Sam Gregorio ha scritto questo post come un progetto per la Dottoressa Stacy Krueger-Hadfield Scientifico del corso di Comunicazione presso l’Università di Alabama a Birmingham. Sam ha conseguito una laurea in biologia e BFA in studio art da Birmingham-Southern College, e sta attualmente perseguendo un MS in Biologia presso UAB. È affascinato dai diversi ecosistemi dell’Alabama, in particolare dalle comunità di artropodi attualmente minacciate che svolgono un ruolo fondamentale in questi sistemi.
In un recente articolo, i ricercatori hanno valutato i sistemi riproduttivi all’interno di Cataglyphis, un genere di formiche del deserto (Kuhn et al., 2020). Due sistemi insoliti erano stati osservati all’interno del genere. Per capire la riproduzione Cataglyphis, però, si deve prima capire la riproduzione formica convenzionale.
La stragrande maggioranza delle formiche in una colonia sono lavoratori. Sono femmine, ma sterili. I lavoratori crescono dalle uova della regina della colonia (Wheeler, 2016). Alcune uova si sviluppano in alate alate – o regine, che sono femmine fertili, o maschi, che sono aploidi e si schiudono da uova non fecondate (White, 1984). Ogni anno, gli alati volano dalla colonia in massa in cerca di compagni (Wilson, 1957). I maschi muoiono subito dopo l’accoppiamento e le regine mantengono lo sperma in un organo specializzato (Wheeler & Krutzch, 1994), permettendo loro di fertilizzare le uova per il resto della loro vita, potenzialmente decenni in alcune specie (Keller, 1998). Ogni regina trova quindi un posto sicuro dove nascondersi mentre i suoi lavoratori raggiungono la maturità. In molte specie, la regina solleva la sua prima prole all’età adulta senza mangiare (Keller & Passera, 1989).
Questo è molto più di una serie di fatti divertenti.
Questo paradigma consente agli individui non riproduttivi di assumersi rischi mentre le regine rimangono al sicuro. Questa strategia è un fattore importante dietro il successo evolutivo dei Formicidae, la famiglia di formiche, che comprendono una notevole porzione della biomassa animale terrestre terrestre (Wilson, 1985). Questo rende le formiche un clade interessante per esaminare l’evoluzione dei sistemi riproduttivi. La riproduzione insolita crea pressioni di selezione uniche, portando le sottocladi ad adottare modalità riproduttive ancora più strane (Heinze & Tsuji, 1995).
Kuhn et al. (2020) erano interessati a due insoliti sistemi riproduttivi visti nel genere Cataglyphis. In alcune specie, le regine producono lavoratori sessualmente, ma producono nuove regine fecondando le proprie uova. Questo è chiamato uso condizionale del sesso. Le loro colonie sono rese robuste dalla variazione tra i lavoratori, mentre la prole riproduttiva riceve solo il DNA della regina (Pearcy et al., 2004).
Un altro gruppo all’interno di Cataglyphis riproduce con un mezzo chiamato ibridogenesi sociale clonale. Queste formiche usano anche il sesso in modo condizionale, ma una “specie” (anche se siamo ben oltre il punto in cui i concetti di specie si rompono) consiste di due lignaggi genetici. Le regine si accoppiano selettivamente con maschi del lignaggio opposto per produrre lavoratori. Questi lavoratori sono diversi e robusti, senza lo svantaggio della fertilità che spesso viene fornito con l’ibridazione, poiché i lavoratori sono comunque sterili (Burke & Arnold, 2001; Umphrey, 2006).
Per valutare la storia evolutiva di queste modalità riproduttive, i ricercatori hanno scavato colonie di Cataglyphis in tutta Europa e in Medio Oriente. Genotipizzando le regine riproduttrici, le regine non accoppiate e i lavoratori, hanno accertato la strategia riproduttiva di ogni specie. L’aploidia maschile forniva un enorme vantaggio, dal momento che il genotipo del padre morto da tempo della colonia può essere dedotto da quelli degli operai e della regina. Hanno quindi studiato se una specie consistesse di più cluster genetici e, in caso affermativo, se i cluster si intersecassero selettivamente (Kuhn et al., 2020).
