转基因蚂蚁揭示了昆虫的嗅觉

研究人员已经使转基因蚂蚁的触角在显微镜下发出绿色的光，揭示了昆虫的大脑是如何处理可怕的气味的。

研究结果确定了大脑中对警报信号做出反应的三个独特区域。在这些被称为肾小球的区域，蚂蚁的神经末梢相交。该作品于2022年12月29日发布在bioRxiv预印本服务器上¹还没有经过同行评审。

“蚂蚁就像小型行走的化工厂，”该研究的合著者、纽约市洛克菲勒大学的生物学家丹尼尔·克罗诺尔说。以前的研究主要集中在识别蚂蚁释放的化学物质，或者分析昆虫对这些气味的行为反应，但是“蚂蚁是如何真正闻到信息素的，现在才变得越来越清楚”，Kronauer说。

他补充说:“这是第一次在群居昆虫中，特定的肾小球与特定的行为紧密相关。”

臭信号

蚂蚁是群居动物，它们通过释放一种叫做信息素的有香味的化学物质来相互交流。无性繁殖突袭蚁(Ooceraea biroi)的研究人员是盲目的。“它们基本上生活在一个充满气味的世界里，”克罗诺尔说。“因此，它们的大量社会行为是由这些化合物调节的。”

当蚂蚁察觉到危险时，它会从头部的腺体中释放警报信息素来警告它的巢友。其他蚂蚁对这个信号的反应是捡起它们的幼虫并撤离巢穴。Kronauer说:“蚂蚁的大脑并没有专门用于面部识别或语言处理的区域，而是有一个大规模扩展的嗅觉系统。”

研究人员通过向这些昆虫的卵中注射一种携带绿色荧光蛋白基因的载体，并将一种表达大脑中钙活性分子的基因结合起来，培育出了转基因克隆突击蚂蚁。

Kronauer说，这一过程得益于这种动物独特的生物学特性。“它们是无性繁殖的，没有蜂王，所以我们基本上可以克隆任何来自任何个体的转基因插入物。”

研究小组让13只转基因蚂蚁接触4种警报信息素，同时对这些动物的大脑进行成像，以检查它们是如何处理危险信号的。科学家们惊讶地发现，在整个大脑中，这四种信息素激活的肾小球少于6个。Kronauer说:“这与我们认为我们会看到的非常不同，因为所有这些先前的研究都表明，这些反应非常广泛。”

“我们预计可能有20%的肾小球会有反应，也就是100个肾小球，”该研究的合著者、洛克菲勒大学的生物学家泰勒·哈特说。但“事实证明，实际上大多数时候是三个”。

作者确定了一种特殊的肾小球，他们将其命名为“恐慌肾小球，广泛的”或PG_b-对三种信息素有强烈反应，这些信息素都引发了逃跑行为。他们还发现了两个相邻的肾小球:一个对第四种信息素有反应，导致蚂蚁在没有幼虫的情况下离开巢穴，另一个将三种引起警报的信息素的信号馈送到PG_b．

转基因的工具

科学家一直在培育转基因果蝇(黑腹果蝇)，以及自上世纪90年代以来的各种转基因蚊子。但对蚂蚁等具有复杂社会系统的昆虫进行基因改造，只是在过去十年才开始。作者说，这项工作将提高对蚂蚁复杂生物学的理解。

这些发现有助于“理解嗅觉在分子水平上是如何工作的，它是如何被处理的，以及个体是如何做出反应的，以及这是如何导致社会在自然世界中的反应的”，位于坦佩的亚利桑那州立大学的生物学家于尔根·李比希(Juergen Liebig)说。“人们现在可以使用这些转基因工具，让转基因蚂蚁研究特定基因的功能，”他说，“以及这可能如何影响蚂蚁社会的组织。”

德国耶拿马克斯·普朗克化学生态学研究所的神经生物学家Silke Sachse说，未来的研究可以在其他蚂蚁身上使用类似的转基因工具，以确定对警报信息素做出反应的嗅觉受体。她说:“弄清楚这些受体在不同物种之间是否保守会很有趣。”