جمع وصيانة النمل القاطع للأوراق (عطا) على المدى الطويل في ظروف المختبر

Summary

هنا ، يتم وصف بروتوكول لجمع والحفاظ بنجاح على مستعمرات النمل عطا (غشائيات الأجنحة: Formicidae) صحية في ظروف المختبر. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تفصيل أنواع وتكوينات العش المختلفة جنبا إلى جنب مع الإجراءات التجريبية الممكنة.

Abstract

النمل هي واحدة من أكثر مجموعات الحيوانات تنوعا بيولوجيا على هذا الكوكب وتعيش في بيئات مختلفة. إن الحفاظ على مستعمرات النمل في البيئات الخاضعة للرقابة يتيح فهما غنيا لبيولوجيتها التي يمكن أن تسهم في البحوث التطبيقية. عادة ما تستخدم هذه الممارسة في دراسات التحكم في أعداد الأنواع التي تسبب خسارة اقتصادية ، مثل نمل عطا . لزراعة الفطريات المتبادلة ، يقوم النمل القاطع للأوراق بجمع الأوراق ولهذا تعتبر آفات زراعية موزعة على نطاق واسع في جميع أنحاء القارة الأمريكية. إنهم منظمون اجتماعيا للغاية ويسكنون أعشاشا تحت الأرض مكونة من مجموعة متنوعة من الغرف. تعتمد صيانتها في بيئة خاضعة للرقابة على روتين يومي من العديد من الإجراءات والرعاية المتكررة الموضحة هنا. يبدأ بجمع الملكات خلال موسم الإنجاب (أي رحلة الزواج) ، والتي يتم نقلها بعد ذلك بشكل فردي إلى حاويات بلاستيكية. نظرا لارتفاع معدل وفيات الملكات ، يمكن إجراء مجموعة ثانية بعد حوالي 6 أشهر من رحلة الزواج ، عندما يتم حفر الأعشاش الأولية مع الفطريات المتقدمة ، وانتقائها يدويا ، ووضعها في حاويات بلاستيكية. في المختبر ، يتم توفير الأوراق يوميا للمستعمرات المنشأة ، ويتم إزالة النفايات المنتجة من النمل أسبوعيا مع المواد النباتية الجافة المتبقية. مع استمرار نمو حديقة الفطريات ، يتم نقل المستعمرات إلى أنواع مختلفة من الحاويات وفقا للغرض التجريبي. يتم وضع مستعمرات النمل القاطعة للأوراق في حاويات مترابطة ، تمثل النظام التنظيمي مع غرف وظيفية بناها تلك الحشرات في الطبيعة. يعد هذا الإعداد مثاليا لمراقبة عوامل مثل كمية النفايات وصحة حديقة الفطريات وسلوك العمال والملكة. يعتبر جمع البيانات الميسر والملاحظات الأكثر تفصيلا أكبر ميزة للحفاظ على مستعمرات النمل في ظروف خاضعة للرقابة.

Introduction

يشكل النمل مجموعة متنوعة من الأفراد الذين يمارسون تأثيرا على معظم البيئات الأرضية¹. وهي تعمل كمشتتات فعالة²،³،⁴ ، والحيوانات المفترسة⁵ ومهندسي النظام البيئي⁶،⁷،⁸،⁹،^{10 ،} مما يسلط الضوء على أهميتها ونجاحها البيئي على النظم الإيكولوجية الطبيعية. تصنف جميع أنواع النمل على أنها حشرات اجتماعية. ومع ذلك ، فإن تنظيمهم الاجتماعي يختلف اختلافا كبيرا بين مجموعات الأنواع المختلفة ، أي أنظمة تقسيم العمل ، والمجموعات الوظيفية ، والتواصل بين الأفراد ، وتنظيم الأعلاف ، ومؤسسة المستعمرة ، وعملية التكاثر¹¹. كمجموعة متنوعة للغاية ، يلجأون إلى العديد من الموارد الغذائية وسلوكيات التغذية المتخصصة. في الواقع ، لم تكن الزراعة خطوة كبيرة للحضارة الإنسانية فحسب ، بل كانت أيضا لأنواع النمل. ما يقرب من 55 إلى 65 Ma منذ¹² ، بدأ النمل attine في زراعة الفطريات ودمجها في نظام غذائي حصري تقريبا. أصبحوا متخصصين لدرجة أنهم طوروا تفاعلات صارمة ومعتمدة وإلزامية تصنف على أنها تكافل ، حيث لا يعيش فرد واحد دون الآخر.

