Historieskrivning i genomsprog: Myrers svampedyrkning gennem 60 millioner år – Københavns Universitet

Nyheder > Alle nyheder > Historieskrivning i ge...

20. juli 2016

Historieskrivning i genomsprog: Myrers svampedyrkning gennem 60 millioner år

Svampedyrkende myrearter

Verdens første landmænd var myrer som udviklede små agerbrug blot få millioner år efter dinosaurerne uddøde. De væsentligste biologiske tilpasninger, som gjorde disse myrer i stand til at udvikle store landbrug med avancerede afgrøder, er nu kortlagt af forskere ved Københavns Universitet.

Mennesker udviklede for første gang landbrug i Mellemøsten, da den sidste istid var forbi. Denne udvikling var kun mulig på grund af teknologiske fremskridt og organisatoriske evner, der gik i arv gennem generationer, hvilket adskilte disse første landmænd fra vores tidligere forfædre. Til gengæld opfandt nogle myrer og termitter svampelandbrug for mange millioner år siden, og deres landbrugssamfund blev så talrige, at deres store tuer er dominerende pejlemærker i savanner og regnskove verden over. Et nyt studie1, som udkom i dag i det ansete tidskrift Nature Communications, løfter sløret for de genetiske ændringer, som myrelandmænd og deres afgrøder skulle igennem for at lykkedes med dette afgørende skift i deres levevis.

En international forskergruppe, anført af Center for Social Evolution ved Københavns Universitet2, har analyseret genomer af syv svampedyrkende myrearter og tilsvarende data fra deres afgrøder. Disse arter repræsenterer alle evolutionære stadier af svampedyrkning: fra bitte små ”husmandsbrug”, over mellemstore mere specialiserede brug, til enorme ”industrialiserede” brug af bladskærer-kolonier, som kan huse millioner af myrer. Sidstnævnte opretholder store motorveje hvor tusindvis af myrer passerer med grønne bladfragmenter, hvilket man som turist i Syd- eller Mellemamerika næppe kan undgå at lægge mærke til.

- “Disse myrer har løst mange udfordringer som vores industrialiserede landbrug døjer med – de opretholder en utrolig høj hygiejnisk standard og bekæmper sygdomme og skadedyr med imponerende præcision, bl.a. ved produktion og brug af antibiotika uden at det skaber resistensproblemer. Hele denne udvikling er sket igennem langsom naturlig selektion, uden nogen form for videnskab eller teknologi”, siger artiklens første forfatter Sanne Nygaard.


Resultaterne viser, at de svampedyrkende myrer har haft hyppigere ændringer i genomets overordnede arkitektur i forhold til andre grupper af dyr, hvis genomer er analyseret. Det minder om de dynamiske genomændringer man ser hos domesticerede planter og dyr, som vi målbevidst har avlet for at få egenskaber frem, der ikke kan opretholdes i vilde varianter. Da forskerne rekonstruerede hvornår myrelandbruget sandsynligvis opstod, kom det frem, at det ligger endnu længere tilbage end man hidtil troede – op til 60 millioner år, dvs. kun nogle få millioner år efter dinosaurerne forsvandt.

Der er flere ligheder med vores egen landbrugshistorie; de mest avancerede myrelandbrug er udelukkende baseret på klonale afgrøder uden kønnet formering, ligesom det er tilfældet for mange af vores egne moderne afgrøder. Også hos myrerne har denne udvikling fundet sted gennem flere stadier, hvor afgrødernes udbytte er steget støt. I takt med disse domesticerings-stadier har myrerne tilpasset kompostkvaliteten, hvilket har gjort dem afhængige af næringsrige friske blade. Med dette skift, mistede deres afgrøder mange af deres oprindelige enzymatiske tilpasninger. De avancerede afgrøder er således næppe i stand til at nedbryde cellulose og lignin, som findes i plantecellevægge; materialer som de primitive myrelandbrug lever af, men de avancerede myrelandbrug smider ud som affald.

