Генетика определяет размерный порог для муравьиных маток и рабочих особей

Колония клоновых муравьёв-рейдеров, выращенных в лаборатории Кронауэра. Автор: Дэниел Кронауэр

У многих видов муравьёв каста определяет судьбу особи. Матки вырастают крупными, обзаводятся крыльями и откладывают яйца, тогда как рабочие остаются мелкими, бескрылыми и трудолюбивыми. Однако механизмы развития этих каст — и то, как будущее молодого муравья определяется генетикой и средой — оставались неясными.

Новое исследование показывает, что размер тела и каста взаимосвязаны. Крупные муравьи обычно становятся матками, а мелкие — рабочими, причём на размер влияют как гены, так и окружающая среда. Однако, как следует из публикации в PNAS, генетика самостоятельно определяет порог для превращения в матку.

В разных колониях генетически различные муравьи одинакового размера, выращенные в идентичных условиях, могут отличаться по кастовой морфологии. Это демонстрирует, что гены не только влияют на размер — они меняют значение этого размера для колонии. Два относительно мелких муравья могут иметь совершенно разные шансы стать матками.

«Одна из наших целей — понять, как функционирует насекомое общество», — говорит Дэниел Кронауэр, профессор Рокфеллеровского университета. «Изучение дифференциации особей в колонии помогает понять, какие кастовые системы — от маток до рабочих и солдат — могут эволюционировать у тысяч видов муравьёв».

Природа или воспитание

Матка — это не просто крупный рабочий муравей. Помимо большего размера тела, матки обычно отращивают крылья, развивают более сложную зрительную систему и крупные яичники для откладки яиц, тогда как рабочие остаются бескрылыми, мелкими и обычно не размножаются.

Такое различие между генетически идентичными особями — классический пример пластичности развития, что делает муравьёв отличной моделью для изучения того, как один генотип может давать радикально разные фенотипы.

Некоторые учёные предполагали, что размер тела может быть отделён от кастовой принадлежности. Эта теория имела смысл — у плодовых мушек и других насекомых физические черты в определённой степени регулируются факторами среды независимо от размера тела. Однако новые данные указывают, что у муравьёв, в отличие от других насекомых, кастовые признаки всегда жёстко связаны с размером.

«Это горячо обсуждаемая тема, по крайней мере среди мирмекологов», — отмечает Патрик Пикарски, постдок из лаборатории Кронауэра. «Мы хотели разрешить этот вопрос, выяснив, возможно ли разделить размер от развития яичников или глаз».

Команда использовала клонового муравья-рейдера Ooceraea biroi — удобную модель благодаря клональному размножению и синхронизированному жизненному циклу, что позволяет точно контролировать генетические и средовые переменные.

Хотя у этих муравьёв нет классических маток, особи-интеркасты считаются их аналогами — они крупнее, с развитыми яичниками, рудиментарными глазами и зачатками крыльев. Такая связь между размером тела и комплексом «маточных» признаков широко распространена среди муравьёв.

«Мы работаем с этим необычным видом, потому что иначе не смогли бы контролировать генотип», — поясняет Кронауэр. «С клоновыми муравьями мы можем провести масштабное исследование, аналогичное изучению близнецов, чтобы определить влияние среды на фенотип».

Размер имеет значение

В исследовании учёные сначала фиксировали генотип личинок, варьируя условия выращивания. Ранее было показано, что доступ пищи, температура и генотип муравьёв-нянек могут влиять на кастовое развитие.

Оказалось, что все эти факторы действительно влияют на исход, но только через изменение итогового размера личинки. Например, генетически идентичные личинки при нехватке пищи становились мельче и реже развивали «маточные» черты. Но если личинка достигала критического размера несмотря на недоедание, она всё равно приобретала признаки матки. В итоге каста определялась размером, который почти идеально предсказывал развитие.

Затем команда сравнила разные генотипы личинок в сходных условиях, чтобы проверить, могут ли генетические различия изменить связь размера с кастовыми признаками.

Выяснилось, что гены могут влиять не только на размер, но и на порог проявления «маточных» черт. Например, муравьи линии «M» в одинаковых условиях вырастали мельче, чем особи линии «A». Однако при любом размере муравьи линии M чаще развивали признаки маток. Две мелкие особи из разных линий могли иметь совершенно разные шансы стать матками независимо от условий.

Это означает, что генетические вариации влияют на кастовую морфологию двумя путями — через контроль роста и через изменение «переключающего» размера для маточных признаков.

«Наглядная иллюстрация — некоторые генотипы начинают проявлять маточные черты при меньших размерах», — говорит Пикарски.

Главный вывод исследования, по его словам, в том, что «если какой-то фактор среды влияет на касту, он обязательно влияет и на размер. Нельзя изменить одно без другого. Насколько мы видим, связь размера и касты остаётся неизменной и генетически запрограммированной».

Для Кронауэра значение работы выходит за рамки кастового определения. Его лаборатория изучает муравьиные колонии как суперорганизмы — сложные системы, где генетически идентичные особи выполняют разные роли, подобно клеткам ткани. Используя муравьёв как модель, Кронауэр объединяет изучение развития, поведения и социальной организации.

«Мозг матки и рабочего сильно различается, что коррелирует с разным поведением», — объясняет учёный. «Рабочие покидают гнездо для фуражировки, ухаживают за личинками, строят; матка в основном только спаривается и откладывает яйца. Поэтому понимание связи размера с кастой — не просто вопрос морфологии. Это ключ к изучению того, как социальные роли, функции мозга и динамика колонии развиваются и эволюционируют вместе».

Подробнее: Пикарски, Патрик К. и др., Static allometries of caste-associated traits vary with genotype but not environment in the clonal raider ant, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2501716122