Поређење експресије гена између градитеља и сакупљача хране

Контактирајтеoscar.xiao@wecistanche.comза више информација

Предности повезане са поделом рада (ДОЛ) разматрају се као главне покретачке силе које фаворизују главне транзиције у еволуцији, као што је еволуција еукариотске ћелије или вишећелијских организама1. Еволуција еусоцијалности се често сматра најновијом од ових великих еволуционих транзиција. Друштвени инсекти нуде предност у проучавању 'транзицијских фаза' јер нису сви друштвени инсекти суперорганизми (тј. врсте, у којима радници колоније не могу да се размножавају и стерилни су), што би се квалификовало као да су остварили велику еволуциону транзицију23. Друштвене инсекте такође карактерише ДДЛ, наиме између репродуктивних и неразмножавајућих животиња унутар колоније инсеката. У друштвеној Хименолотери, коју чине мрави и неке пчеле и осе, као и код термита из Блатодеа, само једна или неколико јединки унутар колоније се размножавају (краљице, а код термита такође и краљ), док велика већина јединки колоније , одрећи се репродукције, барем привремено, и обављати радничке или војничке задатке. Унутар радничке касте обично постоји даљи ДОЛ који је повезан са радничким узрастом (тј. старосни полиетизам)*. Млади радници обављају задатке унутар гнезда, као што су брига о леглу и репродукцијама, док старији радници обављају ризичније задатке, као што је тражење хране изван гнезда. Такав ДОЛ заснован на узрасту сматра се адаптивним – јер старије особе генерално имају скраћени животни век, а тиме и нижу репродуктивну вредност (или њен инклузивни еквивалент фитнеса) од младих радника.

Кликните овде да бисте сазнали више

Блиски молекуларни механизми који су у основи поделе задатака су интензивно проучавани у друштвеним Хименоптера" 10. Вителогенини (Вгс) су се појавили као главни регулатори ДОЛ између матица и радника-15, као и између радника који обављају различите задатке 1617.бенефиције циноморијумаОни су протеини за складиштење који су добро познати по својој функцији као прекурсори жуманца током оогенезе код женки инсеката18. На пример, код најбоље проучаваног друштвеног инсекта, медоносне пчеле Апис меллифера, прелазак са задатака неге у затвореном на храњење на отвореном карактерише промена у експресији многих гена19. Физиолошки, прелазак са дојења на храњење повезан је са порастом титра јувенилног хормона хемолимфе (ЈХ)? 20 и изазвано смањењем циркулишућих Вглевелова1521-23. Важно је да се код радника пчела, које не производе јаја у присуству матице, показало да Вг има функцију инхибиције имуноснесценције2.

У поређењу са пчелама, много се мање зна о молекуларним механизмима који су у основи ДОЛ-а, а посебно о подели задатака међу радницима у термитима. Термити (инфраред „Исоптера, који се раније сматрао независним редом“ су друштвени бубашвабе, монофилетска лоза угнежђена унутар Блаттодеа која је развила еусоцијалност независно од друштвених Хименоптера2526. Као и код друштвених Хименоптера, старосни полиетизам је уобичајен код старијих радника као што су обављање ризичнијих задатака или дефенце2728.Утврђено је (и) да Вгс игра важну улогу у ДОЛ-у између репродуктиваца и радника термита;2930, (ии) да су титри ЈХ и експресија Вг позитивно повезани код матица термита**, и (иии) да су матице имају знатно веће титре ЈХ од радника Термити имају три Вг копије које су регулисане ирн матицама3637 и барем у Цриптотермес Сецундус ове три Вг копије су чланови мреже коекспресије гена која карактерише фенотип краљице (видети такође "Дискусија")30.пустињски зумбулОви резултати нас наводе на хипотезу да Вгс и ЈХ не само да леже у основи репродуктивног ДОЛ-а, већ и регулишу поделу задатака међу радницима термита, слично као код друштвених Хименоптера.