يقوم النمل الأقل نموا للفطريات بجمع ومعالجة المواد العضوية الميتة ، مثل شظايا الأوراق المتعفنة ، لزراعة الفطريات المتبادلة. بينما يحصد النمل الذي ينمو الفطريات العالية المواد النباتية الطازجة ، مما يشكل أحد أنجح الأنظمة الطبيعية التكافلية¹³. سمحت لهم هذه التقنية الزراعية عالية التخصص بالاستيلاء على مكانة جديدة. يتكون النمل الأتين الأعلى من النمل القاطع للأوراق ، وهي مجموعة أحادية اللون تثير ما بين 19 Ma (15-24 Ma) و 18 Ma (14-22 Ma)¹⁴،^15،16 تتكون من أربعة أجناس صالحة: عطا فابريسيوس ، أكروميرمكس ماير ، أمويميرمكس كريستيانو ^، و Pseudoatta Gallardo. تطور نظام الزراعة القاطع للأوراق الذي يؤديه النمل القاطع للأوراق من أنظمة الزراعة المشتقة¹⁷. تستغل معظم هذه الأنواع حصريا أنواع الفطريات المتبادلة Leucoagaricus gongylophorus Singer 18 (وتسمى أيضا Leucocoprinus gongylophorus Heim 19) ، مما يمثل انتقالا تطوريا مهما ¹¹. تنتقل الأصناف الفطرية عموديا ، من الأعشاش الأصلية إلى النسل ، مما يشير إلى أنها تنتشر بشكل مستنسخ²⁰.

ومن اللافت للنظر أن مجتمعات عطا طورت هيكلا تنظيميا معقدا ذا أهمية كبيرة في بيئتها وذات أهمية كبيرة لأخصائيي علم الحشرات. يمكن أن يتكون سكانها من ملايين الأفراد ، معظمهم من العاملات العقيمات اللواتي يظهرن تعدد الأشكال البارز ، أي الحجم المتميز والتشكل التشريحي. يتميز السكان بالطوائف حسب العمر والحالة الفسيولوجية والنوع المورفولوجي والسلوكيات والأنشطة المتخصصة في المستعمرة²¹. يمكن التمييز بين العمال في البستانيين والممرضات ، والعموميين داخل العش ، والباحثين عن الطعام والحفارات ، والمدافعين أو الجنود²¹. تسمح هذه المنظمة بأداء المهام بالتعاون ونظام التنظيم الذاتي الذي يمكن أن ينتج سلوكيات جماعية منظمة للغاية ، مما يسمح لهم بالاستجابة بكفاءة للاضطرابات البيئية²².

تلعب دور تجديد السكان ملكة واحدة (أي أحادية الجنس) ، طالما أنها تعيش ، وتشكل الطبقة الإنجابية الدائمة²². من المعروف أن ملكات عطا تعيش لأكثر من 20 عاما ، وتضع البيض طوال عمرها²³. نظرا لأن الملكة لا يمكن الاستغناء عنها ، فإن قدرتها على التحمل أمر بالغ الأهمية لبقاء المستعمرة¹³،²⁰،^23،24. ومع ذلك ، يمكن العثور على الآلاف من الإناث والذكور التناسلية المجنحة في العش خلال مواسم التكاثر ، ولكن لا يبقى أي منها في العش الأصلي ، ويشكل طبقة مؤقتة²². في مستعمرات عطا سيكسدنز ، يتم إنتاج ما يقرب من 3000 أنثى تناسلية و 14000 ذكر تناسلي²⁵. يحدث عندما تصل المستعمرة إلى مرحلة النضج الجنسي ، حوالي 38 شهرا من تنفيذها ، وتتكرر سنويا منذ ذلك الحين حتى يتم إخمادها^23,25. يتم إنشاء مستعمرات عطا الجديدة من خلال هابلوميتروسيس ، حيث تبدأ ملكة واحدة عشا جديدا.

عندما تكون الظروف البيئية مواتية ، يغادر المستنسخون العش تحت الأرض لبدء رحلة الزواج. تختلف فترة حدوثه حسب المنطقة ، وتتراوح على مدار العام في جميع أنحاء الأراضي البرازيلية اعتمادا على الأنواع. ومع ذلك ، يبدو أن الحدث يسبقه هطول الأمطار وارتفاع الرطوبة²⁶ ، والذي يمكن أن يكون مرتبطا بتسهيل الحفر بسبب رطوبة التربة²². في كثير من الأحيان ، قبل 1-5 أسابيع من رحلة الزواج ، يتم توسيع مداخل وقنوات العش لتسهيل مغادرة الأفراد الإنجابيين. قبل مغادرة مستعمراتها الأم ، تقوم الإناث المجنحة بجمع وتخزين جزء من الفطريات المتبادلة^20,27 في تجويف تحت الرحم. يتم إجراء جماعات متعددة في منتصف الرحلة ، ويتم حساب أنه يمكن تلقيح ملكة واحدة من قبل ثلاثة إلى ثمانية ذكور (أي تعدد الأزواج) في بعض الأنواع²⁸ ، مما يضمن التباين الجيني²⁹. بعد ذلك ، تنتقل الملكات إلى التربة ، مع إعطاء الأفضلية للمواقع التي لا تحتوي على نباتات أو قليلة²⁵ ، حيث تزيل أجنحتها وتحفر أول غرفة عش لها. هذه هي الفترة الوحيدة التي يمكن فيها رؤية الملكات خارج العش. على الرغم من أن أفراد الطبقة المؤقتة شوهدوا في أعشاش اصطناعية ، فمن غير المعروف ما إذا كان أي جماع ناجح (أي رحلة الزواج) قد تم إجراؤه في ظروف المختبر²⁴.

