环境变异驱动日本弓背蚁工蚁头部表型多样性：跨纬度梯度下的生态进化机制解析

本研究通过跨中国22个地理位点的采样，首次系统揭示了日本弓背蚁(Camponotus japonicus)工蚁头部颜色多态性(四型分类)与形态特征的纬度分布格局。研究发现：1) 栗色头部表型(浅色型)比例随纬度升高而增加，与热黑化假说(TMH)相悖却符合格洛格氏规则(Gloger's rule)；2) 线粒体COI基因将种群分为4个遗传支系；3) 温度和降水显著影响形态特征，暗示表型可塑性对群体生存的贡献。该研究为理解社会性昆虫应对环境异质性的进化策略提供了新视角。

　　

环境变异对日本弓背蚁工蚁头部表型的影响

1 引言

生态地理规则如伯格曼法则(Bergmann's rule)和格洛格氏规则(Gloger's rule)长期指导着生物形态变异与环境关系的研究。日本弓背蚁(Camponotus japonicus)作为东亚广布物种，其工蚁存在显著的大小二型性(大工蚁major workers与小工蚁minor workers)和头部颜色变异，为研究环境驱动的表型可塑性(phenotypic plasticity)提供了理想模型。传统热黑化假说(Thermal Melanism Hypothesis, TMH)预测寒冷地区应富集深色个体以增强吸热效率，但该假设在社会性昆虫中的适用性尚存争议。

2 材料与方法

研究团队在中国大陆22个采样点(24°47′N-47°51′N)收集了2162只工蚁，覆盖海拔32-1275米梯度。通过：

• 分子鉴定：基于线粒体COI基因构建系统发育树

• 表型分析：量化头部栗色覆盖比例，建立四型分类体系(Type I全黑型至Type IV大面积栗色型)

• 形态测量：获取头长(HL)、头宽(HW)等6项指标

• 环境数据：整合温度、降水等6项气候变量

  采用线性混合模型(LMM)和偏曼特尔检验(Partial Mantel test)解析基因-环境-表型的多维关系。

3 结果

3.1 分子与遗传特征

COI系统发育将种群分为4个支系(Clade A-D)，其中北方Clade C表现出最高单倍型多样性(Hd=0.914)。基因流分析(Nm=0.04955-0.22703)显示种群间存在有限基因交流。

3.2 头部表型分布

Type I全黑型占主导(大工蚁707只)，Type IV仅见于沈阳种群(SY2)的3只大工蚁。表型多样性指数显示：沈阳种群最高(1.283±0.100)，福建南安种群最低(0.186±0.093)。值得注意的是，栗色表型在北方Clade C占比最高(大工蚁39.58%±3.48%)，显著高于南方Clade D(18.52%±1.30%)。

3.3 环境关联性

与TMH预测相反，栗色表型(浅色)比例随纬度升高而增加(r=0.82, p<0.001)。年降水量每增加100mm，小工蚁头部栗色面积减少7.3%(β=-0.073, p=0.012)。形态分析揭示：温度降低1°C关联大工蚁头宽增加0.12mm(p=0.038)，暗示寒冷环境可能选择更大体型。

4 讨论

研究发现挑战了传统TMH在蚂蚁中的普适性，支持格洛格氏规则的解释——寒冷干燥环境可能通过以下途径选择浅色表型：

• UV防护：高纬度强紫外线促进栗色素的光保护功能

• 生理权衡：深色几丁质在低湿度下的水分保持代价过高

• 社会分工：大工蚁的表型变异可能增强群体环境适应力

该研究首次在蚂蚁中证实头部颜色多态性存在纬度梯度，为理解社会性昆虫的表型进化提供了新范式。未来研究可结合转录组学解析色素合成通路(如多巴胺代谢)的环境调控机制。