Циљ нам је био да тестирамо да ли је подела задатака међу радницима код термита повезана са истим механизмима који су у основи поделе задатака код друштвених Хименоптера. Да бисмо то урадили, изабрали смо врсту термита за коју је подела задатака међу радницима интензивно проучавана и најбоље је описана, Мацротермес беллицосус Смеатхман (Мацротермитинае)283839.М.беллицосус је термит који расте гљивице који гради велике хумке и има сложену колонију структура која се састоји од неколико милиона појединаца подељених у четири стерилне касте: велики и мањи радници, и главни и мањи војници年.метода екстракције флавоноида пдфДОЛ међу овим стерилним кастама је интензивно проучаван, посебно за малолетне раднике283839. Оне су женке и могу се поредити са матицом. Поред тога, оне чине већину појединаца и имају најразноврснији репертоар понашања. О леглу и матици брину млади малолетни радници. Стари малолетни радници обављају градњу и исхрану. Ово последње омогућава да се тестирају узроци поделе задатака код особа сличног узраста, чиме се превазилази збуњујући ефекат старости наспрам задатка, који се може јавити у студијама које се баве поделом задатака на основу узраста (тј. полиетизам према узрасту). радници нуде ретку прилику да тестирају да ли су ризичнији задаци повезани са смањеним улагањем у механизме против старења, без обзира на интринзичну старост. Ово је очекивано од теорије о животној историји, која предвиђа да виши спољашњи морталитет зависан од старости од случајних узрока може изабрати брже унутрашње старење (иесенесценција) повезано са мањим улагањем у механизме против старења4,2. Код М. беллицосус, сви малолетни радници су жене; мужјаци се развијају у главне раднике, који имају потпуно различите задатке унутар колоније и стога се не обрађују у овој студији.

Цистанцхе може против старења

Испитивали смо хипотезу да су код малолетних радника (једноставно ради, у даљем тексту само радници) сточари (у даљем тексту: крмари) у лошијим физиолошким условима од оних који обављају унутрашње грађевинске послове (у даљем тексту грађевинари). Стога смо такође претпоставили да су градитељи сличнији матицама у својим укупним профилима експресије гена него сакупљачи хране. Коначно, тестирали смо да ли грађевинари улажу више у механизме против старења него сточари, при чему се ови други суочавају са вишим ризицима од спољашње смртности који су специфични за узраст.

Да бисмо тестирали ове хипотезе, генерисали смо транскриптоме глава и грудног коша (за рационалан избор ткива, погледајте Методе) од градитеља и сакупљача хране. Након поређења експресије гена између задатака радника, упоредили смо њихове профиле експресије са профилима матица, који су објављени у ранијој студији која је истраживала разлике у експресији гена у вези са узрастом и кастом код М. беллицосус43. Да бисмо даље карактерисали физиолошке услове ција радника, утврдили смо и упоредили присуство ооцита код градитеља и сточара.флавоноидиУроцити су један од три типа ћелија у масном телу термита; то су ћелије за складиштење азотних отпадних производа45. Акумулација уроцита може бити показатељ „лошег стања код термита, иако се чини да је њихова улога сложена (за више детаља погледајте Дискусија)т4-46. Наша студија је допуњена ендокриним мерењима како би се упоредило да ли се сакупљачи хране и градитељи разликују у титрима хемолимфе ЈХ.

Резултати

Comparison of gene expression between builders and foragers. Using a total of 14 head/thorax transcriptomes (builders: N=7; foragers: N=7), we folund 939 differentially expressed genes (DEGs) between builders and foragers (for a full list of genes, see Supplementary Material).In builders,593 genes were signifi-cantly overexpressed (Supplementary Table S1). Amongthe 'builder genes, all three genes encoding termite Vgs were especially highly expressed (log2FC>2) (Допунска табела С2). Такође је побољшано у градитељима пет антиоксидативних гена: два гена који кодирају каталазе (Цат) и три гена који кодирају супероксид дисмутазе (СОД) (2×ЦуЦн,1×МнФе типови). Врхунски обогаћени (ГО термини за градитеље били су енергетски метаболизам, специфично Метаболизам АТП-а и гликолитички процес, као и транслација, рибозомски гени и гени који се односе на транспорт протеина (додатна табела С3, додатне слике. С1-С3).

