Badania podkreślają, jak uderzenie meteorytu, które doprowadziło do upadku dinozaurów, pomogło w zapoczątkowaniu wzajemnego związku między mrówkami i grzybami, wyznaczając wczesną formę rolnictwa na długo przed pojawieniem się ludzi.
Uderzenie meteorytu, w wyniku którego 66 milionów lat temu zginęło dinozaury, mogło doprowadzić do niezwykłej, wzajemnie korzystnej relacji między grzybami i mrówkami. Słabe oświetlenie spowodowane uderzeniem stworzyło warunki sprzyjające rozprzestrzenianiu się grzybów żywiących się materią organiczną, której było wówczas dużo w związku z masowym wymieraniem roślin i zwierząt.
Według nowego badania opublikowanego w Naukabyła to doskonała okazja dla przodka grupy mrówek, aby rozpocząć hodowlę tych mikroorganizmów.
Szczepy grzybów i spostrzeżenia genetyczne
„Pochodzenie mrówek hodujących grzyby było stosunkowo dobrze poznane, brakowało jednak bardziej precyzyjnego harmonogramu występowania tych mikroorganizmów. Praca zapewnia najmniejszy jak dotąd margines błędu w przypadku pojawienia się tych szczepów grzybów, które wcześniej uważano za nowsze” – wyjaśnia André Rodrigues, profesor w Instytucie Nauk Biologicznych Uniwersytetu Stanowego w São Paulo (IB-UNESP) w Rio Claro z Brazylii i jeden z autorów artykułu.
Badaczka koordynuje projekt „Wspólne badania: Wymiary US-São Paulo: integracja filogenezy, genetyki i ekologii chemicznej w celu rozwikłania splątanego banku wieloczęściowej symbiozy mrówek hodujących grzyby”, wspierany przez FAPESP w ramach programu badawczego dotyczącego charakterystyki różnorodności biologicznej i ochrony , Renowacja i zrównoważone użytkowanie (BIOTA), we współpracy z Narodową Fundacją Nauki (NSF) Stanów Zjednoczonych.
Datowanie było możliwe dzięki analizie tak zwanych ultrakonserwowanych elementów (UCE) genomów 475 grzybów gatunek uprawiana przez mrówki i zbierana z różnych części obu Ameryk. UCE to regiony pozostające w genomie przez całą ewolucję grupy, wywodzące się od jej najstarszych przodków.
„W tym przypadku interesowały nas regiony położone blisko tych elementów. Pokazują najnowsze różnice między gatunkami i pozwalają nam prześledzić w miarę dokładną linię ewolucyjną” – dodaje Pepijn Wilhelmus Kooij, badacz z IB-UNESP wspierany przez FAPESP, a także współautor pracy.
Dzięki tej metodzie możliwe było ustalenie niemal jednoczesnego pojawienia się dwóch odrębnych linii grzybów od tego samego przodka dzisiejszych mrówek liściastych (grupy znanej jako Attini) 66 milionów lat temu.
Mutualizm i pochodzenie rolnicze
Specjaliści od mutualizmu między grzybami i mrówkami od dawna argumentują, że początek tego związku definiuje pojawienie się rolnictwa dziesiątki milionów lat przed tym, jak człowiek zaczął udomowić rośliny, zaledwie 12 000 lat temu.
Badanie ujawniło również pojawienie się przodka grzybów koralowych – drugiej grupy, którą mrówki zaczęły uprawiać 21 milionów lat temu. Grzyb zawdzięcza swoją nazwę temu, że tworzy struktury przypominające miniaturowe kolonie koralowców morskich.
Mutualizm żywieniowy i adaptacja grzybów
Wyniki potwierdzają hipotezę, że grzyby przeszły już wstępną adaptację, zanim zostały wyhodowane przez mrówki. Autorzy zauważają, że jest prawdopodobne, że przodkowie grupy mrówek liściastych żyli w pobliżu grzybów, albo wewnątrz kolonii, albo nawet zbierając je od czasu do czasu, aby żerować na nich lub na ich produktach.
