Dit 'nutteloze' orgel bepaalt welke mieren uitgroeien tot grote soldaten

Mierenkolonies hebben een aantal verrassende collectieve eigenschappen ontwikkeld gedurende de 150 miljoen jaar of zo dat ze over de aarde zijn gekropen. Vuurmieren verbinden zich om bijvoorbeeld angstaanjagend effectieve vlotten te maken, en sommige legermieren lijken instinctief perfect efficiënte mierenbruggen te bouwen voor het verzamelen van voedsel.

Deze insecten lijken ook in staat te zijn hun populaties te beheersen, waarbij een vaste verhouding van soldaten tot arbeiders wordt gehandhaafd. Hoe dergelijke mierenkaste systemen zijn ontstaan, is iets voor een mysterie voor entomologen, maar een studie die vandaag in Nature is gepubliceerd, onthult dat of een mier uitgroeit tot een soldaat of een arbeider te maken heeft met een orgaan dat lang als nutteloos werd beschouwd - vleugelwielen.

"Deze kastensystemen zijn een van de belangrijkste onverklaarbare fenomenen van fenotypische evolutie, " zegt Scott Powell, een mierenbioloog aan de George Washington University in Washington DC. "Deze studie identificeert echt het belangrijkste onderliggende controlecentrum dat deze kasten produceert."

De vleugelschijven, kleine zakjes cellen, zijn bestemd om vleugels van een koningin te worden, maar ze groeien in de larven en sterven vervolgens tijdens metamorfose om soldaten zonder vleugels te produceren. De studie toont aan dat deze rudimentaire vleugelschijven toch niet zo rudimentair zijn, maar eerder de ontwikkeling van de mierenlarven beïnvloeden.

"Het echt belangrijke punt van dit werk is dat rudimentaire organen en overblijfselen, waarvan lang werd gedacht dat ze geen functie hadden, tijdens de ontwikkeling misschien wel belangrijke signaalrollen zouden hebben", zegt evolutionair ontwikkelingsbioloog Ehab Abouheif van McGill University, de senior auteur van de nieuwe studie. (Disclaimer: ik sprak met Abouheif over zijn onderzoek voorafgaand aan publicatie en hij heeft me opgenomen in de erkenningen van de krant.)

Ontwikkelende soldatenlarven produceren grote, rudimentaire vleugelschijven, terwijl de larven van arbeiders dat niet doen. Eerder gedacht dat ze eenvoudigweg zouden afsterven tijdens metamorfose, hebben de vleugelschijven blijkbaar enige invloed op de groei van andere lichaamsdelen.

"[De vleugelschijven] worden behoorlijk groot - het is nogal verrassend, " zegt Diana Wheeler, een mierenbioloog aan de Universiteit van Arizona, die sinds de jaren tachtig de bepaling van mierenkaste heeft bestudeerd. “Het is duidelijk niet iets dat de evolutie gewoon is kwijtgeraakt. Het lijkt alsof het ergens voor wordt gebruikt. '

De schijnbare functie van de vleugelschijven van de mierenlarven heeft belangrijke implicaties voor de evolutionaire geschiedenis van het insect. Vroege mieren produceerden kolonies met een gevleugelde koningin en een vleugelloze arbeiderskast, en vervolgens, in verschillende onafhankelijke geslachten, werd de arbeiderskast verder gedifferentieerd in subcastes. In Pheidole, een hyperdiverse geslacht dat meer dan 1.000 soorten mieren omvat, is de arbeiderskaste verdeeld in kleine arbeiders en soldaten. Soldaten hebben onevenredig grote hoofden die ze gebruiken voor de verdediging en zaadverwerking, terwijl minderjarige werknemers 90 tot 95 procent van de kolonie uitmaken en taken uitvoeren zoals het fokken en foerageren.

De studies van Wheeler uit de jaren 1980 toonden aan dat Pheidole- mieren het aandeel minderjarige arbeiders en soldaten in de kolonie kunnen reguleren. Een manier waarop deze regeling werkt is via een remmend feromoon - een cuticulaire koolwaterstof - gemaakt door de soldaten die de ontwikkeling van soldaten in larven onderdrukt als soldaten ongeveer vijf procent van de bevolking van de kolonie overschrijden.