Три стотине четрдесет и шест гена је било значајно прекомерно изражено код сакупљача хране (додатна табела С4), али нису били очигледни никакви упечатљиви обрасци. Храниче су карактерисали следећи ГО термини: активност протеин киназе, везивање хепарина, регулација транскрипције, метаболизам РНК, фосфорилација протеина и активност ДНК полимеразе (додатна табела С3, додатне слике. С4-С6). Поређење експресије гена у вези са задатком радника са 'генима краљице'. Да бисмо тестирали да ли су гени појачано регулисани код градитеља сличнији генима који су високо експримирани код матица, упоредили смо тренутне разлике у експресији радника на специфичним задацима са скупом гена који су посебно регулисани код матица М. беллицосус у поређењу са краљевима и радницама (краљица ДЕГ даље у тексту )43.Укупно 713 ДЕГ је матица посебно изражена43. Од 593 гена који су били појачано регулисани код градитеља у поређењу са сакупљачима хране, 108 (18,2 процента )ДЕГ-а су били матични ДЕГ. Насупрот томе, од 346 гена за сточаре, само 18 (5,2 процента )ДЕГ се преклапа са ДЕГ матица. Дакле, градитељи су делили знатно више гена са матицама него сточари （к²=24.15,дф=1,п=8.94×10-7）. Међу генима који су делили градитељи и матице била су три вг гена (слика 1).

Присуство ооцита и титара ЈХ код градитеља и сточара. Иако су величине узорка мале, скрининг градитеља и сакупљача хране на присуство уроцита имплицира ефекат задатка. Сва три сакупљача хране имала су видљиве уроците, док их је (само) 6 од 14 градитеља имало (анализа непредвиђених околности∶ к²=3.24, П=0.072; Допунски

Дискусија

Вителогенин је заједничко у основи поделе рада међу друштвеним инсектима. Слично 24,4647, антл7), открили смо смањење експресије Вг друштвених Хименоптера (нпр. гена медоносних буба код радника термита који траже храну у поређењу са градитељима. Ова заједничкост коопције Вг да регулише поделу задатака међу радницима по линијама, што су раздвојени са више од 133 милиона година*@, је упадљиво. Проучавали смо главу и ткива грудног коша. Стога би могло изгледати изненађујуће открити Вг сигнал, који је повезан са репродукцијом. Ипак, код термита Ц. Сецундус, најмање један ових Вг гена, Неофем3, је на сличан начин експримиран у свим деловима тела (глава, грудни кош, стомак) 2. Штавише, недавни резултати показују да су ткива главе и грудног коша веома погодна за проучавање особина историје живота304, укључујући експресију сва три Вг гена за које смо открили да је појачано регулисано код градитеља у поређењу са сакупљачима хране.Масно тело, главно ткиво за које се зна да синтетише вителогенин, такође се јавља у грудном кошу.

Молекуларни механизми који су у основи поделе задатака одражавају механизме који леже у основи репродуктивне поделе рада. Подједнако је упадљива чињеница да вителогенини такође карактеришу репродуктивни ДОЛ између матица и радника у друштвеним Хименоптера и термитима, при чему се матице карактеришу високим хранљивим условима3050. Хипотеза основног плана јајника 51, и њена преформулација као хипотеза о репродуктивном основном плану21,2452, наводе да су молекуларни генетски модули који регулишу репродукцију код усамљених инсеката кооптирани током друштвене еволуције како би били у основи репродуктивног ДОЛ-а. Радници (физиолошки) одражавају фазу храњења и бриге о леглу женки нееусоцијалних инсеката, док су краљице друштвених инсеката физиолошки еквивалентне усамљеним инсектима који се размножавају. Сходно томе, репродуктивни ДОЛ се може постићи раздвајањем и хетерохроним померањем у експресији одговарајућих генетских модула који потичу од усамљених предака. Постоји подршка за ову хипотезу код друштвених Хименоптера (нпр. 53-55), али је мање познато о термитима. Недавна студија о мање друштвено сложеном термиту Ц. Сецундус открила је мрежу ко-експресираних гена, централни модул матице (КЦМ), који карактерише матице30.хесперидин користиВажно је да КЦМ садржи гене са свих главних путева за које се зна да регулишу особине животне историје, укључујући гене повезане са ЈХ сигнализацијом, пут фактора раста сличан инсулину/инсулину (ИИС) и плодност. КЦМ је такође садржао ортологе сва три Вг-а који карактеришу М. беллицосус куеенс43 и за које смо открили да су регулисани код градитеља у поређењу са сакупљачима хране. Ово подржава наш закључак да подела задатака одражава механизме који су у основи репродуктивног ДОЛ-а. Ово даје прве наговештаје да хипотеза о репродуктивном плану изгледа валидна и за термите.

