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小小蚂蚁也擅长“农业种植”?

作者:中国科学包记者 胡珉琦

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对于生活在中国西南地区的人们来说,即将到来的秋天,意味着一种极其美味的食材就可以上桌了,它就是鸡枞菌。

鸡枞菌是菌类中的名门望族,售价昂贵。除了因它极其鲜美的口感,还因为它生长的奥秘只有白蚁知道——没有白蚁参与种植,就没有鸡枞菌。

除了人类,白蚁是极少数能够参与农业种植的生物。相较而言,人们更不了解的是,原来许多蚂蚁也是搞农业种植的“老手”,它们的经验甚至比人类还要丰富。

来自丹麦哥本哈根大学、中国深圳国家基因库、美国史密森尼学会、中国科学院昆明动物研究所的研究人员试图去找到蚂蚁和它们的种植对象共同适应性的分子基础,最新研究成果发表在《自然通讯》上。

种植真菌的“老手”

农业是人类从事的最古老的一项产业,尽管科学家还难以准确说清人类农业文明的起源问题,但一般认为,农业的出现是从采集开始的。当原始人类的采集活动进行了很长时间,无意地观察到植物生长发育中的各种自然现象,然后开始有意识地采集种子进行播种,逐渐积累了栽培经验。人类还把符合自己需要的个体挑选出来,那些有益的性状就被保留下来。

据了解,人类农业的出现时间是在距今1万多年前,而蚂蚁的种植行为最早可以追溯到第三纪早期(6000万~5500万年前)。文章作者、国家基因库生物多样性基因组学研究组负责人张国捷向《中国科学报》记者介绍道:“和人类一样,它们也是由依靠采集和狩猎为生的祖先进化而来的。有的蚂蚁捕食昆虫,有的蚂蚁采集花蜜,也有的依靠采集真菌,真菌培植蚂蚁就是这支蚂蚁的后代。”

蚂蚁的祖先最早并没有真菌培养能力,进化过程中,有一部分低级真菌培植蚂蚁开始采集环境中存在的真菌进行培育,但那时,它们还没有进行物种选择。到了3000万年前,不同的高级真菌蚂蚁就开始挑选自己适合的真菌物种进行培植了,并将其作为唯一的食物来源。

其中,最新进化而来的、最高级的培育菌类的蚂蚁种类之一就是切叶蚁。张国捷认为,之前的真菌培植蚂蚁只能小规模地种植真菌,切叶蚁则具有了高级驯化能力,“它们采集树叶并利用树叶的残渣对特定真菌进行种植培养,类似工业化的大规模培养真菌。它们培植的真菌甚至可以提供几百万只蚂蚁的口粮”。

真菌培植蚂蚁的出现就是一个自然选择的过程。最初可能只是随机出现了一些食用真菌的蚂蚁,慢慢地,这些蚂蚁可能在生存竞争中更具有优势,在长久的优胜劣汰的自然选择中,优势能力就被保留了下来。

食用、种植真菌为什么对蚂蚁而言是个有利选择?科学家发现,种植真菌可以让蚂蚁获得可食用的蛋白、脂肪和碳水化合物。“此外,真菌能提供蚂蚁所需的一些特殊的营养物质,比如,精氨酸是参与生化过程重要的一种氨基酸,而真菌中富含的氮成分,正是合成精氨酸的必要材料,因此,真菌为蚂蚁提供了不可或缺的精氨酸来源。此外,真菌的胞壁中广泛存在着壳多糖,蚂蚁通过消耗真菌上的壳多糖,降解成葡萄糖,以便获得丰富的能量。”张国捷介绍说。

蚂蚁和真菌如何共生

蚂蚁和真菌的共生关系进化了几千万年,已经形成了一个类似于人类大规模养殖的农业社会系统。

人类在作物驯化过程中通过杂交等手段,使作物基因组发生剧变,从而获得人类所需要的作物性状。同时,人类自身的基因组也随着农业文明的发展逐渐发生了适应性变化。而科学家同样在蚂蚁和真菌的共生关系中看到了这种现象。

在比较了切叶蚁和低级真菌培植蚂蚁,研究人员发现后者的作物仍然只有两套染色体,而切叶蚁的真菌作物则是多倍体。张国捷表示,这和人类种植的农作物,比如小麦、土豆、甘蔗、白菜等十分相似,相对野生品种,驯化物种都出现了多倍化现象。

多倍化可以使作物更大、产量更高,因为染色体的倍数越多,基因的拷贝也越多,就能产生更多的基因产物,提高作物的可塑性。“不过,人类的农作物被驯化后往往在野外很难生存,类似的,高级真菌培植蚂蚁驯化后的真菌也失去了野外自由繁殖的能力,必须得依靠蚂蚁才能繁殖。因此,这也加快了人类和切叶蚁的作物驯化过程。”张国捷解释说。

反过来,随着驯化能力的提高,蚂蚁社会出现了更加复杂的分工。

在大多数蚂蚁物种里,社会的主要分工为工蚁和繁殖蚁,而在切叶蚁里,工蚁又进一步分化出体型庞大的从事树叶采集、蚁巢防御的大工蚁和体形较小负责种植真菌和抚养后代的小工蚁。这与人类农业文明高度发达之后开始出现城市化和社会分工现象类似。

除此之外,张国捷还提到,在真菌进化过程中,它们还不断加强壳多糖的合成能力,以产生更丰富的这种物质。同时,蚂蚁则演化出更强的壳多糖降解能力,从而提供更多自己所需的能量。

在这项研究中,研究人员从三类不同等级的真菌培植蚂蚁中挑选出了7种,越高等级的蚂蚁社会与农业的相互促进和影响也更深入。

向蚂蚁学种植

农业文明并不是人类特有的,但它也的确很稀有。尽管人类的农业文明从存在时间上要远远落后于蚂蚁,但是作物驯化和农业文明的出现,对人类社会的演化产生了极其深远的影响。

如今,人类的农业文明正面临很多挑战,比如如何抵抗病虫害,如何提高作物产量,尤其是如何不在农业发展过程中对生态系统产生破坏。

“研究人与农业文明之间的关系并不是一件容易的事,而这类真菌种植蚂蚁可以给研究这种双向适应演化过程提供一种绝佳的模式生物。”张国捷说。

在2008年,美国史密森国家自然历史博物馆的科研人员就发现,蚂蚁不仅懂得用自己的排泄物施肥,还懂得“除草”,而且这些蚂蚁的嘴巴和前肢上隐藏着许多细小的腺窝,里面拥有一种能产生抗生素的细菌,可以对抗害虫,抑制有害的野生菌类生长。更有意思的是,这些蚂蚁抗生素还不产生抗药性。

蚂蚁的农业系统模式存在了那么长时间,它们与生态系统之间依然能保持良好的依存关系,很值得人类思考。它们如何创造一流的卫生环境,如何有效进行害虫管理,怎样合成杀菌剂和抗生素以防止疾病的发生,与此同时不对生态系统造成负面影响……张国捷希望,未来的研究也能从中找到一些规律和可借鉴的办法。

文章来源:中国科学报

原文链接:http://paper.sciencenet.cn/htmlnews/2016/9/355860.shtm

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