يتوافق بناء العش الأولي مع الفترة الأكثر أهمية في المستعمرة ، والتي يمكن أن تستمر من 6 ساعات إلى 8 ساعات^23,25. في هذه اللحظة ، تقوم الملكة بنفسها في الغرفة الأولية ، وفي غضون أيام ، يبدأ وضع البيض. يتم تغذية البيض الأول إلى الفطريات التي تتقيأها الملكة ، مما يمثل بداية حديقة الفطريات في المستعمرة. تظهر اليرقات الأولى في حوالي 25 يوما²² ، وفي نهاية الشهر الأول تقريبا ، تتكون المستعمرة من حصيرة من الفطريات المتكاثرة ، حيث تتداخل غير الناضجة (البيض واليرقات والشرانق) ، والملكة ، التي تربي نسلها الأولي في عزلة²³. البيض هو أيضا المورد الغذائي لليرقات الأولى وتستهلك بشكل كبير من قبل الملكة¹³. بالإضافة إلى ذلك ، تحافظ الملكة على نفسها باحتياطيات الجسم الدهنية وتقويض عضلات الجناح التي لم تعد تستخدم¹³. لا يتم استهلاك ثقافة الفطريات الأولية لأن بقاء المستعمرة يعتمد على تطورها ، وخلال هذه الفترة ، تقوم الملكة بتخصيبها بالسائل البرازي¹³. بعد أيام من ظهورها ، يفتح العمال الأوائل مدخل العش ويبدأون نشاطا للبحث عن الطعام في المنطقة المجاورة للعش¹³. أنها تدمج المواد التي تم جمعها كركيزة لحديقة الفطريات ، والتي تعمل الآن كغذاء للعمال^13,22. قبل إضافتها إلى ثقافة الفطريات ، يتم تقطيع المواد النباتية التي يحملها العمال إلى قطع صغيرة وترطيبها بسائل البراز¹³. يتلاعب النمل بلقاح الفطريات لزيادة نموه والتحكم فيه ، والذي سيعمل على تقسيم غرف التربة الكبيرة المحفورة ، والمتخصصة في تكييف الحديقة¹³،^22،25.

بعد حوالي 6 أشهر من رحلة الزواج ، تحتوي أعشاش A. sexdens على غرفة فطريات وعدد قليل من القنوات. يعمل التخصص الكبير في بناء أعشاش النمل القاطعة للأوراق كآلية دفاعية ضد الأعداء الطبيعيين والعوامل البيئية غير المواتية²². من المعروف أن النمل القاطع للأوراق يتفتت حديقة الفطريات وينقلها إلى غرف ذات رطوبة عالية عندما تبدأ الغرف في الجفاف¹³. وهكذا ، على الرغم من أن حفر العش له تكلفة طاقة كبيرة ، فإن الطاقة المستثمرة تنعكس في فوائد للمستعمرة نفسها²². مع استثناءات قليلة ، تصنع أنواع عطا أيضا غرفا متخصصة لنفايات المستعمرة ، مصنوعة في الغالب من ركيزة الفطريات المستنفدة وجثث النمل الميت ، وتعزلها عن بقية العش ، وتضع استراتيجية مناعة اجتماعية مهمة³⁰. بالإضافة إلى ذلك ، تقوم مجموعة متميزة من العمال بمعالجة النفايات مباشرة ، لتجنب تلوث الأفراد الآخرين. يتغذى العمال باستمرار لرعاية الفطريات ، وهي المورد الغذائي الرئيسي للمستعمرة. ومع ذلك ، يمكن أن تتغذى على عصارة النبات أيضا أثناء قطع الشظايا. يتم اختيار المواد النباتية بعناية لصيانة حديقة الفطريات وتتأثر بالعديد من العوامل مثل سمات الأوراق وخصائص النظام البيئي¹³.

