社会调控的蚂蚁蚁后行为特化相关的脑转录组变化

《Molecular Ecology》：Brain Transcriptomic Changes Associated With the Socially Regulated Behavioural Specialisation of Ant Queens

摘要专业翻译 昆虫社会以蚁后（queen）与工蚁（worker）之间的生殖分工（reproductive division of labour）为特征，蚁后垄断产卵，工蚁执行所有非生殖任务。蚁后产卵特化通常被认为具有组成性（constitutive）且不依赖于环境条件，但这一常见假设近期受到挑战：研究发现，在多种蚂蚁物种中，工蚁的存在既能诱导也能维持蚁后的特化状态。然而，将工蚁存在转化为蚁后行为特化的分子机制仍属未知。为探究蚂蚁蚁后社会调控特化的转录组学基础，研究人员对黑花园蚁（Lasius niger）蚁后构建了93个个体脑转录组（brain transcriptome），这些蚁后在不同社会环境中进行实验性饲养。转录组学分析揭示，在有无工蚁条件下饲养的蚁后脑部之间，有123个基因存在差异表达（differentially expressed）。这些基因富集于与脑能量代谢（brain energy metabolism）、神经元可塑性（neuronal plasticity）及信号传导相关的生物学过程。通过进一步探究选定目标基因对社会环境额外操控的响应，研究人员鉴定出4个候选基因，其表达变化完全镜像了蚁后行为变化。具体而言，这些基因对工蚁存在的表达响应具有可逆性，且不响应工蚁存在的单纯线索。这些候选基因包括转录因子（transcription factor）Krüppel-homologue 1（Kr-h1）以及保幼激素（juvenile hormone，JH）和胰岛素信号通路（insulin signalling pathway）中的其他基因，这两条通路已知调控社会性昆虫分工的多个方面。通过对蚂蚁蚁后行为特化的转录组学基础进行稳健、重复性好且受控良好的研究，该研究为理解昆虫社会中生殖分工的出现与维持提供了更深入的认识。

论文解读

一、研究背景与研究意义

社会性昆虫群体以生殖分工为基本特征：蚁后专司产卵，工蚁则承担育幼、觅食、清洁巢穴等非生殖任务。蚁后与工蚁在形态、生理和基因表达层面均呈现显著差异，这些差异共同支撑其行为特化。长期以来，学界对生殖分工的研究主要聚焦于幼虫发育阶段的等级决定过程，默认蚁后在成虫阶段其产卵特化是固定不变的。然而，近年研究对这一传统假设提出挑战：在多种蚂蚁中，蚁后行为特化并非一成不变，而是受到社会环境的动态调控。以黑花园蚁（Lasius niger）为例，新交配的蚁后在独立建巢阶段（即无工蚁协助时）表现出广泛的行为谱，包括育幼等非生殖任务；只有当首批工蚁出现后，蚁后才逐渐特化于产卵。实验证据表明，工蚁的存在既是诱导蚁后产卵特化的充分条件，也是维持已建立群体中该特化状态的必要条件。实验性移除工蚁会导致蚁后恢复育幼行为，回到类似建巢蚁后的状态。这种可逆的、社会调控的特化模式与传统的组成性特化假设形成鲜明对比，也不同于白蚁等物种中生殖个体不可逆地丧失育幼能力的情况。值得注意的是，仅暴露于工蚁存在的线索（如通过金属网隔离的工蚁）并不能诱导蚁后特化，说明蚁后与工蚁之间及/或工蚁与幼虫之间的密切接触是特化产生的必要条件。尽管蚁后对社会环境操控的行为响应已得到较好表征，但将工蚁存在转化为蚁后行为特化的分子机制仍不清楚。已有证据提示，社会环境可能通过改变脑基因表达来影响蚁后特化：在其他社会性昆虫中，工蚁存在与蚁后脑基因表达变化相关；蚁后移除可驱动工蚁行为和生理的深刻改变，并伴随脑转录组变化；工蚁行为、生理和脑基因表达也响应幼虫存在的实验操控。基于这些线索，研究人员提出假设：工蚁诱导蚁后行为特化可能涉及在其他情境和物种中响应社会环境变化的基因和通路，特别是保幼激素（JH）、胰岛素/胰岛素样信号及卵黄原蛋白（vitellogenin）通路。其中，Kr-h1（编码JH响应转录因子）和ilp2（编码胰岛素样肽）尤其值得关注。为验证这一假设，研究人员对L. niger建巢蚁后开展了系统的脑转录组学研究，以期鉴定将社会环境变化转化为蚁后行为特化的分子调控机制。

