收割蚁（Messor barbarus）对硬粒小麦基因型的“点单式”种子捕食：揭示作物与昆虫互作进化新机制

本研究首次通过全基因组关联分析（GWAS）和 cafeteria 实验证实，地中海农生态系统中收割蚁（Messor barbarus）对硬粒小麦（Triticum turgidum ssp. durum）的种子捕食存在显著的基因型特异性偏好，并定位到2A染色体上一个解释21%表型变异的主效数量性状位点（QTL）。该发现为理解昆虫介导的选择压力如何影响作物进化提供了关键证据，开辟了农业生态系统中植物-昆虫互作研究的新视角。

　　

引言

植物与昆虫之间的相互作用是驱动进化过程的重要力量，既塑造了复杂的适应性性状，也影响了生态系统的动态。在 Mediterranean 农业生态系统中，收割蚁 Messor barbarus（膜翅目：蚁科）频繁收集种子，包括栽培谷物。然而，它们在塑造作物性状方面的潜在作用仍知之甚少。本研究旨在探究收割蚁的种子捕食行为是否由硬粒小麦（Triticum turgidum ssp. durum）的遗传和表型变异所驱动。硬粒小麦是一种主要的地中海作物，源自野生二粒小麦（T. turgidum ssp. dicoccoides）。

材料与方法

植物材料

研究使用了180个基因型，对应来自进化预育种硬粒小麦群体（EPO）的自交系。该群体于1997年在法国蒙彼利埃的INRAE创立，具有高度的遗传多样性和表型变异性。所有品系均使用TaBW280K高通量基因分型芯片进行了基因分型，获得了覆盖硬粒小麦14条染色体的高密度SNP标记。

田间观测

实验在法国南部Mauguio进行。实验设计包括192个随机排列的小区。在2024年6月6日的田间记录中，检测到收割蚁在小麦穗上的活动。为每个基因型的每个小区评估了一个视觉收获评分（HS），范围从0（无蚂蚁且无可见捕食迹象）到4（多个行被捕食）。根据观测定义了蚂蚁的觅食区域。

基因组-wide关联研究（GWAS）

为了确定哪些植物基因组区域可能与蚂蚁捕食相关，对觅食区域内95个EPO基因型的收获评分进行了GWAS分析。使用了38,983个次要等位基因频率（MAF）超过10%的SNP。首先使用最佳线性无偏预测（BLUP）来估计与表型相关的遗传值。随后评估了每个SNP标记对HS遗传值的影响，使用混合模型并利用VanRaden亲缘关系矩阵。统计显著性使用Bonferroni校正进行评估。

cafeteria 实验

为了评估蚂蚁区分小麦基因型的能力并测试穗和种子特征是否影响其偏好，在观测到的觅食区域内进行了cafeteria实验。使用了在田间实验中被捕食的17个EPO基因型，以及6个随机选择的未被捕食的EPO基因型作为对照，还包括两个商业硬粒小麦品种和一个商业面包小麦品种。收集了每个基因型的8个未被捕食的穗，称重并测量长度后，形成8个完整的重复组，每组包含所有26个基因型的一个穗。将这些批次放置在八个最活跃的蚁巢入口处。在24小时和42小时后收集穗并重新称重，以量化种子捕食和蚂蚁偏好。

结果

收获评分数量性状位点

蚂蚁捕食部分由小麦遗传变异解释

在38,983个标记中，在2A染色体上鉴定出两个显著SNP：AX-89400647（SNP1）和AX-89632103（SNP2）。它们的等位基因变异解释了蚂蚁捕食表型变异的21%和18%。这些标记位于2A染色体长臂的远端部分，并且处于强连锁不平衡（r² = 0.79）中。该区域包含一个3.6 Mb的染色体倒位和46个候选基因，包括一个可能参与调控角质层和化学性状的MYB转录因子。

cafeteria 实验中收割蚁对穗特征的偏好

蚂蚁对穗的选择具有高遗传力

cafeteria实验显示，初始穗重（M₀）以及捕食变量（如绝对质量损失ML_0–24, ML_0–42 和相对质量损失RML_0–24, RML_0–42）具有高遗传力。蚂蚁从所有批次中收集种子，但捕食在不同基因型间差异很大。一些基因型（如EPO_28）的穗被完全移除，而其他基因型的穗则基本完好无损。