إن استراتيجية البحث عن الطعام للنمل القاطع للأوراق للحصول على مواد طازجة معقدة للغاية ، وإلى جانب ارتفاع الطلب على الحصاد في المستعمرات القائمة ، تؤدي إلى خسارة اقتصادية كبيرة للمنتجين الزراعيين وتعرض مناطق استعادة الغابات^{للخطر 22,31}. لذلك ، يمكن تصنيف هذه النمل على أنها آفات في معظم المناطق التي قد تصادف فيها ، بدءا من جنوب الولايات المتحدة إلى شمال شرق الأرجنتين¹¹،¹³،^22،32. يمثل إطفاء المستعمرات الإشكالية تحديا بسبب سلسلة التكيفات المتأصلة في بيولوجيا هذه الحشرات (أي التنظيم الاجتماعي ، والبحث عن الطعام ، وزراعة الفطريات ، والنظافة ، وهياكل الأعشاش المعقدة)³³. ومن ثم ، فإن استراتيجيات التحكم في السكان تختلف عن تلك المطبقة عموما على الآفات الحشرية الأخرى ، وتلجأ بشكل أساسي إلى عروض الطعم الملوثة الجذابة^33,34. ومع ذلك ، نظرا لأن هذه النمل يمكنها رفض المواد الضارة لكل من الفطريات وأفراد المستعمرة ، وتعريض الحقول المزروعة للخطر 33 ، يتم اختبار المركبات الطبيعية الجديدة وبدائل التحكم باستمرار³³،^35،36. نظرا لأنه لا يمكن مراقبة نتائج التجارب على المستعمرات التي تم اختبارها ميدانيا ، يتم إجراء المقالات الأولية في بيئة خاضعة للرقابة.

وبالتالي ، يجب تكييف البروتوكولات التجريبية مع مجموعات الاهتمام بالنظر إلى نمط الحياة غير المتجانس للنمل ، ودعم الدراسات على مستوى الأنواع ، وحساب المستعمرات كوحدات تشغيلية ، حيث تكون نملة واحدة عنصرا من الكائنات الحية الفائقة المعقدة¹¹. جعلت التقارير التي تم جمعها حتى الآن فيما يتعلق بجنس عطا من الممكن جمع المستعمرات والحفاظ عليها بنجاح في ظروف المختبر والاعتراف باحتياجاتها الأساسية وأدائها العام. بناء على عملياتها الطبيعية مثل التكاثر وتأسيس المستعمرات وسلوكيات التغذية ، تم تطوير روتين من الممارسات التي تسمح بإنشاء مستعمرات طويلة الأجل في أنواع مختلفة من الأعشاش. هنا ، يتم وصف بروتوكول إجرائي للحفاظ على النمل القاطع للأوراق في المختبر ويسلط الضوء على البحث العام المحتمل لأغراض تجريبية متميزة والتوعية العلمية.

Protocol

1. مجموعة من الملكات ابحث في الأدبيات عن فترة عطا الموسم التناسلي في المنطقة محل الاهتمام. يختلف حدوث موسم الإنجاب وتواتره ووقت النهار لرحلات الزواج وفقا للظروف المناخية الإقليمية (الجدول 1). على الرغم من أنه يحدث بشكل عام في الربيع ، يجب جمع هذه المعلومات للموق?…

Representative Results

يوضح الشكل 6 مخططا انسيابيا يوضح عملية جمع النمل. هنا ، يتم عرض بعض النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام بروتوكول الجمع والصيانة وإعدادات العش الموضحة أعلاه. الشكل 6:…

Discussion

تم تطوير البروتوكول الموصوف هنا للحفاظ على مستعمرات النمل القاطعة للأوراق وتطبيقه لأكثر من ثلاثة عقود بطريقة حازمة وقابلة للتكرار. سمح بتطوير البحوث التي ستكون محدودة بسبب الظروف الميدانية. وبالتالي ، أصبح النمل والمستعمرات السليمة متاحة للبحث في العديد من المجالات مثل التشكل المقارن ،…

Materials

Entomologic forceps	N/A	N/A	N/A
Glass tank	N/A	N/A	Tempered glass, custom made
Hose	N/A	N/A	Transparent, PVC 1/2 Inch x 2,0 mm
Latex gloves	Descarpack	550301	N/A
Nitrile gloves	Descarpack	433301	N/A
Open arena	N/A	N/A	Polypropylene crate
Plaster pouder	N/A	N/A	Plaster pouder used in construction, must be absorbant
Plastic Containers for collection	Prafesta	Natural Cód.: 8231/Natural Cód.: 8262	Lidded, transparent , polypropylene
Plastic containers for nests	Prafesta	Discontinued	Polystyrene, hermetic
Teflon	Dupont	N/A	Polytetrafluoroethylene liquid (PTFE Dispertion 30)