- Guojie Zhang, som koordinerede genomsekventeringsarbejdet, tilføjer: ”Der er tale om gensidig domesticering i denne symbiose. Begge partnere gennemgik dramatiske ændringer i deres arvemasse, som udelukkede at de nogensinde ville kunne vende tilbage til deres oprindelige livsstil. Sammenligningen af flere genomer er et pragtfuld redskab til at rekonstruere disse evolutionære processer.”

 
Komposten var dog ikke den mest afgørende tilpasning til den nye livsstil. Når en symbiose baseres på en økonomi udelukkende af svampe-mad, er det nødvendigt at opgradere både produktionen og fordøjelsen af svampens hovedbestanddel, kitin. Også her viste resultaterne, at naturlig selektion har produceret flere evolutionære ændringer, der har øget kitinproduktion i svampen og evnen til af fordøje kitin hos myrerne. Selektion for nye produktions- og omsætningsmetoder har tilsyneladende spillet en vigtig rolle for den økologiske dominans af nutidens myrelandbrugssamfund.

- Projektets koordinator, Professor Jacobus (Koos) Boomsma, siger: “Den evolutionære fortælling om svampedyrkende myrer og deres afgrøder er et skoleeksempel i naturens vidunderlige evne til at fremavle langvarige, stabile samarbejdsformer i gensidige fælleskaber. Samtidig er disse myrer frygtelige skadedyr, som ødelægger menneskelige afgrøder for milliarder af kroner i Syd- og Mellemamerika. Takket være – eller på trods af – dette er bladskærermyrernes biologi uhyre interessant. Disse myrelandbrug er mere bæredygtige end de fleste former af vores egne landbrug. Menneskets styrke er, at vi nåede frem til industrialiseret agerbrug på utroligt kort tid, men vores bedrifter er på lang sigt ikke nær så holdbare som myrenes – det er jo et interessant paradoks, når man ved hvor nøje vi planlægger vores landbrug, mens myrerne kun havde blind naturlig selektion at arbejde med.”

Noter:

  1. Publikationen: Nygaard, S., Hu H., Li C., Schiøtt M., Chen Z., Yang Z., Xie Q., Ma C., Deng Y., Dikow R.B., Rabeling C., Nash D.R., Wcislo W.T., Brady S.G., Schultz T.R., Zhang G., & Boomsma J.J. (2016) Reciprocal genomic evolution in the ant-fungus agricultural symbiosis. Nature Communications 7, 12233. doi: 10.1038/ncomms12233(https://www.nature.com/naturecommunications) - Direct link til artiklen bliver synligt efter embargoen er ophævet.
  2. Center for Social Evolution (CSE: http://socialevolution.ku.dk) ved Københavns Universitet har været international førende med en række nye forståelser af sociale insekters bæredygtige landbrugsmetoder siden starten af dette århundrede. Det nuværende projekt kom til i samarbejde med National Gene Bank of China, BGI Shenzhen, og Smithsonian Research Institute, Washington DC og Panama.

    Three very different species of fungus-farming ants in their fungus gardens:


Caption for photographs:
The lower picture shows Cyphomyrmex costatus, a subsistence farmer with small colonies. Its unspecialized crop fungus, like many fungi not found in ant nests, gets much of its nutrition by breaking down the lignin and cellulose in dead plant material (fed to it by the ants) into simple carbohydrates, which the ants also feed on.

The middle picture shows Trachymyrmex cornetzi, which has larger colonies, and more specialized fungus. Its crop produces special fruit-like structures for the ants, which are rich in chitin, and has lost many genes responsible for breaking down lignin and cellulose. In response the ants have evolved genes better able to break down chitin, but do not express so many genes that break down carbohydrates.

The top picture shows the leaf-cutting ant Acromyrmex echinatior, which has massive colonies with hundreds of thousands of workers in several size classes. Its fungus has further evolved to be able to digest fresh green leaves, which the ants collect in large numbers. In turn, the ants show even greater specialization in their chitin-digesting abilities. All images © David R. Nash