Om de relatie tussen de vleugelschijven en de soldaat-onderkaste te onderzoeken, hebben Abouheif en zijn team een ​​gen genaamd 'rudimentair' neergehaald, waardoor de cellen van de vleugelschijf heel vroeg in de ontwikkeling sterven. Het neerhalen van overblijfselen in door soldaten voorbestemde larven verminderde de kop- en lichaamsgrootte van de dieren, waardoor minderjarige arbeiders werden geproduceerd, terwijl het neerhalen van overblijfselen in minder belangrijke arbeiders geen effect had.

Het team voedde vervolgens door soldaten bestemde larven op met volwassen populaties van 100 procent minderjarige arbeiders of met 100 procent soldaten. Met 100 procent minder belangrijke werkers in de kolonie produceerden de larven soldaten. Maar met 100 procent soldaten die het cuticulaire koolwaterstofferomoon afgeven, was de rudimentaire vleugelschijfgrootte van de larven aanzienlijk verminderd en produceerde volwassen mieren met kleinere koppen en lichamen.

Het feit dat organen de ontwikkeling van andere organen in het lichaam beïnvloeden, is natuurlijk niet nieuw. Eerdere experimenten met insecten hebben aangetoond dat ontwikkelende vleugels bijvoorbeeld concurreren om voedingsstoffen en groeifactoren. Schade aan een ontwikkelende vleugel kan signalen produceren die de ontwikkeling over het hele lichaam vertragen, waardoor de schijf de tijd krijgt om te herstellen zodat de groei op een goed gecoördineerde manier kan verlopen.

Wat hier opvalt, volgens de eerste auteur Rajendhran Rajakumar, is dat de rudimentaire vleugel in plaats van te concurreren de groei van het hoofd in de soldaatensubkast bevordert. “Het is zelfs nog meer verrassend op basis van het feit dat dit weefsel zich niet echt vormt bij volwassenen. Het is rudimentair, dus we hadden echt niet verwacht dat we het soort resultaten zouden vinden dat we deden toen we het verstoorden, ”zegt Rajakumar, die in het laboratorium van Abouheif bij McGill werkte en nu onderzoeker is bij Harvard.

De mieren contrasteren met andere sociale insecten zoals bijen en wespen, die geen werkpolymorfismen hebben ontwikkeld. Koningin en werkbijen hebben allemaal vleugels, en "als je een vleugel maakt die moet vliegen, kun je niet echt spelen met zijn groei, dus de groei van die schijven is erg beperkt", legt Abouheif uit. Dat kan verklaren waarom werkbijen, in tegenstelling tot mieren, nooit evolutionair verder in subcastes zijn gedifferentieerd.

Er zijn niet veel bekende voorbeelden van rudimentaire of overblijfselen die evolutionaire innovatie aandrijven. Afgezien van de vleugelschijven, is een andere intrigerende mogelijkheid de eierstok van een larvale honingbijwerker, die even groot is als die van een koningin tijdens de vroege stadia van ontwikkeling. Het is niet duidelijk waarom de larvale honingbijwerkers eierstokken nodig hebben, omdat ze zich nooit zullen voortplanten, zegt Mary Jane West-Eberhard, een evolutionair ontwikkelingsbioloog aan het Smithsonian Tropical Research Institute.

"Dus de vraag zou zijn: is het belangrijk voor de normale ontwikkeling van de werknemer om de eierstok in de vroege larve te hebben?", Vraagt ​​ze. Alleen toekomstig onderzoek zal het leren.

"Ik hoop dat dit werk mensen ertoe zal brengen om op een andere manier te kijken naar wat ze van de overblijfselen vinden en dat ze proberen te onderzoeken wat die dingen eigenlijk doen, in plaats van ze gewoon af te doen als overblijfsel, " zegt Abouheif. "Ik denk dat ze eigenlijk veel grotere rollen spelen dan we eerder dachten."