Die Königinnen vermehren sich ohne die Hilfe des Königs • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten über die "Elemente" • Genetik, Biologie

Die Königinnen vermehren sich ohne die Hilfe des Königs

Die Anfangsphase der Schaffung einer neuen Kolonie von Termiten Reticulitermes speratus: "primary king" (PK) und "primary queen" (PQ) züchten ihre ersten Nachkommen. Foto von zusätzlichen Materialien zu dem in Diskussion stehenden ArtikelWissenschaft

In der Termitenkolonie Reticulitermes speratus Ein "König" (männlicher Gründer) lebt normalerweise umgeben von einer Vielzahl von "Königinnen", obwohl jede Kolonie von einem Mann und einer Frau gegründet wird. Wie sich herausstellte, sind zusätzliche Frauen die Töchter der Hauptkönigin, die sie parthenogenetisch, dh ohne Hilfe eines Mannes, zur Welt bringt. Wenn sekundäre Königinnen in der üblichen sexuellen Weise geboren würden, würden sie 1/2 der Gene des Königs und 1/2 der Gene der primären Königin tragen, und ihre Nachkommen würden 3/4 der Gene des Königs und nur 1/4 der Gene der primären Königin tragen. Aufgrund der Parthenogenese sind alle Gene in den sekundären Königinnen mütterlich, und ihre Nachkommen tragen die Gene des Königs und der primären Königin in gleichem Verhältnis. So erhöht die Hauptkönigin, die ihre "Stellvertreter" ohne die Hilfe des Königs produziert, dramatisch ihr reproduktives Potential, ohne den genetischen Beitrag für die Nachkommen zu reduzieren.

Die Fähigkeit zur parthenogenetischen Reproduktion, dh zur Entwicklung von Nachkommen aus unbefruchteten Eiern, ist in sozialen Insekten von Hymenopteren und Termiten weit verbreitet.Hymenoptera von befruchteten Eiern entwickeln in der Regel Weibchen und unbefruchtete Männchen. Bei Termiten entwickeln sich die Nachkommen beider Geschlechter aus befruchteten Eiern und aus den unbefruchteten, nur weiblichen. Daher ist die Hymenopteren-Parthenogenese für die Fortführung der Gattung absolut notwendig (sonst gibt es keine Männchen, also keine befruchteten Eier und damit auch keine Weibchen). Bei Termiten, wie bisher angenommen, spielt Parthenogenese nur eine unterstützende Rolle (das Termitenreproduktionssystem wird in der Anmerkung beschrieben, dass die Mitgliedschaft bei Termiten genetisch vorbestimmt ist, Elementy, 14.11.2007).

Allerdings die Entdeckung von japanischen und amerikanischen Entomologen, die sie in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift berichteten Wissenschaft, zeigten, dass zumindest in einigen Termiten die Parthenogenese ein essentieller Bestandteil des Lebenszyklus ist und die Weibchen sie "weise" nutzen, um sowohl für die Kolonie als auch für sich selbst maximalen Nutzen zu erzielen.

Wissenschaftler haben 30 Nester von Termiten geöffnet Reticulitermes speratus in der Nähe von Kyoto und führte in ihnen "Volkszählung". Es stellte sich heraus, dass in jedem Nest nur ein "aktiver" Rüde und viele (im Durchschnitt 55) brütende Weibchen leben.Nur in einer der 30 Kolonien lebte noch die "Urkönigin", die mit ihrem Gatten das Nest gründete, aber auch hier wurden 128 "Zweitköniginnen" hinzugefügt. In den restlichen 29 Nestern wurde die Primärkönigin nicht gefunden.

In einer reifen Termitenkolonie Reticulitermes speratus Der "Urkönig" (PK) ist noch am Leben und gesund, obwohl sein erster Ehegatte ("Hauptkönigin") längst gestorben ist. Vor ihrem Tod gelang es ihr jedoch, Dutzende von Töchtern zu zeugen – "sekundäre Königinnen" (SQ), die heute den königlichen Harem bilden. Foto von zusätzlichen Materialien zu dem in Diskussion stehenden ArtikelWissenschaft

Es ist nicht schwer, die Hauptkönigin von den Zweitköniginnen zu unterscheiden: die erste ist eine erwachsene geflügelte Frau, die Flügel abwirft, und die zweite von sogenannten "Nymphoiden", dh unterentwickelten Individuen mit Flügelknospen auf dem Rücken Notiz).

