蚂蚁社会进化的基因组基础：163个基因组揭示等级分化的遗传调控网络

本研究通过比较分析163种蚂蚁基因组，揭示了社会性昆虫等级分化的遗传基础。研究人员发现基因组重排与物种形成速率相关，保守的微同线性区域富含与等级分化相关的共表达基因。研究鉴定出保幼激素(JH)、胰岛素和MAPK通路在蚁后-工蚁等级分化中的关键作用，并发现社会性状的协同进化在重叠基因集上留下了选择印记。该研究为理解超个体组织的遗传基础提供了新见解。

　　

蚂蚁是地球上最成功的动物类群之一，其社会组织的复杂性令人惊叹。超过150万年前，蚂蚁经历了一次不可逆的转变，形成了具有等级分化的超个体(superorganism)社会结构。这种社会结构类似于多细胞生物的躯体组织，其中蚁后负责繁殖，工蚁则专攻非生殖功能。然而，这种复杂社会性进化的遗传基础长期以来是个谜团。

为了揭示蚂蚁社会进化的基因组基础，由哥本哈根大学、中国科学院昆明动物研究所和浙江大学等机构的研究人员组成的全球蚂蚁基因组联盟(GAGA)开展了一项大规模研究。研究人员对145种蚂蚁进行了全基因组测序，结合已有的18个公开基因组，构建了覆盖12个亚科、97个属的163个蚂蚁基因组数据集。这项研究发表在《Cell》杂志上，为理解社会性昆虫的适应性辐射和进化提供了重要见解。

研究人员采用了多种关键技术方法：1)使用PacBio和MGI-seq技术对145种蚂蚁进行全基因组测序，其中12种获得染色体水平组装；2)通过比较基因组学分析基因家族动态和选择特征；3)利用发育转录组数据构建基因共表达网络；4)收集26种表型性状数据进行祖先状态重建和系统发育比较分析；5)通过药理学实验验证MAPK通路在等级分化中的作用。

研究结果分为多个重要发现：

"基因组重排与保守的模块化共表达"
研究发现蚂蚁基因组存在广泛的重排现象，染色体数目从n=1到n=60不等。尽管存在高度的宏观同线性丢失，但鉴定出970个在80%以上蚂蚁基因组中保守的微同线性簇。这些区域富含与基础代谢和等级分化相关的共表达基因，形成了四个显著富集的共表达模块，包括一个工蚁偏向性表达模块，其中包含调控胰岛素分泌和神经肽激素水平的基因。

"适应性基因组进化与信息素感知"
基因家族动态分析显示，蚂蚁祖先在化学感知、表皮碳氢化合物生物合成、内分泌信号和消化相关基因家族发生了显著扩张。气味受体(OR)基因数量与触角叶肾小球数量呈正相关(R²=0.86)，支持化学感知在蚂蚁社会进化中的重要性。在高度多样化的formicoid蚂蚁祖先中发现了正选择热点，这些基因与发育、寿命、自噬和免疫等功能相关。

"等级劳动分工的保守信号通路"
研究发现保幼激素(JH)生物合成通路与蚁后表型进化相关。JH酸甲基转移酶(JHAMT)基因家族大小与蚁后-工蚁二态性程度呈正相关。MAPK信号通路核心组分在等级分化中起关键作用，药物抑制MAPK信号导致工蚁体型增大，证实了该通路在等级发育中的调控作用。

"社会性状的趋同选择"
研究发现了与工蚁等级功能相关的选择特征。例如，在多态性工蚁物种中，染色质和转录调控基因经历了强化选择。mAChR-A基因在多态性工蚁谱系中经历强化选择，并在小型工蚁中特异性表达。在工蚁完全不育的物种中，卵巢发育相关基因经历了选择放松。

"性状相互作用的基因组基础"
研究发现群体规模和蚁后