Храњење је у складу са погоршањем физиолошких услова. Као иу другим студијама о друштвеним и усамљеним инсектима?6, чини се да је тражење хране код радника М. беллицосус повезано са ниском експресијом Вг и лошим физиолошким условима (на шта указује присуство ооцита), иако је величина узорка мала за ове последње. , што захтева даље студије. Насупрот томе, градитељи су били окарактерисани терминима ГО који указују на синтезу протеина и метаболизам високе енергије, укључујући гликолитичке процесе.

Улога астроцита у термитима изгледа сложена и ноћ се разликује међу врстама*5. Код термита Ретицулитермес сператус, астроцити су описани као резервоар азота у облику мокраћне киселине, који би требало да допринесе преживљавању термита тако што функционишу као антиоксиданси. Код врста Мацротермес, укључујући М беллицосус, појава беличастих уроцита (као урата или мокраћне киселине) повезана је са стресом или старошћу8840 Како су испитани радници били сличне старости, мало је вероватно да ће старост објаснити разлику у присуству уроцита. Даља подршка повезаности са стресом, барем код неких врста, долази од Ц. сецундус. Сопствене студије које су пратиле термитске појединце током дужег периода, показале су да појединци свих каста могу да стекну ооците током стресних услова, као што су зараза грињама или лош квалитет хране. Потребно је више студија да би се разумела улога уроцита у термитима.

За разлику од друштвених Хименоптера, међутим, нисмо открили разлике у титрима ЈХ између сакупљача хране и градитеља код М. беллицосус, али је величина узорка мала, посебно за сакупљаче хране (слика 2). Радници који се баве исхраном М. беллицосус су сличних година као и градитељи. . Међутим, у студијама о друштвеним Хименоптера радници који траже храну често се упоређују са неговатељима, који се природно разликују по годинама, ако нису контролисани у експерименталној постави. Познато је да су високи титри ЈХ усклађени са старењем у самих57 и сциалних инсеката23.58.59. Стога се чини да лоши физиолошки услови доводе до преласка задатака на исхрану, а не на нивое ЈХ. Ово се првенствено показало код неких друштвених Хименоптера (нпр.21,

Ово може довести до хипотезе како се подела задатака може стабилно одржавати кроз јачање механизама повратних информација изазваних друштвеним интеракцијама. Ако низак статус ухрањености подстакне појединце да траже храну и ако су сакупљачи који се враћају трајно 'исцрпљени' проценама, може доћи до стабилне поделе резервоара.

Сличне идеје су изнесене

Сточари мање улажу у механизме против старења. Наши ДЕГ подаци подржавају хипотезу да је повећана екстринзична смртност зависна од старости усклађена са учвршћеним унутрашњим старењем42. Висок спољни морталитет зависан од старости може изабрати скраћени животни век и смањење улагања у механизме за спречавање старења. Сточари су имали мању експресију антиоксидативних гена од градитеља. Ови гени ублажавају оштећења од оксидативног стреса узрокована повишеним нивоима РОС (реактивне врсте кисеоника)6 Да резимирамо, наши резултати подржавају хипотезу да су термити кооптирали сличне гене као друштвене Хименоптера у основи поделе задатака код радника. Штавише, ови гени карактеришу репродуктивни ДОЛ код друштвених инсеката на општи начин. Поред тога, чини се да су радници који се хране М.беллицосус у лошијем физиолошком стању од градитеља сличне старости, на шта указује, на пример, нижа експресија гена вителогенина, присуство уроцита и нижа експресија каталаза и СОД који може држати нивое РОС под контролом. Ово подржава хипотезу да индивидуално физиолошко стање, а не интринзична старост, покреће прелазак на тражење хране. Коначно, у складу са предвиђањима из теорије о животној историји да висока спољашња смртност зависна од старости може да изабере брже унутрашње старење (старење), чини се да сакупљачи мање улажу у механизме против старења него градитељи, који су мање изложени спољним ризицима морталитета.