二、主要技术方法

研究人员利用93个L. niger蚁后个体脑RNA-seq（RNA测序）样本开展研究。样本来源于三类实验：实验A（工蚁的添加与移除，源自Majidifar等2024年实验2.2.4，共36个样本，每处理12个）、实验B（工蚁添加及金属网隔离工蚁，源自Majidifar等2024年实验2.2.12，共33个样本，分别为12、12和9个）、实验C（幼虫存在与否的操控，为本研究新产生，共24个样本，每处理12个）。蚁后采集自德国美因茨（Mainz）2019年7月和2020年7月婚飞后的个体。脑解剖后提取总RNA，经mRNA富集文库构建后在Illumina Plus X平台进行PE150双端测序，每样本至少26百万读段。原始读段经Fastp修剪过滤，Kallisto伪比对至L. niger注释编码区（GAGA-0177），tximport汇总至基因水平计数，DESeq2进行差异表达分析。为控制批次效应，研究人员将实验A和实验B中相同对照处理（无工蚁和有工蚁）的样本合并（各24个），采用似然比检验（LRT）比较包含工蚁存在和批次的全模型与仅含批次的简化模型。GO（基因本体）富集分析采用topGO包的weight01算法和Fisher精确检验。目标基因的进一步分析采用ANOVA线性模型及emmeans成对比较。

三、研究结果

3.1 工蚁存在对蚁后脑基因表达的影响

通过合并实验A和实验B中无工蚁（n=24）与有工蚁（n=24）的对照样本进行差异表达分析，研究人员鉴定出123个差异表达基因（DEG，校正p<0.05）：63个（51.2%）在无工蚁蚁后脑中上调，60个（48.8%）在有工蚁蚁后脑中上调。GO富集分析发现16个显著富集的GO条目（p<0.01），其中11个属于生物学过程，5个属于分子功能。这些富集条目可归为三类功能：脑能量代谢相关（海藻糖转运、糖原生物合成、D-葡萄糖结合、甘油三酯分解和合成）、膜重塑与神经元可塑性相关（高密度脂蛋白颗粒重塑、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰甘油代谢）、神经传递与信号调控相关（协同转运蛋白活性、无机分子跨膜转运、跨膜转运、铵离子代谢过程、细胞对肽的响应）。

3.2 目标基因的鉴定

研究人员人工审阅123个DEG的功能注释，以“在昆虫脑中表达且具有报道的行为功能”为标准，鉴定出13个目标基因：7个（53.8%）在无工蚁蚁后脑中上调，6个（46.2%）在有工蚁蚁后脑中上调。这些基因包括Kr-h1（Lnig_g01448）、PDK1（Lnig_g11740）、Insulin（Lnig_g17128）、Juvenile hormone esterase（Lnig_g08195）、Esterase E4（Lnig_g15862）、Protein doublesex（Lnig_g04508）、Protein henna（Lnig_g13064）、Prohormone-2（Lnig_g06899）、Pheromone-binding protein Gp-9（gLnigOBP1）、GR81（gLnigGR81）、Tret1a（Lnig_g01559）、Tret1b（Lnig_g11948）和Tret1-2 homologue（Lnig_g10144）。

3.3 工蚁移除对目标基因表达的影响（实验A）

实验A包含三个处理：无工蚁、有工蚁、曾有工蚁但移除。行为分析显示，工蚁移除后蚁后育幼行为高于有工蚁蚁后，与从未有过工蚁的蚁后相当，证明行为特化可逆。研究人员设定目标基因镜像行为响应的标准为：表达受处理主效应影响、有工蚁与工蚁移除组间存在差异、且无工蚁组与工蚁移除组相对于有工蚁组方向一致。结果显示，13个目标基因中有6个呈现可逆表达模式：Kr-h1、Juvenile hormone esterase、Insulin、Pheromone-binding protein Gp-9、Tret1-2 homologue和Prohormone-2。其余基因的表达变化不可逆，与行为响应不符。

