[论文解读] Decentralized physiology and the molecular basis of social life in eusocial insects

Daniel Friedman, Brian R. Johnson+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Insect and Arachnid Ecology and Behavior参考文献 140被引用 1

一句话总结

本文提出了一种去中心化的生理学框架，用以理解真 social 昆虫群体如何通过巢友之间的分子和行为相互作用，作为整合的单位运作。研究表明，保守的信号传导通路（如涉及激素、神经递质和信息素的通路）在群体中被共用，以调节诸如 caste 分化和集体觅食等涌现性状，揭示了社会复杂性如何通过个体间的分子创新和生理整合而演化。

ABSTRACT

The traditional focus of physiological and functional genomic research is on molecular processes that play out within a single body. In contrast, when social interactions occur, molecular and behavioral responses in interacting individuals can lead to physiological processes that are distributed across multiple individuals. In eusocial insect colonies, such multi-body processes are tightly integrated, involving social communication mechanisms that regulate the physiology of colony members. As a result, conserved physiological mechanisms, for example related to pheromone detection and neural signaling pathways, are deployed in novel contexts and regulate emergent colony traits during the evolutionary origin and elaboration of social complexity. Here we review conceptual frameworks for organismal and colony physiology, and highlight functional genomic, physiological, and behavioral research exploring how colony-level traits arise from physical and chemical interactions among nestmates. We highlight mechanistic work exploring how colony traits arise from physical and chemical interactions among physiologically-specialized nestmates of various developmental stages. We consider similarities and differences between organismal and colony physiology, and make specific predictions based on a decentralized perspective on the function and evolution of colony traits. Integrated models of colony physiological function will be useful to address fundamental questions related to the evolution and ecology of collective behavior in natural systems.

研究动机与目标

• 开发一个类似于多细胞生物生理学的群体水平生理学概念框架。
• 研究激素信号传导和基因表达等分子机制在社会情境中如何被重新利用。
• 考察物理和化学相互作用在协调专业化巢友之间的群体水平功能中的作用。
• 识别社会复杂性在真社会性昆虫中出现的进化和基因组变化。
• 整合功能基因组学、生理学和行为学，以模拟昆虫社会中的集体调控。

提出的方法

• 采用去中心化生理学模型，将群体水平过程与多细胞生物生理学进行比较。
• 综述真社会性物种中基因表达、激素信号传导和神经通路的功能基因组数据。
• 分析在蚂蚁、蜜蜂和白蚁中社会调控中保守的分子参与者（例如，生物胺、幼体激素、血清素）。
• 研究个体间通过信息素、营养交换和小分子 RNA 的交流，作为生理协调的机制。
• 使用比较基因组学评估与社会进化相关的基因家族扩张（例如，嗅觉受体）。
• 应用系统层面模型，理解个体行为和分子反应如何整合为群体水平的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 保守的分子通路如何贡献于真社会性昆虫群体水平性状的调控？
• RQ2 巢友之间的物理和化学相互作用以何种方式介导群体范围内的生理协调？
• RQ3 基因表达和蛋白质编码序列的变化如何导致 caste 分化和任务专业化？
• RQ4 在社会性昆虫中，特别是感官和信号传导通路中，基因家族扩张的进化意义是什么？
• RQ5 群体水平的去中心化调控与独栖生物的生理调控在哪些方面相似或不同？

主要发现

• 巢穴结构和集体觅食等群体水平性状，源于生理专业化巢友之间的去中心化分子和行为相互作用。
• 保守的信号分子（包括幼体激素、生物胺和信息素）被重新利用，以调节群体中的社会生理和任务分配。
• 嗅觉受体和感官通路中的基因家族扩张与谱系特异的社会复杂性和生态适应相关。
• 转录组和表观遗传变化（包括 DNA 甲基化）伴随社会性昆虫的 caste 专业化和与年龄相关的生理转变。
• 物理互动（例如，振动、触觉信号）和化学信号（例如，信息素、营养物质传递）作为群体成员间生理协调的关键机制发挥作用。
• 功能基因组学揭示，信号传导通路中的分子进化是真社会性昆虫社会复杂性进化的基础。