Sam Gregory schreef dit artikel als een project voor Dr.Stacy Krueger-Hadfield ‘ s Scientific Communication course aan de University Of Alabama at Birmingham. Sam behaalde een BS in biologie en BFA in studio art van Birmingham-Southern College, en is momenteel het nastreven van een MS in de biologie aan UAB. Hij is gefascineerd door Alabama ‘ s diverse ecosystemen, in het bijzonder de momenteel bedreigde geleedpotige gemeenschappen die een fundamentele rol spelen in deze systemen. in een recent artikel evalueerden onderzoekers voortplantingssystemen binnen Cataglyphis, een geslacht van woestijnmieren (Kuhn et al., 2020). Binnen het geslacht werden twee ongewone systemen waargenomen. Om Cataglyphis reproductie te begrijpen, moet men echter eerst conventionele mierenreproductie begrijpen.
De overgrote meerderheid van de mieren in een kolonie zijn werksters. Ze zijn vrouwelijk, maar onvruchtbaar. Arbeiders groeien uit de eieren van de koningin van de kolonie (Wheeler, 2016). Een paar eieren ontwikkelen zich tot gevleugelde alaten – ofwel koninginnen, die vruchtbare vrouwtjes zijn, of mannetjes, die haploïde zijn en uit onbevruchte eieren komen (White, 1984). Elk jaar vliegen alates vanuit de kolonie en massein op zoek naar partners (Wilson, 1957). Mannetjes sterven kort na de paring en koninginnen behouden het sperma in een gespecialiseerd orgaan (Wheeler & Krutzch, 1994), waardoor ze de rest van hun leven eitjes kunnen bevruchten, mogelijk tientallen jaren in sommige soorten (Keller, 1998). Elke koningin vindt dan een veilige plek om zich te verbergen terwijl haar arbeiders volwassen worden. In veel soorten voedt de koningin haar eerste nakomelingen op zonder te eten (Keller & Passera, 1989).
Dit is veel meer dan een reeks leuke feiten.
dit paradigma stelt niet-reproductieve individuen in staat risico ‘ s te dragen terwijl koninginnen veilig blijven. Deze strategie is een belangrijke factor achter het evolutionaire succes van de Formicidae, de familie van mieren, die een opmerkelijk deel uitmaken van de biomassa van landdieren op aarde (Wilson, 1985). Dit maakt mieren een interessante clade voor het onderzoeken van de evolutie van voortplantingssystemen. Ongebruikelijke reproductie creëert unieke selectiedruk, waardoor subclades nog vreemdere reproductieve modi aannemen (Heinze & Tsuji, 1995).
Kuhn et al. (2020) waren geïnteresseerd in twee ongewone voortplantingssystemen gezien in het geslacht Cataglyphis. In sommige soorten produceren koninginnen seksueel werkers, maar produceren nieuwe koninginnen door hun eigen eitjes te bevruchten. Dit wordt conditioneel gebruik van seks genoemd. Hun kolonies worden robuust gemaakt door variatie onder arbeiders, terwijl reproductieve Nakomelingen alleen het DNA van de koningin ontvangen (Pearcy et al., 2004).
een Andere groep binnen Cataglyphis reproduceert door middel genoemd klonale sociale hybridogenesis. Deze mieren gebruiken ook seks voorwaardelijk, maar een “soort” (hoewel we al ver voorbij het punt zijn waar soortconcepten afbreken) bestaat uit twee genetische afstammelingen. De koninginnen paren selectief met mannetjes van het tegenovergestelde geslacht om arbeiders te produceren. Deze werknemers zijn divers en robuust, zonder het nadeel van vruchtbaarheid dat vaak gepaard gaat met hybridisatie, omdat werknemers toch steriel zijn (Burke & Arnold, 2001; Umphrey, 2006).
om de evolutionaire geschiedenis van deze reproductieve modi te evalueren, groeven de onderzoekers Cataglyphis kolonies in Europa en het Midden-Oosten op. Door het genotyperen van reproducerende koninginnen, ongemateerde koninginnen en arbeiders, stelden ze de voortplantingsstrategie van elke soort vast. Mannelijke haploïdie bood een enorm voordeel, omdat het genotype van de Lang overleden vader van de kolonie kan worden afgeleid uit die van de arbeiders en koningin. Vervolgens werd onderzocht of een soort bestond uit meerdere genetische clusters, en zo ja, of de clusters selectief interbred (Kuhn et al., 2020).
