Несколько международных команд учёных секвенировали геномы сразу четырёх видов муравьёв: огненного, аргентинского, жнеца и листореза. А ещё одна – изучила ДНК ракообразного, число генов которого превысило таковое не только у человека, но и у всех остальных живых существ.

Первый блок работ представил новые данные о социальных отношениях мурашей и способах борьбы с их засильем. Все четыре вида этих насекомых имеют непосредственное отношение к человеку. А два изрядно поднадоели жителям Северной Америки (речь об «аргентинце» и «огненном», занесённых в своё время на новые земли из южной соседки этой части света и отличающихся особым неуважением к «аборигенам»).

Рис. 1. Не так давно событием была расшифровка генома нового вида. Теперь наибольший интерес представляет сравнение геномов родственных видов (фото Alex Wild).

Рис. 2. Аргентинские муравьи – настоящие воины-завоеватели. В Южной Америке представители отдельных гнёзд нападают друг на друга. В результате численность мурашей контролируется автоматически. В других регионах планеты «аргентинцы» не убивают себе подобных, однако под натиском захватчиков пали многие колонии муравьёв-аборигенов. На снимке: особи агрессивного завезённого вида нападают на жнецов рода Pogonomyrmex (фото Alex Wild).

И аргентинский (Linepithema humile) и огненный (Solenopsis invicta) муравьи разрушают местные экосистемы: уничтожают насекомых и плодят вредителей сельскохозяйственных культур. А второй вид ко всему прочему кусается так, что может вызвать анафилактический шок не только у людей, но и у домашнего скота. Попытки агротехников справиться с напастью часто ограничиваются распылением на подконтрольных территориях токсичных пестицидов.

Команда Кристофера Смита (Christopher Smith) из университета Калифорнии в Сан-Франциско решила составить черновые последовательности ДНК мурашей.

Рис. 3. «Аргентинцы» защищают многих червецов и тлей от их естественных врагов (таким образом, они косвенно вредят и человеку). Взамен мураши получают от паразитов, питающихся растениями, сладкую падь (фото Alex Wild).

Исследователи прочитали 216 из 251 миллиона пар оснований аргентинского муравья. Всего было обнаружено 16344 гена.

Полученная информация позволит изучить генетические основы жизни муравьёв и воспользоваться новыми знаниями для обмана насекомых, вмешательства в их привычный образ жизни.

«Мураши живут в химическом мире», — поясняет другой автор исследования Нейл Цуцуи (Neil Tsutsui) из университета Калифорнии в Беркли.

Чувства обоняния и вкуса помогают им как ориентироваться в пространстве, так и общаться между собой. Очередным подтверждением этому факту является обнаружение у них очень большого количества генов, работающих на распознание химических сигналов.

Так, аргентинский муравей обладает 367 генами, обеспечивающими работу рецепторов запахов, и 116, отвечающими за вкус. Для сравнения: у медоносных пчёл (Apis mellifera) «генов носа» лишь 174, а «генов языка» и вовсе десяток.

Рис. 4. У огненного мураша энтомологи нашли 400 предполагаемых обонятельных рецепторов. По крайней мере, 297 из них работающие. Между тем, среди насекомых это настоящий рекорд. Подробности – в статье, вышедшей в PNAS (фото Jim McKinle/Flickr.com).

«Муравьи живут под землёй, большинство проводят почти всю вою жизнь в полной темноте, передвигаясь вдоль дорожек-следов. В ходе долгих лет эволюции им было выгодно отточить свои чувства запаха и вкуса», — добавляет Нейл.

А теперь этим «свойством» пробуют воспользоваться биологи. Цуцуи уже пытался организовать в стройных муравьиных рядах маленькую гражданскую войну. Ему это даже удалось – тогда на гнездо исследователи распылили вещества, свидетельствующие о вторжении чужаков. Но теперь перед учёными открывается несоизмеримо большее количество возможностей.

Рис. 5. В статье, рассказывающей о ДНК муравья-жнеца (Pogonomyrmex barbatus), учёные упоминают, что обнаружили 344 гена, отвечающих за распознавание запахов (фото Alex Wild).

К примеру, личинку муравьиной королевы рабочие откармливают специальным «королевским желе» (аналог маточного молочка у пчёл). Стоит выключить гены, которые отвечают за производство этого лакомства, и мураши не смогут размножаться. Впрочем, стерилизовать колонию можно и другим способом.

Расшифровка ДНК также показала, что переключение генов позволяет повысить или понизить положение особи в кастовой системе колонии.

Так, будущая королева вырастает до больших размеров, у неё появляются крылья и способность к репродукции (ранее подобное учёные наблюдали у других видов муравьёв, а также у пчёл). Искусственное переключение генов может привести к уменьшению количества королев, а значит, эффективной стерилизации колонии.

«Вот по этой причине меня так вдохновляют эти насекомые. Они берут один геном и читают его так, как им нужно, образуя разные формы», — говорит Смит.

Рис. 6. В геноме аргентинского муравья (на снимке королева и рабочий) учёные нашли большое количество генов, кодирующих белки семейства Цитохром P450. У L. humile их 111, в то время как у пчёл лишь 46. Гены, вероятно, играют важную роль в процессах нейтрализации вредных веществ, которых в диете «аргентинцев» предостаточно. Анализ их работы позволит выяснить, как действуют на этих мурашей пестициды (фото Alex Wild).

Среди прочих результатов выяснилось, что генов, связанных с иммунитетом, у «аргентинца» всего лишь 90, в то время как та же дрозофила может похвастаться 152. Причина такого положения дел пока не ясна, ведь в таком случае неизбежно быстрое распространение болезней в случае их появления.