I ricercatori hanno trovato numerosi casi sia di sesso condizionale che di ibridogenesi sociale clonale. È interessante notare che c’era esattamente un caso di accoppiamento intra-lineage in una “specie” che normalmente subisce ibridogenesi (Cataglyphiscretica) (Figura 1). Questa colonia era anormalmente piccola, potenzialmente riflettendo il vantaggio intuitivo dell’accoppiamento inter-lineage (anche se un singolo caso è lontano dall’evidenza definitiva) (Kuhn et al., 2019).
Nella filogenesi proposta (Figura 2), ogni modalità riproduttiva è sorta più volte e l’uso condizionale del sesso sembra essere un prerequisito per l’ibridogenesi sociale clonale (Kuhn et al., 2020).
Questo studio ha gettato ulteriore luce sul tema più ampio delle pressioni di selezione relative ai modi di riproduzione. Alcune domande rimangono senza risposta, però. I ricercatori notano che ogni coppia di lignaggi ibridogenetici sembra essersi divergente di recente, nonostante l’evoluzione molto meno recente del sesso condizionale (Kuhn et al., 2020).
Ciò potrebbe indicare che tali sistemi sorgono comunemente, ma sono insostenibili, poiché l’aumento dell’omozigosi distrugge la vitalità della regina. In alternativa, questi lignaggi potrebbero non essere totalmente isolati, con un basso livello di flusso genico (Kuhn et al., 2020). In entrambi i casi, ulteriori ricerche su questi sistemi farebbero molto per far progredire la comprensione dell’evoluzione riproduttiva.
Burke, JM, & Arnold, ML (2001). Genetica e idoneità degli ibridi. Revisione annuale della genetica, 35, 31-52.
Heinze, J.,& Tsuji, K. (1995). Strategie riproduttive formica. Ricerche sull’ecologia della popolazione, Vol. 37, pp. 135-149.
Keller, L. (1998). Durata della vita della regina e caratteristiche della colonia in formiche e termiti. Insectes Sociaux, 45(3), 235-246.
Keller, Laurent,& Passera, L. (1989). Dimensioni e contenuto di grassi di gines in relazione alla modalità di fondazione delle colonie nelle formiche (Imenotteri; Formicidae). Oecologia, 80(2), 236-240.
Kuhn, A., Darras, H., Paknia, O., & Aron, S. (2020). Evoluzione ripetuta della partenogenesi della regina e ibridogenesi sociale nelle formiche del deserto di Cataglyphis. Ecologia molecolare, 29: 549-564.
Pearcy, M., Aron, S., Doums, C.,& Keller, L. (2004). Uso condizionale del sesso e della partenogenesi per la produzione operaia e regina nelle formiche. Scienza,306(5702), 1780-1783.
Umphrey, GJ (2006). Parassitismo spermatico nelle formiche: Selezione per accoppiamento interspecifico e ibridazione. Ecologia, 87 (9), 2148-2159.
Wheeler, D. E. (2016). La base dello sviluppo del polimorfismo della casta operaia nelle formiche. Il naturalista americano, 138(5), 1218-1238.
Wheeler, D. E.,& Krutzsch, P. H. (1994). Ultrastruttura della spermateca e la sua ghiandola associata nelle opuntiae Crematogaster formica (Hymenoptera, Formicidae). Zoomorfologia, 114(4), 203-212.
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Wilson, E. O. (1957). L’organizzazione di un volo nuziale della formica Pheidole Sttarches Wheeler. Psyche (New York), 64(2), 46-50.
Wilson, Edward O. (1985). La sociogenesi delle colonie di insetti. Scienza, 228(4707), 1489-1495.