基因丢失与一夫一妻制如何塑造白蚁的巨型社会

悉尼大学的新研究指出了一个出人意料的解释。白蚁并非通过添加新基因来变得更复杂，而是通过丢弃基因，包括那些与精子竞争相关的基因，进化出了先进的社会行为。这一发现为一长期存在的科学辩论提供了新见解，即一雄一雌制（单配制）是否是复杂昆虫社会进化的关键一步。

这项国际研究于1月29日发表在《科学》杂志上，它将白蚁的起源追溯至普通的蟑螂，包括今天"家养"蟑螂的祖先，它们开始以枯木为食。这种饮食结构的转变引发了一系列基因和行为上的变化，最终导致了白蚁及其结构紧密的群体的出现。

这项研究由一个国际团队完成，成员包括来自中国、丹麦和哥伦比亚的科学家。

"白蚁是从开始生活在木头内部并以木头为食的蟑螂祖先进化而来的，"论文资深作者、悉尼大学生命与环境科学学院的Nathan Lo教授说。"我们的研究展示了它们的DNA首先如何随着它们专门适应这种低质量饮食而发生变化，然后随着它们成为社会性昆虫又如何再次发生变化。"

比较相关昆虫的基因组

为了理解这些变化是如何发生的，研究人员分析并比较了来自蟑螂、木蠊以及几种具有不同社会组织水平的白蚁的高质量基因组。木蠊是白蚁的近亲，生活在小家庭群体中，这使它们成为一个重要的进化链接。

出现的最清晰模式之一是，白蚁和木蠊的基因组比蟑螂的基因组更小、更不复杂。随着白蚁越来越依赖群体内的合作和食物共享，它们丢失了许多涉及新陈代谢、消化和繁殖的基因。

"令人惊讶的结果是，白蚁通过丢失遗传复杂性来增加其社会复杂性，"Lo教授说。"这与一个常见的假设相悖，即更复杂的动物社会需要更复杂的基因组。"

精子揭示的单配制信息

一些最具揭示性的基因丢失涉及负责形成精子尾部（即鞭毛）的基因。与蟑螂和大多数动物不同，白蚁的精子没有尾部，无法游动。

"这种丢失并不导致单配制，"Lo教授说。"相反，它强有力地表明单配制已经进化出来了。"

在包括蟑螂在内的许多动物中，雌性会与多个雄性交配。这导致了激烈的精子竞争，有利于那些能用尾部快速游动的精子。一旦白蚁的祖先实行单配制，这种竞争就消失了。没有了精子竞争，维持支持精子运动的基因就不再具有优势。

"我们的研究结果表明，白蚁的祖先是严格的单配制动物，"Lo教授说。"一旦单配制被固定下来，就不再有任何进化压力来维持参与精子活力的基因了。"

这些发现直接涉及一个更广泛的科学辩论：紧密的遗传相关性是否是复杂社会系统进化的必要条件。虽然一些研究人员认为高相关性并非必需，但新的证据表明，对于白蚁社会而言，单配制和紧密的遗传联系是必不可少的。

食物共享如何塑造白蚁角色

这项研究还解释了白蚁群体如何在其内部组织自身。实验表明，一只年幼白蚁是成为工蚁还是未来的蚁王或蚁后，在很大程度上取决于其早期发育阶段的营养状况。

从年长同伴那里获得充足食物的幼虫会发展出高能量代谢，并成为不繁殖的工蚁。获得食物较少的幼虫起初生长较慢，但保留了以后生命中成为繁殖个体（即蚁王或蚁后）的能力。

"这些食物共享的反馈循环使得群体能够微调其劳动力，"Lo教授说。"它们有助于解释白蚁如何能在长时间内维持稳定、高效的社會。"

单配制甚至在死后仍持续

当白蚁蚁王或蚁后死亡时，单配制通常会继续。在许多情况下，它们的后代之一会接管繁殖角色，这导致群体内广泛的近亲繁殖。

"从进化的角度来看，这甚至进一步强化了相关性，"Lo教授说。他是悉尼大学生命与环境科学学院一个充满活力且不断壮大的昆虫研究小组的成员。

重新思考社会进化

通过将基因组数据与生理学和行为学研究相结合，研究人员提出了迄今为止关于白蚁如何从独居的、类似蟑螂的祖先进化成为地球上社会性最复杂的生物之一的最详细解释之一。

"这项工作表明，理解社会进化不仅仅关乎添加新性状，"Lo教授说。"有时，它关乎进化选择舍弃什么。"

本研究得到了中国国家自然科学基金、广东省科学技术厅和澳大利亚研究委员会的资助。