Впрочем, возможно, что мураши используют ту же защиту, что и пчёлы, обладающие 78 «охранными» генами, – в ход идут частый уход за поверхностью тела и быстрое удаление мёртвых сородичей из гнезда. (Кстати, ещё предстоит вычислить гены, отвечающие за антимикробную защиту.)

В дальнейшем исследователи планируют сопоставить геномы инвазивных и туземных видов муравьёв между собой, чтобы выяснить, как первые из них изменились со времён переселения в новые края, а также усилили ли пестициды эволюцию этих существ.

Рис. 7. В Новом Свете проживает около 45 видов мурашей-листорезов. Они собирают в общей сложности 17% листвы деревьев тропических дождевых лесов для того, чтобы прокормить свои подземные грядки грибов. Такой объём не съедают представители ни одного вида травоядных существ, включая насекомых и млекопитающих (фото out in the sticks/Flickr.com, Alex Wild).

Четвёртая вышедшая на днях публикация посвящёна ДНК муравьёв-листорезов вида Atta cephalotes. Их геном содержит около 300 миллионов пар оснований.

Учёные по новым данным проанализировали необычные пищевые взаимоотношения этих насекомых, грибков и бактерий, а также как они повлияли на эволюцию генома мурашей.

Оказалось, что около 50 миллионов лет назад насекомые и грибки вступили в мутуалистические отношения. В результате муравьи стали настолько хорошими фермерами, что научились кормить за счёт своих садов колонии-миллионники (которые, к слову сказать, могут занимать до 600 кубических метров пространства).

Геном преобразовался под эти нужды, исключив все те гены, что кодируют белки, необходимые другим видам муравьёв для добычи пропитания. Учёные планируют продолжить исследование одного из самых продуктивных взаимодействий в природе. Для этого будут секвенированы геномы грибков и микроорганизмов, участвующих в мутуалистических отношениях.

«Данные по ДНК позволяют нам лучше разобраться в природе симбиоза и фермерства у муравьёв», — подытоживает глава этого исследования, бактериолог Кэмерон Кюри (Cameron Currie).

Рис. 8. В будущем учёные планируют разобраться с ещё одной «головоломкой» – кастовой системой листорезов. Представители этой группы отличаются от многих других муравьёв сложной морфологией: особи могут разниться по размеру и форме в семь раз в зависимости от выполняемых функций. Например, маленькие рабочие часто ухаживают за плантациями и потомством, мураши средних размеров охраняют территорию, те, что чуть крупнее, собирают листву, а самые большие защищают гнездо, обладают крыльями и могут спариваться (фото Alex Wild).

И, наконец, последняя работа, взбудоражившая генетиков по всему миру: расшифровка генома водяной блохи (Daphnia pulex).

Это исследование интересно сразу по нескольким причинам. Во-первых, учёные впервые расшифровали геном ракообразного. Во-вторых, быстро выяснилось, что водяная блоха обладает бóльшим количеством генов, чем человек: их у крошечного ракообразного почти 31 тысяча против 23 тысяч у всем известного Homo sapiens. И, наконец, в-третьих, почти треть прочитанных генов уникальна, то есть не была известна биологам ранее.

«Большое количество генов „дафнии“ – следствие их массового умножения», — рассказывает глава проекта Daphnia Genomics Consortium Джон Колборн (John Colbourne), не давая, впрочем, точного объяснения природе такого копирования.

Статья, разбирающая черновую версию ДНК, была опубликована в журнале Science. За ней последовало более 40 публикаций-сателлитов.

Такое внимание биологов к этой микроскопической твари вполне объяснимо. Учёные изучают D. pulex на протяжении нескольких столетий – представители вида составляют одно из важнейших звеньев пищевой цепи мирового океана. Кроме того, на примере этого существа исследователи проверяют воздействие окружающей среды на живые организмы (на этот выбор повлиял целый ряд факторов).

Рис. 9. Среди многоклеточных организмов у «дафнии» самое большое количество генов (минимум 30907). Самый короткий геном принадлежит одноклеточному и содержит всего-то 182 кодирующих белки гена (фото Jan Michels/Christian-Albrechts-Universität zu Kiel).

Нынешняя работа показала, что большие куски ДНК активизируют свою работу, когда животное испытывает стресс. При этом учёные не знают, каково назначение многих из этих генов. Получается, что традиционные биологические модели не могут дать всей необходимой информации о процессе.

«Имея на руках данные по геному этого ракообразного, используя отбор проб в естественных условиях и лабораторные опыты, мы сможем определить влияние факторов окружающей среды на клеточном и даже молекулярном уровне, в том числе и у человека», — поясняет профессор Джеймс Клауниг (James Klaunig) из университета Индианы.

Как теперь выясняется, из всех беспозвоночных, геномы которых были доселе расшифрованы, «дафния» делит с человеком больше всего генов. И этот факт делает водяную блоху ещё более привлекательной моделью для изучения влияния вредных веществ на организм людей.

Рис. 10. Дафний назвали так в честь нимфы Дафны, которая избегала мужского общества. Самки ракообразного также чувствуют себя вполне комфортно в отсутствие самцов – животное клонирует само себя. Спаривание происходит лишь в тех случаях, когда условия делают сей процесс выгодным. Учёные извлекают из этого свою пользу, получая генетически идентичных особей для нескольких параллельных опытов (фото Christian Laforsch/Ludwig-Maximilians-Universität München).