3.4 隔离工蚁对目标基因表达的影响（实验B）

实验B包含三个处理：无工蚁、有工蚁、有工蚁但通过金属网隔离。视频分析确认金属网允许蚁后与隔离工蚁发生触角接触。行为分析显示，与同区域工蚁共处的蚁后不同，提供隔离工蚁的蚁后未表现出育幼行为减少。研究人员采用与实验A相同的标准，发现9个目标基因呈现符合行为响应的表达模式：Kr-h1、PDK1、Juvenile hormone esterase、Insulin、Protein doublesex、Protein henna、Tret1a、Tret1b和Tret1-2 homologue。其余基因在有工蚁与隔离工蚁间无表达差异。

3.5 幼虫存在对目标基因表达的影响（实验C）

由于工蚁添加同时改变了蚁后与幼虫的互动程度（无工蚁时蚁后与幼虫互动多，有工蚁时互动少），差异表达分析可能捕获了幼虫互动的后果而非对工蚁存在的响应。实验C比较了有6只幼虫与无幼虫的建巢蚁后（均无工蚁）。结果显示，13个目标基因中有9个在有无幼虫处理间无表达差异：Insulin、Juvenile hormone esterase、Esterase E4、Protein doublesex、Protein henna、Prohormone-2、GR81、Tret1a和Tret1b。其余4个基因受幼虫存在影响，但方向与“工蚁效应由幼虫互动解释”的预期相反：Kr-h1和PDK1在有幼虫时表达更高（但在无工蚁时表达更低），Pheromone-binding protein GP9和Tret1-2 homologue在无幼虫时表达更高（但在有工蚁时表达更低）。这排除了幼虫互动作为工蚁效应解释的可能性。

四、讨论与结论

讨论部分指出，DEG富集分析揭示的三类功能变化具有重要生物学意义。第一类为能量代谢相关条目，由于所有蚁后均未喂食，这些能量重分配模式并非源于营养差异，而可能反映脑活动差异——育幼行为的表达需要高能量需求，而无工蚁蚁后通过甘油三酯分解和碳水化合物转运满足这一需求；有工蚁蚁后则转向能量储存。第二类为膜重塑和神经元可塑性相关条目，提示蚁后脑可能在响应社会环境变化时发生结构修饰，这与蜜蜂、蚂蚁和黄蜂中报道的蕈形体（mushroom bodies）体积随社会环境和行为变化的神经解剖学可塑性一致。第三类为跨膜转运和神经肽响应相关条目，反映神经元稳态和信号传导的差异，与神经肽调控社会性昆虫分工和行为的已知功能相符。

在13个目标基因中，4个基因——Kr-h1、Juvenile hormone esterase、Insulin和Tret1-2 homologue——完全满足了镜像行为响应的全部标准：表达变化在工蚁移除后可逆（实验A）、对隔离工蚁的单纯线索无响应（实验B）、且幼虫互动不能解释工蚁效应（实验C）。Kr-h1编码JH响应转录因子，在蜜蜂中响应蚁后信息素并调控工蚁生殖激活，在H. saltator中控制工蚁向生殖性gamergate的行为转变，其机制可能是通过JH依赖性调控下游基因表达来抑制特定社会情境下不应表达的行为。Juvenile hormone esterase编码水解JH的酶，其上调可能反映脑内JH滴度升高，而JH处理实验（如甲氧普烯）在L. niger建巢蚁后中可减少育幼行为，与JH在调控行为特化中的作用一致。Insulin编码胰岛素样肽，其表达与蚂蚁和蜜蜂中工蚁行为变异及生殖活动相关。Tret1-2 homologue编码海藻糖转运蛋白，海藻糖是昆虫主要血淋巴糖类，其表达与工蚁觅食行为和社会优势相关。这4个基因作为蚂蚁蚁后社会调控特化的候选分子调控因子，为理解昆虫社会生殖分工的出现与维持提供了新的分子视角。