fruta. Mas, curiosamente, o declínio cognitivo não é uma função da idade cronológica em abelhas. Em vez disso, está relacionado ao papel social (Scientific American)

Em formigas os genes apresentam uma característica ainda mais curiosa. É o caso das super-castas. Algumas espécies no norte do México e no estado americano do Arizona, possuem uma subcasta de operárias chamadas de super-soldados. Elas possuem a cabeça maior que a soldado e tem uma redução drástica nas asas, são asas vestigiais.  A descoberta deste grupo foi registrada em duas espécies do gênero Pheidole (Formicidae) localizada no estado de Nova York, e outra espécie no México. Esse fenótipo é considerado uma anomalia pra essa espécie. A distância geográfica entre estas espécies sugeriria um caso de co-evolucão, onde os super-soldados apareceram de forma independente pelo menos duas vezes. Mas, análises filogenéticas desde gênero mostra que eles tiveram sim um ancestral comum aonde surgiram os super-soldados. A expressão desse fenótipo desapareceu durante a história do grupo, mas não a informação para tal característica. Algumas espécies próximas a fronteira entre os Estados Unidos e o México encontraram um pressão semelhante que as levou a re-expressar novamente o fenótipo de super soldados. O surgimento de super-soldados nesta região não apareceu graças a uma nova mutação e sim através da plasticidade dos mecanismos de regulação do aparecimento do fenótipo, em mecanismo conhecido por acomodamento genético. Neste mecanismo, a informação para tal característica vinha sendo herdada continuamente e pode-se induzir o seu aparecimento mesmo que a espécie não o faça naturalmente. E por ser independente de uma nova mutação, a indução pode ser feita em muitos indivíduos de uma vez e não em um só indivíduo (Evolucionismo.org)

Victor Rossetti

Palavras Chave: NetNature, Rossetti, Formigas, Abelhas, genes, Acomodamento genético, Scientific American, Natura e Evolucionismo.

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