深圳新聞網(wǎng)2025年6月17日訊（記者 范洋航）你可能從未想過，這些身長不足一厘米的小家伙，竟擁有足以令人類佩服的組織能力。它們無處不在，卻無法獨(dú)立生存；它們不靠語言溝通，卻能協(xié)同建造驚人巢穴；它們沒有領(lǐng)袖意識，卻有最嚴(yán)密的分工體系。它們的數(shù)量甚至超過了所有野生鳥類和哺乳動物的總和！它們，就是螞蟻。那么，螞蟻是如何演化成地球上最龐大的社會系統(tǒng)之一？一項(xiàng)歷時數(shù)年的全球合作研究給出了答案。
6月16日，由武漢華大生命科學(xué)研究院參與組織的“全球螞蟻基因組聯(lián)盟”（GAGA）在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）上發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究，揭示了螞蟻適應(yīng)性輻射與社會性演化的遺傳基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊通過整合全球163種不同螞蟻的全基因組數(shù)據(jù)，重構(gòu)了蟻科的生命之樹，涵蓋現(xiàn)生螞蟻16個亞科中的12個 ，343個屬中的97個。這項(xiàng)成果不僅澄清了蟻科物種復(fù)雜的親緣關(guān)系，更是將螞蟻的共同祖先追溯到約1.57億年前的侏羅紀(jì)晚期——恐龍稱霸地球的時代。
螞蟻的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及重要節(jié)點(diǎn)上社會性狀形成（丁果 制）
研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在螞蟻共同祖先的基因組中，與嗅覺感知相關(guān)的基因家族發(fā)生了顯著擴(kuò)增，表明螞蟻的共同祖先已經(jīng)具備社會通信的關(guān)鍵分子機(jī)制。而在社會性復(fù)雜度高的正蟻類（Formicoid）（占現(xiàn)存螞蟻約90%）的共同祖先中，則發(fā)現(xiàn)許多蟻后-工蟻品級分化關(guān)聯(lián)的基因存在正選擇信號，表明與螞蟻社會分工相關(guān)的關(guān)鍵通路在白堊紀(jì)時期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的選擇壓力，這些關(guān)鍵通路在螞蟻品級制度建立中具有關(guān)鍵作用。
螞蟻染色體數(shù)目變動范圍非常大，單倍體染色體數(shù)目從1~60都有。通過對蟻科17個代表性物種的染色體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)螞蟻演化過程中染色體經(jīng)歷了大量的重排事件，尤其在如弓背蟻、大頭蟻等物種豐富的屬中，染色體重排速率顯著上升。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻的染色體重排速率與物種多樣性呈顯著正相關(guān)，且遠(yuǎn)高于哺乳類、爬行類、魚類等脊椎動物類群。
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，其基因組中仍保留了約970個保守共線性區(qū)域塊，形成核心基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這些核心網(wǎng)絡(luò)不僅調(diào)控基礎(chǔ)發(fā)育與代謝，同時也支撐了復(fù)雜社會系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。
研究還發(fā)現(xiàn)，螞蟻社會性狀的演化受到一套高度保守的信號通路調(diào)控，包括保幼激素、MAPK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(fā)揮著核心作用。
然而，不同種類的螞蟻在調(diào)節(jié)“誰當(dāng)蟻后、誰當(dāng)工蟻”的過程中，這些信號通路的作用機(jī)制存在差異，反映出它們在自然選擇下的適應(yīng)性演化。例如，在社會性復(fù)雜度不同的物種中保幼激素與胰島素信號通路發(fā)生了不同的適應(yīng)性改變。同時，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了MAPK信號在螞蟻品級分化中的調(diào)控作用。
螞蟻社會的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)來源于多個表型性狀與生活史特征之間的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，決定螞蟻社會性的兩個關(guān)鍵因素是巢穴的群體規(guī)模，以及蟻后與工蟻之間的分化程度。這兩者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(chǔ)。不同社會性狀之間存在共享的遺傳基礎(chǔ)，往往作用于一組重疊的核心基因，并呈現(xiàn)出趨同的自然選擇信號。這些性狀之間的相關(guān)性，與基因組中自然選擇的強(qiáng)化或減弱信號高度重疊，部分選擇效應(yīng)可能受到保守信號通路的調(diào)控。這些社會性狀之間相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)而重塑了核心基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，而這些核心基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)則共同驅(qū)動了螞蟻社會性狀的演化進(jìn)程。
螞蟻不同品級的演化（丁果 制）
文章共同第一作者、中國科學(xué)院大學(xué)與華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合培養(yǎng)博士熊子軍介紹說：“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(fā)揮著重要作用，螞蟻中許多社會性狀之間存在顯著的相關(guān)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(diào)控網(wǎng)絡(luò)和保守信號通路等多維度深入揭示了驅(qū)動螞蟻社會性演化的分子遺傳基礎(chǔ)?！?/p>
役奴蟻方結(jié)俄蟻工蟻（大）和奴隸蟻原蟻小工蟻（?。ㄈ胶?攝）
文章共同通訊作者、中科院昆明動物研究所劉薇薇副研究員補(bǔ)充道：“研究加深了我們對社會性演化的理解，不僅構(gòu)建了全面的性狀/生活史數(shù)據(jù)集，而且建立了候選基因與螞蟻社會性相關(guān)性狀的功能聯(lián)系，這為解析動物復(fù)雜性狀的遺傳機(jī)制提供了重要啟示?！?/p>
華大生命科學(xué)研究院基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李啟業(yè)研究員表示：“這是全球螞蟻基因組聯(lián)盟（GAGA）的首項(xiàng)重要研究成果。螞蟻還有很多有趣的問題有待探究，包括蟻后為何能如此長壽、相同的基因組如何產(chǎn)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是什么等。我們將進(jìn)一步利用多組學(xué)技術(shù)深入探索螞蟻社會的奧秘，期待在此領(lǐng)域迎來更多突破性發(fā)現(xiàn)。”
“從宏觀演化層面，我們的研究闡釋了基因組演化和螞蟻物種輻射性演化的相關(guān)性。通過對不同社會組織結(jié)構(gòu)的螞蟻物種的比較，我們尋找到與螞蟻生殖分工和社會性特征相關(guān)的關(guān)鍵調(diào)控基因，揭示了基因網(wǎng)絡(luò)-社會性特征網(wǎng)絡(luò)協(xié)同演化的規(guī)律?！表?xiàng)目的主要發(fā)起人、文章通訊作者、浙江大學(xué)生命演化研究中心張國捷教授總結(jié)說，“在基因網(wǎng)絡(luò)模塊重塑的過程中，不同表型性狀相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同演化，最終促進(jìn)了螞蟻物種和社會性狀的多樣化?！?/p>
浙江大學(xué)生命演化研究中心張國捷教授、中科院昆明動物研究所劉薇薇副研究員、哥本哈根大學(xué)Jacobus J. Boomsma 教授、德國明斯特大學(xué)Lukas Schrader助理教授共同擔(dān)任通訊作者。哥本哈根大學(xué)Joel Vizueta博士、中國科學(xué)院大學(xué)與華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合培養(yǎng)博士熊子軍（現(xiàn)任南昌大學(xué)青年教師）、浙江大學(xué)博士后丁果為論文共同第一作者。華大生命科學(xué)研究院基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李啟業(yè)研究員、華大生命科學(xué)研究院助理研究員戴瑋、蔣煒等為本研究提供了重要的支持。