螞蟻擁有嚴密的分工體系，蟻后負責產卵繁殖，工蟻負責尋找食物、撫養幼虫等。圖為工蟻。受訪者供圖。

不依靠語言溝通，卻能默契協作建造出令人驚嘆的巢穴﹔沒有組織意識，卻擁有嚴密精細的分工體系……螞蟻究竟是如何演化成為地球上規模最為龐大的社會群體之一的呢？

日前，由武漢華大生命科學研究院參與組織的“全球螞蟻基因組聯盟”（GAGA）在國際期刊《細胞》上發表一項研究，揭示了螞蟻適應性輻射與社會性演化的遺傳基礎。

“我們通過對具有不同社會組織結構的螞蟻物種展開比較研究，尋找到了與螞蟻生殖分工和社會性特征相關的關鍵調控基因，進而揭示了其基因網絡與社會性特征網絡協同演化的機制。”浙江大學生命演化研究中心教授張國捷介紹，“在基因網絡模塊重塑的過程中，不同的表型性狀相互關聯、協同演化，最終推動了螞蟻物種及其社會性狀的多樣化發展。”

重構蟻科“生命之樹”

為了揭示螞蟻適應性輻射與社會性演化的遺傳基礎，研究團隊整合了全球163種不同螞蟻的全基因組數據，成功重構了蟻科的“生命之樹”，涵蓋現生螞蟻16個亞科中的12個，343個屬中的97個。這不僅厘清了蟻科物種間復雜的親緣關系，還將螞蟻的共同祖先追溯至約1.57億年前的侏羅紀晚期。

研究過程中，團隊發現螞蟻共同祖先的基因組中，與嗅覺感知相關的基因家族出現了顯著擴增現象。這一發現表明，螞蟻的共同祖先在當時已經具備社會通信的關鍵分子機制。

而在社會性復雜度較高的正蟻類的共同祖先中，研究團隊監測到許多與蟻后—工蟻品級分化關聯的基因存在正選擇信號。研究人員認為，這表明與螞蟻社會分工相關的關鍵通路在白堊紀時期經歷了強烈的選擇壓力，這些關鍵通路在螞蟻品級制度建立中具有關鍵作用。

此外，研究還發現各種螞蟻的單倍體染色體數目差異極大，范圍從1條到60條不等。研究團隊對蟻科17個代表性物種的染色體結構進行了比較分析，發現在螞蟻演化過程中，染色體經歷了大量的重排事件。尤其在如弓背蟻、大頭蟻等屬中，染色體重排速率顯著上升。

進一步深入研究后發現，螞蟻的染色體重排速率與物種多樣性呈顯著的正相關關系。

有趣的是，盡管螞蟻染色體整體上具有較高的基因組重排速率，但其基因組中仍保留了約970個保守共線性區域塊。這些區域塊共同形成了核心基因調控網絡。

研究團隊認為，這些核心基因調控網絡不僅對基礎發育與代謝過程起著調控作用，同時也為螞蟻復雜社會系統功能的實現提供了有力支撐。

探索復雜性狀演化機制

研究發現，螞蟻社會性狀的演化受到一套高度保守的信號通路調控，包括保幼激素、絲裂原活化蛋白激酶和胰島素三大信號通路。這些通路中的核心蛋白在決定螞蟻個體身份，如蟻后與工蟻的分化中發揮著核心作用。

不過，不同種類螞蟻的這些信號通路的作用機制存在差異，這反映出它們在自然選擇下的適應性演化。

文章共同通訊作者、中國科學院昆明動物研究所副研究員劉薇薇介紹：“該研究加深了我們對螞蟻社會性演化的理解，為解析動物復雜性狀的演化機制提供了重要啟示。”

據悉，決定螞蟻社會性的兩個關鍵因素是巢穴的群體規模，以及蟻后與工蟻之間的分化程度。

而這兩個因素又為其他社會性狀的演化，如工蟻的體型差異、生殖能力的喪失等奠定了基礎。根據研究，這些性狀之間的相關性，與基因組中自然選擇信號的強化或減弱高度吻合。同時，這些社會性狀之間相互關聯，進而重塑了核心基因調控網絡，而這些核心基因調控網絡則共同驅動了螞蟻社會性狀的演化進程。

文章共同第一作者、中國科學院大學與華大生命科學研究院聯合培養博士熊子軍介紹：“以保幼激素和胰島素信號為核心的保守通路，在螞蟻社會性演化中發揮著重要作用。螞蟻中許多社會性狀之間存在顯著的相關性，這些相關性共同塑造了螞蟻表型的多樣性。我們的研究從基因水平、基因家族、基因調控網絡和保守信號通路等多維度深入揭示了驅動螞蟻社會性演化的分子遺傳基礎。”

“螞蟻身上還有很多有趣的問題有待探索，包括蟻后為何能如此長壽、相同的基因組如何產生成表型截然不同的成體、螞蟻核型快速演化的原因和意義等。我們將進一步利用多組學技術深入探索螞蟻社會的奧秘，期待在此領域迎來更多突破性發現。”華大生命科學研究院研究員李啟業說。

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