Методе

Експеримент са транскриптомом. Узорковање и генерисање података о транскриптому. Узорци М. беллицосус су сакупљени у Националном парку Комо (координате 8946'Н 3 степен 47'В, Обала Слоноваче). За анализу транскриптома користили смо 14 малолетних радника сличне старости, процењених према истрошености доње вилице, као описано под Генерисање скупа података о ЈХ и уроцитима'*. Сваки појединац потиче из различите колоније да би обезбедио независне узорке. Појединци су прикупљени током обављања задатака изградње (н=7) или тражења хране (н=7). Транскриптоми су генерисани из глава термита плус грудног коша. Недавне студије показују да су узорци главе и грудног коша најпогоднији за проучавање транскриптома код термита јер су главни путеви који су у основи регулације особина историје живота, укључујући плодност матица, изражене у овим ткивима *

Узорци су припремљени и генерисани тачно као у нашој претходној студији из које смо користили податке о експресији матице (укључујући припрему узорка и анализе од стране исте особе)43. Затим су послати у БГИ, Хонг Конг на сувом леду. Припрема библиотеке је обављена помоћу БГИ користећи ТруСек РНА комплет према БГИ протоколу за припрему узорака. Детаљи за сваки узорак могу се наћи под ИД Биопројекта ПРЈНА727164. Појачане библиотеке су секвенциониране на Иллумина ХиСек 4000 платформи са стратегијама читања упареног краја (ПЕ) од 100 бп, генеришући најмање 4 Гигабазе необрађених података за сваки узорак. Након секвенцирања, индексне секвенце из машинског читања су демултиплексиране (сортиране и уклоњене) власничким БГИ-инхоусе алатом.

Претходна обрада сирових читања РНАСек. Читања сирових секвенци из свих узорака које је обезбедио БГИ коришћена су за све даље кораке. Након контроле квалитета помоћу ФастКЦ в. {{0}}.11.967, необрађена читања секвенце су проверена на минималну дужину од 70 бп и адаптери (укључујући два БГИ инхоуусе адаптера) су исечени коришћењем Триммоматиц в.0.3968. Исецање и други наредни кораци су олакшани ГНУ паралелним в.2014102269.

Експресија гена и мапирање у односу на геном Мацротермес наталенсис. Користили смо геном Мац-протеомес наталенсис (Хавиланд 1898) верзија 1.0 као ннаппинг кичму у нашој студији која добро служи за ову сврху43. Исечени и очишћени необрађени очити су дремани уз геном М. наталенсис помоћу програма Хисат2 в.2.2.0 са подразумеваним поставкама7. Добијени бам фајлови су сортирани по имену гена помоћу САМтоолс (в.1.5)².ХТСек в .0.9.12 је затим коришћен за бројање мапираних необрађених читања по гену （напредни=не, тип=ген,моде=унион, ордер= назив) за сваки узорак. Састављена је табела отвореног текста која сумира све узорке (додатна табела С6).

Анализа експресије гена. ДЕСек2в.1.18.1 је коришћен у Р в.3.4.4 за анализу диференцијалне експресије гена између градитеља и сакупљача хране7475. Да бисмо тестирали разлике експресије у пару, користили смо генерализовани линеарни модел са негативном биномном дистрибуцијом као што је имплементирано у ДЕСек2. Упоредили смо диференцијалну експресију гена између два задатка, градитеља и сакупљача хране (додатне табеле С1-С2,С4). ФДР-прилагођене п-вредности (падј) су коришћене за корекцију за вишеструко тестирање. Да бисмо анализирали сличности између експресије гена градитеља/храњивача и краљице, упоредили смо преклапање ДЕГ листа: упоредили смо гене који су били појачано регулисани код матица у поређењу са свим другим кастама из претходне студије са генима који су били појачано регулисани код градитеља у поређењу са онима који сакупљају храну из актуелна студија (Сл.1). Слично томе, упоредили смо преклапање између гена матица и оних који су повећани код сакупљача хране у поређењу са творцима (слика 1).

