Editat de Bert Hölldobler, Arizona State University, Tempe, AZ și aprobat pe 8 iulie 2016 (primit pentru revizuire 16 aprilie 2016)

expresia

Semnificaţie

Agricultura timpurie de subzistență a implicat provocări fiziologice semnificative pentru fermierii neolitici până când aceștia și-au izolat genetic culturile prin selecție artificială și poliploidizare. Furnicile atine s-au confruntat cu provocări similare atunci când au adoptat cultivarea ciupercilor 55-60 Mya. În timp ce descendențele de porc derivate din evoluție au cultivat ireversibil soiurile aproximativ 25 Mya și, în cele din urmă, au realizat agricultura la scară industrială, descendenții bazali au păstrat agricultura la scară mică, diversificată și coexistă acum cu fermieri avansați de ciuperci în majoritatea ecosistemelor tropicale din Noua Lume. Arătăm că gestionarea reproducerii sexuale independente în soiuri a restrâns productivitatea agricolă, repetând agricultura umană timpurie a culturilor nespecializate cu productivitate scăzută. Pierderea schimbului de gene de cultivar cu rude nedomesticate probabil a redus conflictul gazdă - simbiont asupra reproducerii, favorizând creșterea agriculturii antice dominante ecologic.

Abstract

Conflictele gazdă - simbiont privind transmiterea orizontală a simbiontului sunt deosebit de acute atunci când simbionții sunt eucariote multicelulare ale căror corpuri fructifere sexuale reprezintă investiții considerabile. Un exemplu ilustrativ este oferit de furnicile atine care cultivă ciuperci, ale căror mătci dispersante transmit simbionți pe verticală și ai căror muncitori din agricultură suprimă în mod activ formarea risipitoare de ciuperci necomestibile (16, 17). Un alt exemplu este oferit de două linii derivate independent de termite care cultivă ciuperci, care au dezvoltat ambele transmisii verticale ale soiurilor Termitomyces în timp ce au terminat producția de ciuperci (18). Cu toate acestea, deși astfel de stări adaptative corelate sunt în concordanță cu predicțiile teoretice și au fost testate și confirmate în unele simbioze între plante și microbi (6, 7), nicio lucrare experimentală nu a testat dacă conflictele de alocare afectează dinamica ecologică a ectosimbiozelor animale în moduri similare.

Aici, prezentăm un astfel de test, folosind ca model modelul furnicii bazale Mycocepurus smithii (Argentina și nordul Mexicului), bazat pe creștere (19). Această specie de furnică se remarcă prin faptul că este partenogenetică (19), permițând experimentarea controlată cu furnici lucrătoare uniforme genetic. De asemenea, crește o varietate neobișnuită de clone de ciuperci fungice care nu sunt domesticite ireversibil și aparent continuă să facă schimb de gene cu rude cu viață liberă (16, 20). Cultivarele și-au păstrat astfel întregul lor potențial sexual, astfel încât fermierii furnicilor au potențiale conflicte explicite cu culturile lor cu privire la producția de ciuperci, care pot afecta performanța simbiotică atunci când sunt exprimate.

Liniile filogenetic bazale de „atină inferioară” la care aparține M. smithii au evoluat mai mult de 50 Mya când furnicile s-au specializat în grădini agricole de ciuperci bazidiomicete aprovizionate cu detritus din punct de vedere forestier sărace din punct de vedere nutrițional (21 ⇓ –23). Acest angajament față de agricultură a dus mai târziu la apariția „podoabelor superioare”, inclusiv furnicile de tăiere a frunzelor Acromyrmex și Atta care cresc cultivare cu adevărat domesticite și coevolvente pe substraturi proaspete din material vegetal (22 ⇓ ⇓ –25). Cu toate acestea, a rămas subapreciat faptul că agricultura relativ neproductivă la nivelul părului inferior a avut altfel un mare succes în a face față provocărilor nutriționale ale unei diete fungice exclusive, în menținerea condițiilor de creștere homeostatică pentru grădinile mici și în controlul agenților patogeni fungici și al paraziților sociali (26). ⇓ –28). Supraviețuirea și diversificarea continuă a acestor mutualisme agricole la scară mică pe parcursul timpului evolutiv sugerează astfel că aceste furnici au găsit modalități de a controla potențialele conflicte care provin din înclinațiile sexuale inevitabile ale soiurilor lor simbioze.