„Ale grzyby nie były istotną częścią diety mrówek. Nacisk wywierany przez uderzenie meteorytu mógł zmienić tę zależność w obowiązkowy mutualizm, w którym pożywienie i rozmnażanie się tych grzybów zaczyna zależeć od mrówek, podczas gdy mrówki są zależne wyłącznie od grzybów jako źródła pożywienia.” Rodrigues kontekstualizuje.
Obecnie cztery różne grupy mrówek uprawiają cztery rodzaje grzybów. W niektórych przypadkach owady zakłócają nawet wzrost uprawianego produktu, dostarczając mu określonych składników odżywczych.
„Kiedy hodujemy je w laboratorium, grzyby przyjmują oczekiwaną formę strzępek. Jednakże wewnątrz kolonii jeden z tych typów strzępek puchnie i tworzy struktury podobne do kiści winogron, bogate w cukry. Nadal nie wiemy, jak mrówki to robią” – mówi Kooij.
Zdaniem Mauricio Bacci Juniora, profesora IB-UNESP i współautora artykułu, pochodzenie uprawy grzybów wskazuje prawdopodobnie na adaptację w obliczu niedoborów składników odżywczych, z jakimi borykały się wówczas mrówki.
Wraz z obfitością grzybów rozprzestrzeniających się na terenach obecnych Ameryk i mniejszą liczbą źródeł pożywienia, te, które miały już pewne możliwe powiązania z mrówkami, okazały się bardziej przydatne w uprawie.
„Aby się pożywić, grzyb rozkłada materię organiczną przenoszoną przez mrówki. Z kolei mrówka zjada substancje wytwarzane przez grzyba, których nie mogłaby pozyskać z żadnego innego źródła. To tak, jakby grzyb był zewnętrznym żołądkiem owada” – porównuje badaczka, która jest zastępcą dyrektora Centrum Badań nad Dynamiką Różnorodności Biologicznej i Zmian Klimatu (CBioClima), jednego z Centrów Badań, Innowacji i Upowszechniania (RIDC) wspierany przez FAPESP.
Ewolucja rolnictwa i potencjał biotechnologiczny
Po tym wydarzeniu założycielskim mrówki hodujące grzyby, które wcześniej żyły w wilgotnych lasach, doświadczyły drugiej presji selekcyjnej wraz z ekspansją biomu podobnego do sawanny Cerrado 27 milionów lat temu. W przypadku bardziej otwartych i suchych obszarów nastąpiło zróżnicowanie tych owadów rolniczych, co doprowadziło do powstania dzisiejszych mrówek liściastych.
Wydarzenie to z pewnością sprzyjało także dywersyfikacji grzybów, które stały się skuteczniejsze w wytwarzaniu pożywienia dla mrówek i rozkładaniu materii organicznej.
Do tego stopnia, że enzymy wytwarzane przez grzyby hodowane przez mrówki są obecnie badane pod kątem ich potencjału biotechnologicznego w zakresie degradacji nie tylko materii organicznej, ale także innych materiałów, w tym tworzyw sztucznych.
Odniesienia: „The coevolution of fungus-ant Agriculture” autorstwa Teda R. Schultza, Jeffreya Sosa-Calvo, Matthew P. Kweskina, Michaela W. Lloyda, Bryn Dentingera, Pepijna W. Kooija, Else C. Vellingi, Stephena A. Rehnera, Andre Rodrigues, Quimi V. Montoya, Hermógenes Fernández-Marín, Ana Ješovnik, Tuula Niskanen, Kare Liimatainen, Caio A. Leal-Dutra, Scott E. Solomon, Nicole M. Gerardo, Cameron R. Currie, Mauricio BacciJr., Heraldo L Vasconcelos, Christian Rabeling, Brant C. Faircloth i Vinson P. Doyle, 3 października 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adn7179