Was den König betrifft, so stellte er sich in den meisten Nestern als primar heraus (dh als Erwachsener, der die Flügel fallen ließ), und nur in zwei Kolonien war er sekundär, das heißt eine Nymphe. Offenbar bedeutet dies, dass der primäre König viel länger lebt als die primäre Königin. Vor ihrem Tod kann die Königin jedoch eine beträchtliche Anzahl Nymphoid-Töchter hervorbringen, die zu "Zweitköniginnen" werden.Infolgedessen bekommt der König einen Harem, bestehend aus den Töchtern seiner Frau.

Die adaptive Bedeutung des Auftretens von sekundären Königinnen ist offensichtlich. Da die Hauptkönigin eine ephemere Schöpfung ist, muss sich die Kolonie mit neuen Weibchen versorgen, die nach dem Tod der Gründungsmutter Arbeiter und geflügelte Individuen hervorbringen. Die Frage nach den Mechanismen, die die Transformation von unreifen Nymphenweibchen in sekundäre Königinnen regeln, blieb jedoch offen.

Auf der Grundlage dessen, was früher über das Leben von Termiten bekannt war, konnte man erwarten, dass weibliche Nymphen in jedem Termitag je nach den Bedürfnissen der Kolonie eine von zwei Entwicklungsweisen wählen: entweder werden sie zu erwachsenen geflügelten Weibchen und fliegen weg, um eine neue Familie zu gründen, oder, wenn die Familie das Bedürfnis nach Weibchen verspürt, werden sie Nymphoide und beginnen sich zu vermehren, ohne ihre Heimatkolonie zu verlassen. Wenn die Kolonie jedoch einen einzelnen langlebigen König hat, dann werden alle Nymphoide höchstwahrscheinlich seine eigenen Töchter und Ehefrauen zur gleichen Zeit sein. Dies ist nicht die beste Option für eine Kolonie, da eine nahe verwandte Kreuzung zur Geburt von geschwächten Nachkommen führen kann.Außerdem würde Inzucht die genetische Vielfalt der Arbeiter verringern, was auch für Kolonien von sozialen Insekten schädlich ist.

Die Forscher entschieden, zu überprüfen, ob die sekundären Königinnen die Töchter ihres eigenen Ehemannes sind. Zu diesem Zweck führten sie eine genetische Analyse von Termiten für fünf polymorphe Mikrosatelliten-Loci durch, dh für fünf Genomregionen, die durch die Anwesenheit vieler verschiedener Varianten (Allele) in Populationen dieser Art von Termiten gekennzeichnet sind.

Die Analyse umfasste 135 sekundäre Königinnen aus verschiedenen Nestern, sowie die einzige entdeckte primäre Königin, sechs primäre Könige und eine sekundäre, 140 Arbeiter und 40 nicht züchtende Nymphen.

Es stellte sich heraus, dass alle Arbeiter und Nymphen die Gene des Primärkönigs und der Primärkönigin tragen. Dies bedeutet, dass sie alle aus normalen befruchteten Eiern geschlüpft sind. Ausnahmslos erwiesen sich jedoch alle sekundären Königinnen als parthenogenetische "Mamma-Töchter". In ihren Genomen gab es weder Gene des Primärkönigs – der Gründer der Kolonie noch irgendein anderes Männchen.