Deoarece creșterea și reproducerea în ciupercile bazidiomicete libere depind de accesul la cantități specifice de proteine ​​și carbohidrați (29, 30), am explorat dacă și cum lucrătorii M. smithii gestionează potențialele conflicte legate de reproducerea cultivarului, oferind grădinilor de ciuperci amestecuri nutritive care promovează creșterea hifelor în timp ce descurajează formarea ciupercilor. Am efectuat experimente cu cadru geometric (31) cu o serie de diete proteice definite nutrițional: carbohidrați (P: C) pentru a genera o hartă a cerințelor nutriționale pentru soiurile fungice care ar putea fi comparată cu strategiile nutritive nutritive ale fermierilor de furnici. Instrumentele grafice furnizate de cadrul geometric ne-au permis să cuantificăm cantitățile și amestecurile de proteine ​​și carbohidrați care conduc la exprimarea conflictelor gazdă - simbiont și, astfel, să vizualizăm compromisuri nutriționale care ar putea selecta comportamente de căutare pentru a promova traiectorii alternative de creștere a cultivarului.

Aceste experimente ne-au permis să abordăm patru întrebări fundamentale: (i) Ce amestecuri nutritive de P: C maximizează performanța in vitro a cultivarului fungic? (ii) Fermierii furnicilor acordă prioritate recoltării proteinelor și carbohidraților pe baza efectelor lor distincte asupra creșterii somatice și reproductive a soiurilor? (iii) Țintele de hrănire disponibile în mod natural permit furnicilor agricole să regleze nutrițional creșterea grădinii în condiții de câmp? (iv) Furnicile agricole deviază de la așteptările maxime de hrănire pentru creșterea somatică a soiurilor pentru a evita conflictele reproductive evidente cu soiurile lor? Rezultatele pe care le-am obținut arată că există o amenințare continuă a conflictului gazdă - simbiont în ceea ce privește alocarea resurselor către transmiterea orizontală a simbiontului, în concordanță cu constrângerile fundamentale ale productivității recoltei care ar fi putut să împiedice evoluția agriculturii la scară mai mare la furnicile filiforme bazine attine.

Rezultate

Întrebarea 1: Ce amestecuri nutriționale maximizează performanța cultivarului fungic in vitro?

Am cartografiat creșterea somatică (hifală) și reproductivă (ciupercă) a culturilor fungice din placa Petri izolate dintr-o colonie M. smithii într-un peisaj de 36 de diete pe bază de agar, variate în raportul P: C (1: 9-9: 1) și P Concentrația + C (8 g/L - 60 g/L) (diete modificate de la ref. 32) (Metode SI și Tabel S1). Creșterea somatică fungică a fost maximizată de un amestec bogat în carbohidrați (1: 3 P: C - 1: 9 P: C) și constrânsă de proteine ​​care depășesc 20 g/L (Fig. 1A și Tabelele S2 - S4), indicând faptul că fermierii de furnici pot maximiza ratele de creștere a culturilor prin recoltarea substratului cu tendințe de glucide. Probabilitatea producției de ciuperci a fost, de asemenea, cea mai mare la raporturile P: C de la 1: 3-1: 9, dar a devenit deja inhibată de cantități absolute de proteine> 10 g/L (Fig. 1B și Tabelul S2 - S4). Astfel, toleranța mai mare a proteinelor la creșterea hifului (60% pentru plăcile cu ciuperci. Izolatele fungice (cercuri negre) au fost inoculate pe medii care acoperă nouă raporturi P: C (1: 9, 1: 6, 1: 3, 1: 2, 1: 1, 2: 1, 3: 1, 6: 1, 9: 1, linii gri care se extind de la origine) și patru concentrații de proteine ​​plus carbohidrați (8, 20, 40, 60 g/L). producerea gradienților de culoare au fost semnificative în ambele panouri (P = 0.0001) (Tabelele S2 - S4). "rel =" gallery-fragment-images-879145198 "data-figure-caption ="

