Eine Gründungskönigin Akazienameise schneidet ihr erstes Eingangsloch in den geschwollenen Dorn, in dem sie ihre Kolonie gründen wird, den ersten Dorn, den diese junge Sämlingsameisenakazie 1962 in Veracruz, Mexiko, gemacht hat.
Dan Janzen
Während seiner Promotion in den 1960er Jahren beschrieb Dan Janzen, heute Thomas G. und Louise E. DiMaura, Lehrstuhlinhaber am Fachbereich Biologie, ein klassisches Beispiel für biologische Gegenseitigkeit: die obligate Beziehung zwischen Akazienameisen und ihren Wirtsakazienbäumen. Die Akazien produzieren spezialisierte Strukturen, um die Ameisenkolonie zu schützen und zu füttern, und die Ameisen wiederum verteidigen den Baum gegen Pflanzenfresser.
In einer kürzlich in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie decken Kollegen von Janzen in der Abteilung Biologie einen genetischen Mechanismus auf, der die Pflanzenseite der Ameisen-Akazien-Beziehung programmiert. Scott Poethig, die John H. und Margaret B. Fassitt Professor für Biologie, und Aaron Leichty, GR’18, zeigte, dass diese Arten von Akazien die Eigenschaften entwickeln, die notwendig sind, um die Ameisenkolonie zu füttern — hohle geschwollene Dornen, um sie zu beherbergen, und Nektarien und nährstoffreiche Blattspitzen, die Beltian-Körper genannt werden, um sie zu füttern — als Teil eines altersabhängigen Phänomens in der Pflanzenentwicklung.
„Die Herstellung dieser Merkmale ist mit Kosten verbunden“, sagt Poethig, leitender Autor des Berichts, „aber die Pflanze braucht sie, sonst ist sie weg. Es gibt also einen Kompromiss. Und was wir gefunden haben, ist, dass sich diese Merkmale auf dem Rücken eines bereits existierenden Weges entwickelt zu haben scheinen, der einen Entwicklungsübergang in Pflanzen regelt.“
Leichty, jetzt Postdoktorand an der University of California, Davis, sagt: „Als wir uns mit der Literatur befassten, stellten wir fest, dass viele Pflanzenabwehrstrategien altersabhängig sind. Es ist kontraintuitiv, weil Sie denken, dass die jungen Pflanzen diese Strukturen sofort herstellen möchten, damit sie nicht gefressen werden, aber unsere Ergebnisse sowie die tiefgreifende Logik legen nahe, dass es biologische Einschränkungen bei der Herstellung gibt.“
Um die Merkmale im Kontext der Pflanzenentwicklung zu untersuchen, sammelten Poethig und Leichty Akaziensamen von Online-Verkäufern in Belize und von Janzen selbst. Sie beobachteten, was Janzen ein halbes Jahrhundert zuvor in freier Wildbahn gesehen hatte.
„Sicher genug, die Merkmale erscheinen, aber nicht sofort“, sagt Leichty.
Nach Erhalt der ersten Genomsequenz einer Vachellia—Art untersuchten die Forscher speziell bestimmte microRNAs – kurze, nicht kodierende Abschnitte des Genoms — miR156 und miR157, die zuvor mit der Kontrolle des Entwicklungszeitpunkts von Merkmalen in Verbindung gebracht wurden andere Pflanzenarten.
Als der geschwollene Dorn und andere ameisenanziehende Merkmale in der Akazie auftauchten, nahmen die Spiegel von miR156 und miR157 ab und die Spiegel verschiedener Proteintranskriptionsfaktoren, die von diesen microRNAs unterdrückt wurden, nahmen zu.
Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie die Regulation dieser Merkmale evolutionär entstanden sein könnte, untersuchten die Forscher andere Akazienarten, die keine Gürtelkörper oder geschwollene Dornen bilden, aber Nektarien auf ihren Blättern bilden. Bei diesen Arten, wie bei den Ameisenakazien, fiel der Rückgang von miR156 mit dem Auftreten der Nektarien zusammen. Die Ähnlichkeit zwischen den Akazien in dieser Hinsicht deutet darauf hin, dass der bestehende Weg kooptiert wurde, um die anderen Merkmale zu regulieren, die für einen gesunden Leibwächter erforderlich sind — geschwollene Dornen und gutes Essen — sagen die Forscher.
Für Janzen unterstützt der Befund seine Feldentdeckungen und spricht für die Vermischung von Feld- und Laboruntersuchungen.
„Ich habe zugeschaut und gefragt, warum“, sagt Janzen. Von Poethig und Leichty bemerkt er: „Sie sahen zu und fragten, wie.“