Es sollte klargestellt werden, dass der parthenogenetische Ursprung einer einzelnen Termite durch den Grad der Homozygotie, dh durch den Anteil der Gene, bestimmt werden kannbeide Kopien im Insektengenom sind gleich (repräsentieren das gleiche Allel). Bei Personen ohne Vater liegt der Grad der Homozygotie nahe bei 100%. Bei normalen Personen, die sowohl Mutter als auch Vater haben, ist es viel niedriger. Dies liegt an den Besonderheiten dieser für Termiten charakteristischen Variante der Parthenogenese. Erstens, ein Doppelzellensatz von Chromosomen, wobei jedes Gen in zwei Kopien vorhanden ist, die oft nicht identisch sind, bildet eine Zelle, die einen einzelnen Satz von Chromosomen und nur eine Kopie jedes Gens enthält (genau wie in einer normalen Eizelle). Dieser einzelne Chromosomensatz wird dann verdoppelt, und eine Eizelle mit zwei identischen Chromosomensätzen und Genen wird erhalten. Aus einem solchen Ei entwickelt sich ein Insekt, das an fast allen Orten homozygot ist (das heißt, es hat zwei identische Kopien jedes Gens). Das Wort "fast" hängt mit der Tatsache zusammen, dass einige Loci, die bei der Mutter heterozygot waren, als Folge der Kreuzung heterozygot in ihrer parthenogenetischen Nachkommenschaft bleiben.

Die Primärkönigin lässt also den Prozess der Bildung von "Zweitköniginnen" nicht zu, sondern verschiebt sich gezielt, indem sie unbefruchtete Eier legt, aus denen die Nymphoidweibchen züchten.Was bedeutet dieses Verhalten?

Offensichtlich ist es sowohl für die Frau als auch für die gesamte Kolonie von Vorteil. Der Vorteil für die Kolonie ist, dass die sekundären Königinnen nicht mit dem König verwandt sind und daher mehr lebensfähige und vielfältige Nachkommen aus Kreuzungen mit ihm hervorbringen. Der Vorteil für die Frau ist, dass sie durch die Produktion von sekundären Königinnen durch Parthenogenese nicht die Reduktion ihres eigenen genetischen Beitrags zu den Nachkommen ermöglicht. Wenn sekundäre Königinnen aus befruchteten Eiern entwickelt würden, würden sie 1/2 der Gene des Königs und 1/2 der Gene der primären Königin tragen. Folglich würden die Enkel der primären Königin, die die Hauptbevölkerung des Hügels bilden, nur ein Viertel seiner Gene tragen, und drei Viertel würden von ihnen vom König genommen. Jedoch sind bei sekundären Königinnen, die parthenogenetisch geboren werden, alle Gene nur mütterlich, und daher enthalten die Genome der Enkelkinder nicht ein Viertel, sondern die Hälfte der Gene der primären Königin.

Jede sekundäre Königin erhält eine zufällig ausgewählte Hälfte der Gene des Gründers. Wenn die sekundäre Königin alleine wäre, würde dies die genetische Vielfalt der Enkelkinder (Arbeiter und geflügelte Individuen) reduzieren, was für die Kolonie schädlich ist.Daher bringt eine große Anzahl von sekundären Königinnen, von denen jede eine andere Gruppe von mütterlichen Allelen trägt, doppelten Nutzen: Erstens erhöht sich die Rate der Eiererzeugung um ein Vielfaches, und zweitens geht die genetische Vielfalt nicht verloren.

Offensichtlich kann die Fähigkeit der Weibchen, das Geschlecht der Nachkommen gezielt zu regulieren, in vielen Situationen nützlich sein und ist daher im Laufe der Evolution in verschiedenen Organismengruppen immer wieder aufgetreten (siehe: Das Geschlecht der Küken hängt von der Meinung der Frau über ihren Ehemann ab, Elements, 23.03.2009) ).

Quelle: Kenji Matsuura, Edward L. Vargo, Kazutaka Kawatsu, Paul E. Labadie, Hiroko Nakano, Toshihisa Yashiro, Kazuki Tsuji. Königin-Nachfolge durch asexuelle Fortpflanzung bei Termiten // Wissenschaft. 2009. V. 323. P. 1687.

Siehe auch:
Die Kastenaffinität der Termiten ist genetisch vorbestimmt, "Elemente", 14.11.2007.

Alexander Markow


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