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赋能科研 | 单细胞技术新成果!华大智造DNBelab C4助力构建蚂蚁大脑图谱

时间:2022-06-17作者:华大智造阅读数:239分享
近日,深圳华大生命科学研究院联合中国科学院昆明动物研究所、丹麦哥本哈根大学等单位首次用单细胞测序技术,构建了蚂蚁四种不同品级的大脑细胞图谱,揭示了蚂蚁伴随着社会分工而出现的脑部特异化现象和不同社会品级行为模式差异的神经基础,展现了蚁后成熟过程中大脑的可塑性变化,并找到了调节其生殖力和寿命的关键细胞类群。相关研究成果于2022年6月16日在权威学术期刊《自然·生态与演化》上发表。

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《自然·生态与演化》官网截图


研究团队选用了社会性昆虫研究的模式物种——法老蚁作为研究对象,基于华大智造DNBelab C4单细胞建库测序平台,分析了900多个来自4种不同品级的法老蚁的大脑,构建了覆盖法老蚁社会中全部成体形态的大脑细胞图谱,并将其划分出43种不同的细胞类群。


蚂蚁是亿万年生存斗争中的佼佼者。其在地球上存活了1.4亿年,曾与恐龙共存,比人类的历史久远得多。科学家曾统计,如果把全世界所有蚂蚁放在一起称重,总重量与全球所有人类总重量相当。


然而,与人类不同的是,蚂蚁不能单独生存,而必须作为蚁群的一份子。蚂蚁在演化上的成功与其高度社会化紧密相关。一个成熟的蚂蚁帝国中,至少存在4种不同形态的分工类型,分别为:工蚁、雄蚁、处女繁殖蚁和蚁后。


工蚁一般卵巢完全退化,终身从事育幼、觅食等工作,没有繁殖能力。雄蚁活着只有一个目标,离开巢穴找到心仪的蚁后进行交配,交配后很快生命就结束了。处女繁殖蚁成功交配后成为蚁后,蚁后长期待在巢内,专职产卵,获得后位的她寿命还会显著延长;而错过交配窗口期的处女繁殖蚁,其行为会逐渐偏向工蚁,从事部分育幼及觅食工作,而且卵巢也会逐渐萎缩。



本次研究选用的法老蚁是一种橙黄色小型蚂蚁,在世界上广泛分布,也是一种公认的室内害虫。


通过分析4种不同品级的法老蚁的大脑,研究人员发现,工蚁与雄蚁的大脑是极度特异化的。其中负责学习记忆的高级大脑中枢蘑菇体细胞和负责处理气味信息的细胞在工蚁大脑里含量极高,而负责处理视觉信息的视叶细胞在工蚁大脑里的含量则很低。雄蚁大脑的细胞组成趋势则相反,视叶细胞含量很高,而蘑菇体细胞和处理嗅觉信息的细胞含量则非常低。处女繁殖蚁和蚁后的大脑细胞类型则相对“正常”。


“这意味着工蚁是更倾向于嗅觉感知的动物,而雄蚁则更依赖视觉,这可能与其要依靠视力寻找合适的交配对象有关。” 论文的第一作者、深圳华大生命科学研究院李启业研究员介绍说,“蚁群内部伴随着不同的社会分工出现了不同结构和细胞组成的大脑,这些就像是为了完成特定的工作,而专门设计的一个个大脑。”


而在整体层面,不同品级的蚂蚁大脑有不同方向和程度的特异化,彼此之间又功能互补,这使得蚁群成为一个真正意义上的‘超个体’,能够同时行使生殖、育幼、觅食、防御等全面的功能。” 论文的共同通讯作者、中国科学院昆明动物研究所刘薇薇副研究员补充道。


自然界中具有社会行为的动物很多,但能称为“超个体”的动物并不多,蚂蚁便是其中之一。蚂蚁中的工蚁不能繁殖,作为一个生命来说并不完整。蚁后虽然有繁殖能力,却往往生活不能自理,需要工蚁照顾。只有把这一窝蚂蚁凑成一个整体,它作为一个生物的所有生理机能才能齐全。


该研究还有一些有意思的发现。比如,研究团队将处女繁殖蚁与成熟蚁后的大脑进行比较,发现它们大脑细胞的组成发生了明显的变化。其中,视叶细胞的含量在蚁后大脑中明显降低,这与蚁后长期适应黑暗的巢内环境相关。而多巴胺细胞以及一类具有神经保护功能的胶质细胞的含量则在蚁后大脑中显著增加。这些大脑细胞类群的变化以及神经环路的重塑,或许决定了蚁后生殖功能的极度提升以及寿命的显著延长。这也为其他动物长寿的研究提供了可能的方向。


此外,研究团队通过比较法老蚁和果蝇的大脑细胞组成的差异发现,比起果蝇,法老蚁中负责高级认知功能的蘑菇体细胞的含量更高,其功能也发生了明显的多样性分化。另外,尽管法老蚁与果蝇在演化历史上已分开了数亿年,研究发现,它们大脑中仍然有很多种类的细胞保持着同样的分子特征,行使着相似的功能。


本项研究成果基于华大智造DNBelab C4单细胞建库测序平台进行,论文的共同通讯作者、深圳华大生命科学研究院刘传宇研究员表示:“本研究让我们更好地理解蚂蚁脑部特征与其社会性的关系。随着单细胞测序技术的进步,未来,单细胞技术将会被应用到更多的生物学研究中,助力人类对生命的解析。”


论文的共同通讯作者,现任浙江大学求是讲席教授、生命演化研究中心主任张国捷教授指出,这项工作提示了大脑的特异化是蚂蚁不同品级展现出社会分工和行为差异的基础。他总结道,这些彼此之间既有差异但又功能互补的大脑,支撑蚁群成为一个真正意义上的“超个体”。因此,自然选择作用也上升到了一个更高的组织层次,使得蚂蚁在1.4亿年的生存竞争中获得优势,演化成为地球上极度优势的动物类群。