de onderzoekers vonden talrijke gevallen van zowel voorwaardelijke seks als clonale sociale hybridogenese. Interessant is dat er precies één geval van intra-lineage paring was bij een “soort” die normaal hybridogenese ondergaat (Cataglyphiscretica) (figuur 1). Deze kolonie was abnormaal klein, mogelijk als gevolg van het intuïtieve voordeel van Inter-lineage paring (hoewel een enkel geval is verre van definitief bewijs) (Kuhn et al., 2019).
In de voorgestelde fylogenie (Figuur 2) is elke reproductieve modus meerdere malen ontstaan, en voorwaardelijk gebruik van geslacht lijkt een vereiste te zijn voor clonale sociale hybridogenese (Kuhn et al., 2020).
Deze studie heeft meer licht geworpen op het bredere onderwerp van selectiedruk met betrekking tot reproductiemodi. Sommige vragen blijven echter onbeantwoord. De onderzoekers merken op dat elk paar van hybridogenetische geslachten recent lijkt te zijn uiteengelopen, ondanks de veel minder recente evolutie van voorwaardelijke seks (Kuhn et al., 2020).
Dit kan erop wijzen dat dergelijke systemen vaak voorkomen, maar onhoudbaar zijn, omdat toenemende homozygositeit de levensvatbaarheid van koningin vernietigt. Als alternatief kunnen deze afstammelingen niet volledig geïsoleerd zijn, met een laag niveau van genstroom die optreedt (Kuhn et al., 2020). In beide gevallen zou verder onderzoek naar deze systemen veel doen om het begrip van de reproductieve evolutie te bevorderen.
Burke, J. M.,& Arnold, M. L. (2001). Genetica en de fitheid van hybriden. Annual Review of Genetics, 35, 31-52.
Heinze, J., & Tsuji, K. (1995). Mieren voortplantingsstrategieën. Research on Population Ecology, Vol. 37, PP. 135-149.
Keller, L. (1998). Koningin levensduur en kolonie kenmerken in mieren en termieten. Insectes Sociaux, 45 (3), 235-246.
Keller, Laurent, & Passera, L. (1989). Grootte en vetgehalte van gynaes in relatie tot de wijze van kolonievorming bij mieren (Hymenoptera; Formicidae). Oecologia, 80 (2), 236-240.
Kuhn, A., Darras, H., Paknia, O., & Aron, S. (2020). Herhaalde evolutie van Queen parthenogenese en sociale hybridogenese in Cataglyphis woestijnmieren. Molecular Ecology, 29: 549-564.
Pearcy, M., Aron, S., Doums, C., & Keller, L. (2004). Voorwaardelijk gebruik van seks en parthenogenese voor werkneemster en koningin productie bij mieren. Wetenschap, 306 (5702), 1780-1783.
Umphrey, G. J. (2006). Spermaparasitisme bij mieren: selectie voor interspecifieke paring en hybridisatie. Ecology, 87 (9), 2148-2159.
Wheeler, D. E. (2016). De Ontwikkelingsbasis van Arbeiderskastpolymorfisme bij mieren. The American Naturalist, 138 (5), 1218-1238.
Wheeler, D. E., & Krutzsch, P. H. (1994). Ultrastructuur van de spermatheca en de bijbehorende klier in de mier Crematogaster opuntiae (Hymenoptera, Formicidae). Zoömorphology, 114 (4), 203-212.
White, M. J. D. (1984). Chromosomale mechanismen in dierlijke reproductie. Bolletino Di Zoologia, 51 (1-2), 1-23.
Wilson, E. O. (1957). De organisatie van een Huwelijksvlucht van de mier Peidole Sttarches Wheeler. Psyche (New York), 64(2), 46-50.
Wilson, Edward O. (1985). De Sociogenese van Insectenkolonies. Wetenschap, 228 (4707), 1489-1495.