Функционална анотација и ГО анализа. Функционална алнотација аминокиселинских (АА) секвенци гена М.наталенсис који кодирају протеине је урађена у Интерпросцан в.5.41-78.077. Претражене базе података су пфам, пантер, цдд, цоилс, гене3д, хамап, пирсф , принтови, сфлд и суперфамилија. Извукли смо ГО напомену за сваку АА секвенцу и комбиновали уносе из свих база података за сваки. Користили смо НЦБИ БЛАСТКС в. 2.2.31 плус да упоредимо кодирајуће секвенце генома М. наталенсис са базом података НЦБИ нр протеина (приступљено новембра 2015)78. Применили смо ТопГОв.2.30.1** да бисмо упоредили гене градитеља и сточара; испитали смо ГО хијерархију и претерано представљали термине и изградили графичке приказе. Анализирани биолошки процес (БП), ћелијска компонента (ЦЦ) и молекуларна функција (МФ) (додатна табела С3).

Генерисање скупа података о ЈХ и уроциту. Јединке М. беллицосус су сакупљене на терену у Националном парку Комо (види горе). Количина уроцита је на терену процењена као висока или мала према очигледном присуству или одсуству великих уроцита. Они су видљиви као бели 'кристали'/тачке у масном телу кроз провидну кутикулу термита. Од ових истих особа узети су узорци хемолимфе за мерења ЈХ. Да би се то урадило, њихови абдомени су пробушени иглом, а истурене капљице хемолимфе су апсорбоване у калибрисане стаклене капиларе (5 μЛ капиларне пипете за једнократну употребу, Неолаб, Хирсцхманн, Ебер-стадт, Немачка) (за више детаља видети 35). За мерења ЈХ, аликвоти хемолимфе појединачних појединаца од 1 уЛ су одмах растворени у 0.5 мЛ ацетонитрила. Ови узорци су чувани на -20 степену (осим за транспорт са терена у лабораторију) у стакленим бочицама са тефлонским чепом. Преостале мртве особе су похрањене у етанолу за одређивање старости у лабораторији проучавањем хабања доње вилице под микроскопом за сецирање. Због тога смо само респективно знали старост појединаца и морали смо да одбацимо узорке, који су били престари (веома истрошене чељусти; углавном сакупљачи хране) или премлади (углавном неискоришћене мандибуле; неколико градитеља). Ово је смањило и пристрасно смањило величину нашег узорка, тако да смо на крају имали узорке хемолимфе од 14 малолетних радника старих зграда и 3 стара малолетна радника у потрази за храном. Сваки појединац потиче из различите колоније да би обезбедио независни узорак.

ЈХ је екстрахован пратећи протокол одвајања течне фазе8, као што је описано у³5. Протокол РИА, који укључује разблажења ЈХ-специфичног антисерума, концентрација радиоактивности [10-3Х(н)]-јувенилног хормона ИИИ (специфична активност 19,4 Ци/ммол Перкин Елмер Лифе Сциенцес, Валтхам, МА), и стандардни опсег криве (50-10 нг) установљен са необележеним јувенилним хормоном ИИИ (Флука, Буцхс, Швајцарска), на исти начин као у нашој претходној студији35. Титри ЈХ узорака су израчунати на основу нелинеарне регресије са четири параметра на вредностима стандардне криве (табела ИммуноАссаи Цалцулатионс, Бацхем, Бубендорф, Швајцарска) и изражени су као ЈХ-ИИИ еквиваленти (пг/μЛ хемолимфе). ЈХ-ИИИ је једини ЈХ део произведен од термитских цорпора аллата и откривен у хемолимфи **

Скупови података о ооцитима и ЈХ анализирани су коришћењем непараметарске статистике. Учесталост појављивања јајних ћелија између сакупљача хране и градитеља смо упоредили коришћењем контингентне анализе, док је количина ЈХ титара између сакупљача и градитеља анализирана Манн Вхитнеи У-тестом. Сви тестови су били двострани и статистичке анализе су рађене са ИБМ СПСС 23.082. Тестирали смо њихову снагу користећи Г*Повер 3.1.9.783.84. Доступност података

Необрађени подаци о секвенци коришћени у овој публикацији депоновани су у НЦБИ СРА архиву под приступом ПРЈНА727164. Подаци који се користе за генерисање цифара дати су у овом раду.

Овај чланак је извучен са хттпс://дои.орг/10.1038/с41598-021-97515-в