Cartografierea performanțelor cultivarelor fungice într-un peisaj de 36 medii artificiale definite experimental variind în cantități totale (grame pe litru) și cantități relative (raport P: C) de proteine ​​și carbohidrați. (A) Amestecuri nutritive bogate în carbohidrați, cu conținut scăzut de proteine, maximizează atât rata de creștere somatică fungică (zona hifală în milimetri pătrați după 32 d), cât și (B) probabilitatea ca cultivarele cultivate să producă ciuperci (procent din plăcile supraviețuitoare cu ciuperci după 80 d). Albastrul închis indică cele mai mici valori pentru cele două variabile de răspuns, iar valorile mai mari sunt reprezentate de izocline din ce în ce mai roșii care ating vârfurile la> 300 mm 2 pentru zona de creștere somatică și> 60% pentru plăcile cu ciuperci. Izolatele fungice (cercuri negre) au fost inoculate pe suporturi cuprinzând nouă raporturi P: C (1: 9, 1: 6, 1: 3, 1: 2, 1: 1, 2: 1, 3: 1, 6: 1, 9: 1, linii gri care se extind de la origine) și patru concentrații de proteine ​​plus carbohidrați (8, 20, 40, 60 g/L). Regresiile suprafeței de răspuns care produc gradienții de culoare au fost semnificative în ambele panouri (P = 0,0001) (Tabelele S2 - S4).

Rețete pentru 36 de diete sintetice variabile în raport P: C (9: 1, 6: 1, 3: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 6, 1: 9) și proteine + concentrația de carbohidrați (8, 20, 40 și 60 g/L)

Teste univariate ale estimărilor parametrilor

Test de semnificație pentru modelele univariate

Întrebarea 2: Fermierii furnicilor acordă prioritate recoltării proteinelor și carbohidraților pe baza efectelor lor distincte asupra creșterii somatice și reproductive a cultivarelor fungice?

Pentru a înțelege modul în care furnicile furajere navighează prin compromisurile sugerate de rezultatele creșterii cultivarului in vitro, am efectuat experimente de hrănire controlată cu colonii întregi de laborator pentru a testa dacă colegii M. smithii amestecă în mod colectiv proteine ​​și carbohidrați în cantități și rapoarte care promovează creșterea somatică în timp ce inhibă producerea ciupercilor. Un experiment care oferă colonii cu un singur raport P: C cu diete de 1: 6, 1: 3, 1: 1, 3: 1 sau 6: 1 (întotdeauna la o concentrație de 20 g/L proteină + carbohidrați) (Tabelul S5) a stabilit că coloniile reglează strâns recolta de proteine ​​la niveluri scăzute, permițând în același timp variații substanțiale în recolta de carbohidrați în cadrul dietelor (Fig. 2 și Tabelul S6). Prin prioritatea strategică a reglării proteinelor, muncitorii furnicilor își înfometează efectiv soiurile de carbohidrați atunci când li se oferă diete cu raporturi P: C ≥ 1: 1, întrucât rate mai mari de aport ar implica niveluri de recoltare a proteinelor care reduc randamentul (fig. 1A). La celălalt capăt al scalei, muncitorii furnicilor au observat o limită superioară destul de constantă a recoltării carbohidraților, în ciuda potențialului de a obține beneficii de creștere a cultivarului împovărate de conflicte (Fig. 1A) pe dietele 1: 3 și 1: 6 din ce în ce mai bogate în carbohidrați Fig. 2D).

Preferințe experimentale de hrănire a furnicilor agricole care le furnizează soiurile. (A) Un experiment de dietă care furnizează șine nutriționale fixe de 1: 6, 1: 3, 1: 1, 3: 1 și 6: 1 care se extinde de la origine (31) a arătat cum lucrătorii au acordat prioritate amestecurilor specifice de proteine ​​și carbohidrați peste 22 de zile (puncte colorate). Curba punctată care leagă valorile de recoltare a dietei reflectă compromisurile nutriționale generale, arătând că lucrătorii preferă carbohidrații sub recolta decât să depășească nivelurile scăzute de recoltare a proteinelor. (B - D) Cantități cumulate de dietă totală, proteine ​​și carbohidrați recoltați în timpul experimentului de dietă P: C. Coloniile au recoltat în mod constant cantități mici de proteine ​​și cantități variabile de carbohidrați. Diferite litere indică diferențe perechi care au fost semnificative la P Vizualizați acest tabel:

  • Vizualizați în linie
  • Vizualizați fereastra pop-up

Rețete dietetice pentru experimentul de hrănire a coloniei adaptate din ref. 50