蚂蚁“超个体”
蚂蚁起源于1.4亿年以前的白垩纪时代，现存约2万多个物种。它们广布于除极地冰原以外的所有陆地生态系统，是生物演化历程中最成功的动物类群之一。
社会性是蚂蚁成功的基石。在蚂蚁的社会中，存在着明确的分工，也就是品级分化，如工蚁和繁殖蚁。虽然工蚁和蚁后具有同样的二倍体基因组，但却表现出明显的形态、生理和行为的分化。多数蚂蚁物种的工蚁没有繁殖能力，它们只负责打理巢穴的事务，而繁殖任务是由繁殖蚁来承担的。未交配的繁殖蚁有翅，交配后雄蚁死亡，雌蚁翅膀脱落，成为真正的蚁后。
支持社会性的脑子
为了揭示蚂蚁品级分化的内在机制，研究团队以法老蚁（Monomorium pharaonis）为模式生物（图一），通过单细胞转录组测序技术开展了研究。
该研究获得了涵盖法老蚁工蚁、处女繁殖蚁、蚁后、雄蚁4种全品级大脑总共206,367个高质量的单细胞核转录组数据。这是世界上首个全面覆盖一个蚂蚁社会中所有分工角色的单细胞图谱（图二）。
法老蚁是一种适应性极强、对生长环境要求低、世界上广泛分布的蚂蚁。其个体小，繁殖快，发育周期短，群体数量庞大。法老蚁行多后制，蚁群内可同时存在多个蚁后，可以在巢内自交，可诱导产生新的生殖蚁，易于在实验室多代大量饲养。法老蚁这些生物学特点使其成为社会性昆虫研究极佳的模式物种。
大脑变化造就了蚁后
相比工蚁，蚁后的寿命要长得多，比多数同体型的昆虫都要长。研究发现处女繁殖蚁在交配后转变为蚁后的过程中，大脑发生了明显的可塑性变化，很多细胞类群的丰度都变化明显。其中，视叶细胞类群丰度降低，而多巴胺细胞及其下游神经肽细胞丰度增加，一类具有神经保护功能的胶质细胞丰度也显著增加。这些大脑细胞类群的变化以及神经环路的重塑决定了蚁后生殖功能的极度提升以及寿命的显著延长，使得蚁后能够成为巢内长期、高效运转的生殖机器，为蚁群源源不断的注入新生的力量。
还有更多的发现
通过比较蚂蚁与果蝇的大脑细胞组成的差异发现，比起果蝇，法老蚁中负责高级认知功能的蘑菇体细胞的丰度显著提高了，其功能也发生了明显的多样性分化。跳镰猛蚁和蜜蜂中，蘑菇体细胞相比果蝇也同样发生了明显的扩张及分化。这提示了昆虫社会性的出现是驱动大脑高级认知中枢扩张及多样性分化的重要力量，当然这一观察还需基于严格的系统发育关系在多物种比较中加以佐证。
不同于蘑菇体细胞，负责处理视觉信息的视叶细胞则表现出高度保守的特征。尤其是一类在果蝇中负责感知物体运动，使得雄果蝇在求偶仪式中能高效追踪雌果蝇的视叶细胞，这类细胞在蚂蚁中也存在，而且其在蚂蚁大脑的分布位置及所表达的特异分子与果蝇高度相似。这说明，尽管蚂蚁与果蝇在演化历史上已分开了数亿年，它们大脑中仍然有很多种类的细胞保持着同样的分子特征，行使着相似的功能。
研究成果近日以“A single-cell transcriptomic atlas tracking the neural basis of division of labour in an ant superorganism”为题发表于Nature Ecology and Evolution。
华大生命科学研究院李启业研究员等为论文第一作者，昆明动物研究所刘薇薇副研究员，浙江大学生命演化研究中心张国捷研教授和华大生命科学研究院刘传宇研究员为论文共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金委（No. 31970573、No. 31900399）等的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41559-022-01784-1