收割蚁偏好短而轻的穗

平均而言，42小时后的绝对质量损失（ML_0–42）为每穗0.49克。ML_0–24与M₀和穗长呈负相关，表明轻而短的穗在最初24小时内经历了更大的质量损失。所有穗的相对质量损失均与M₀和穗长呈负相关，表明蚂蚁仍然优先捕食更轻、更短的穗。

等位基因变异解释了 cafeteria 实验中蚂蚁的选择

在 cafeteria 实验的26个基因型中，8个在SNP1和SNP2位点携带“被捕食”等位基因（P），16个携带“安全”等位基因（S）。等位基因变异显著解释了蚂蚁偏好观测变异的很大一部分：携带P等位基因的基因型在 cafeteria 实验中被捕食的程度高于携带S等位基因的基因型。

蚂蚁偏好与种子形态变化无相关性

在最初放置在巢穴入口处的208个穗中，198个在42小时后仍含有种子。当将剩余种子的特征与对照穗的种子进行比较时，11个性状中的6个出现了显著增加，1个出现了显著减少。然而，在种子相对值（RV）和42小时后的质量损失变量（ML_0–42 和 RML_0–42）之间没有建立显著相关性。

讨论

本研究首次从遗传和进化角度探讨了收割蚁与栽培作物之间的相互作用。Messor barbarus 蚂蚁对特定小麦基因型表现出明显的偏好。通过GWAS分析，我们在2A染色体长臂远端鉴定出一个与蚂蚁偏好显著相关的数量性状位点（QTL），该位点解释了高达21%的表型变异。该QTL覆盖了硬粒小麦与其野生祖先之间的一个完整的染色体倒位。倒位通过限制重组，在物种形成、局部适应和复杂表型的维持等进化过程中扮演重要角色。

该基因组区域包含几个可能通过影响种子表皮和化学性状来调节蚂蚁吸引力的候选基因，其中包括MYB转录因子和MYB蛋白，它们已知可调节植物角质层和种子果皮中关键生化化合物的生物合成。先前研究表明，油酸、表皮蜡质和表皮碳氢化合物的组成在蚂蚁的觅食决策和巢友识别中起关键作用。这可能表明基因型化学特征对Messor barbarus吸引力的直接影响。

收割蚁在 cafeteria 实验中表现出对更轻、更短穗的明显偏好，表明穗形态在小麦-蚂蚁相互作用中起作用。与此一致的是，我们发现解释蚂蚁捕食变异的QTL位点与两个已发表的与穗形态相关的QTL共定位，即每株种子数和穗干物质。迄今为止，尚无其他研究调查穗形态对蚂蚁偏好的作用。蚂蚁偏好较小的穗（可能更容易运输回巢）符合它们优化觅食活动的假设。

我们的直接观察表明，蚂蚁通常首先移除穗上的芒，然后切割颖片、内稃和外稃，随后直接提取裸粒或通过切割非脆性轴来移除整个小穗。芒在种子传播中具有功能作用。收割蚁专门在芒自然落地并开始传播阶段之前，直接在植株上解剖芒。现代硬粒小麦的芒与其野生祖先相比更短、更薄、更轻。因此，与芒相关的性状可能是研究现代和野生相对小麦之间收割蚁行为的一个有前途的途径。

与穗形态相反，我们没有发现证据表明收割蚁根据种子特征进行选择。我们的结果与对非驯化物种的研究形成对比，那些研究表明蚂蚁选择更大更长的种子。然而，此类研究通常比较的是种间种子大小变异很大的物种。此外，我们没有发现蚂蚁偏好与种子蛋白质含量或种子颜色之间存在任何关系。

我们的研究表明，单个位点的等位基因变异影响了硬粒小麦自交系中蚂蚁的觅食偏好。这些发现提出了关于与蚂蚁偏好增加相关的等位基因（在我们的研究中称为P）起源的重要问题。现代农业通过广泛使用化学投入品来防治病原体和害虫，可能间接反选择了植物的天然防御机制，而有利于提高种子作物产量的性状。因此，曾经对捕食者表现出耐受性甚至传播依赖性的栽培植物可能变得在很大程度上依赖于人类行为。

除了让我们更好地理解作物的进化历史之外，我们的研究结果还呼吁调查集约化农业系统以外的农业生态系统中植物与收割蚁的相互作用。最后，虽然表型变化可以显著影响节肢动物群落已被充分证实，但节肢动物本身在驯化过程中在多大程度上影响了性状进化仍然不太清楚。总体而言，我们的研究呼吁更深入地调查蚂蚁是作物进化的被遗忘的见证者还是驱动者。