実験室条件における葉切りアリ(atta)の収集と長期維持

Summary

ここでは、実験室条件で健康な アッタ (膜翅目:Formicidae)アリのコロニーを首尾よく収集して維持するためのプロトコルについて説明します。さらに、さまざまなネストタイプと構成が、可能な実験手順とともに詳細に説明されています。

Abstract

アリは地球上で最も生物多様性の高い動物のグループの1つであり、さまざまな環境に生息しています。制御された環境でアリのコロニーを維持することで、その生物学の理解を深めることができ、応用研究に貢献することができます。この慣行は通常、 アッタ アリなどの経済的損失を引き起こす種の個体群管理研究で採用されています。彼らの相利共生菌を栽培するために、これらの葉を切るアリは葉を集めます、そしてこれのためにアメリカ大陸中に広く分布している農業害虫と考えられています。彼らは高度に社会的に組織化されており、さまざまな部屋で構成される精巧な地下の巣に生息しています。管理された環境でのそれらのメンテナンスは、ここで説明されているいくつかの手順と頻繁なケアの日常業務に依存します。それは、生殖期(すなわち、婚姻飛行)の間に女王の収集から始まり、その後、プラスチック容器に個別に移されます。女王の死亡率が高いため、婚姻飛行の約6か月後に、発達した真菌の塊を持つ初期の巣が発掘され、手で摘み取られ、プラスチック容器に入れられるときに、2回目の収集を行うことができます。実験室では、葉は確立されたコロニーに毎日提供され、アリが生産した廃棄物は残りの乾燥植物材料とともに毎週除去されます。菌園が成長し続けるにつれて、コロニーは実験目的に応じてさまざまな種類の容器に移されます。葉を切るアリのコロニーは相互接続された容器に入れられ、自然界の昆虫によって構築された機能的な部屋を備えた組織システムを表しています。この設定は、廃棄物の量、菌類の庭の健康状態、労働者と女王の行動などの要因を監視するのに理想的です。データ収集の促進とより詳細な観察は、アリのコロニーを制御された状態に保つことの最大の利点と考えられています。

Introduction

アリは、ほとんどの陸生環境に影響を与える多様な個体群を構成し^{ています1}。それらは効率的な分散者2,3,4、捕食者⁵、生態系エンジニア^6,7,8,9,10として機能し、自然生態系におけるそれらの重要性と生態学的成功を強調しています。すべてのアリ種は真社会性昆虫として分類されます。しかし、それらの社会組織は、分業システム、機能グループ、個体間のコミュニケーション、飼料組織、コロニー基盤、および繁殖プロセスなど、異なる種グループ間で大きく異なります¹¹。非常に多様なグループとして、彼らはいくつかの食料資源と専門的な摂食行動に頼っています。実際のところ、農業は人間の文明にとってだけでなく、アリの種にとっても大きな一歩でした。約55〜65 Ma¹²年前、アチンアリは真菌を培養し、ほぼ独占的な食事に取り入れ始めました。彼らは非常に専門的になり、共生として分類される厳格で依存的で義務的な相互作用を発達させ、一方の個人が他方なしでは生き残れません。

低次真菌成長アリは、腐った葉の破片などの死んだ有機物を集めて処理し、相利共生菌を成長させます。高等真菌成長アリは新鮮な植物材料を収穫し、最も成功した共生自然システムの1つを構成します¹³。この高度に専門化された農業技術は、彼らが新しいニッチをつかむことを可能にしました。高等アチンアリは、19 Ma(15-24 Ma)から18 Ma(14-22 Ma)^14,15,16の間に喚起する単系統群である葉を切るアリで構成され、アッタファブリキウス、アクロミルメクスマイヤー、アモイルメックスクリスティアーノ、シュードアッタガヤルドの4つの有効な属で構成されています。 葉切りアリによって行われるハキリアリ農業システムは、派生農業システム¹⁷から進化した。これらの種のほとんどは、相利共生菌種ロイコアガリクス・ゴンギロフォラス・シンガー18(ロイココプリヌス・ゴンギロフォラス・ハイム¹⁹とも呼ばれる)を独占的に利用しており、重要な進化的移行を示しています¹¹。真菌栽培品種は、元の巣から子孫へと垂直に伝染し、クローン繁殖していることを示唆しています²⁰。

驚くべきことに、 アッタ 社会は、その環境において非常に重要であり、ミルエコロジストにとって非常に興味深い複雑な組織構造を開発しました。彼らの人口は何百万人もの個人で構成される可能性があり、そのほとんどは強調された多型、すなわち明確なサイズと解剖学的形態を示す不妊の女性労働者です。人口は、^{コロニー21}の年齢、生理学的状態、形態学的タイプ、行動、および専門的な活動に応じてカーストによって区別されます。労働者は、庭師と看護師、巣内のジェネラリスト、採餌者と掘削機、そして擁護者または兵士に差別される可能性があります²¹。この組織は、協力してタスクの実行と、高度に構造化された集団行動を生み出すことができる自己組織化システムを可能にし、環境障害に効率的に対応できるようにします²²。

人口再生の役割は、彼女が生きている限り、単一の女王(すなわち、一夫一婦制)によって演じられ、恒久的な生殖カースト²²を構成します。アッタの女王は20年以上生き、生涯を通じて卵を産むことが知られています²³。女王はかけがえのないものであるため、その耐久性は^{コロニー13,20,23,24}の生存にとって非常に重要です。それでも、繁殖期には何千もの翼のある生殖雌と雄が巣に見られますが、元の巣にとどまるものはなく、一時的なカースト^{を形成しています22}。アッタセクデンスのコロニーでは、約3,000の生殖雌と14,000の生殖雄が生産されています²⁵。コロニーが性的成熟に達したときに発生し、その実施から約38か月で発生し、それ以来、消滅するまで毎年繰り返されます^23,25。新しいアッタコロニーは、1人の女王が新しい巣を始めるハプロメトロシスによって確立されます。

環境条件が良好になると、再生者は地下の巣を離れて婚姻飛行を開始します。その発生期間は地域によって異なり、種に応じてブラジルの領土全体で年間を通じて異なります。しかし、イベントの前に降雨と湿度の上昇²⁶があり、土壌水分による掘削の促進に関連している可能性があります²²。多くの場合、婚姻便の1〜5週間前に、巣の入り口と水路を広げて、生殖個体の出発を容易にします。母親のコロニーを離れる前に、翼のある雌は頬下腔に相利共生菌の一部を集めて保管します^20,27。飛行中に複数の交尾が行われ、一部の種では1人の女王が3〜8人のオス(つまり一夫多妻制)に授精できると計算されており²⁸、遺伝的多様性を確保しています²⁹。その後、女王は土壌に進み、植生²⁵がないかほとんどない場所を優先し、そこで翼を取り除き、最初の巣室を発掘します。これは女王が巣の外で見ることができる唯一の期間です。一時的なカーストの個体は人工巣で見られましたが、実験室条件で交尾(つまり、婚姻飛行)が成功したかどうかは不明^です24。

最初の巣の建設はコロニーの最も重要な期間に対応し、6時間から8時間^23,25まで続くことがあります。この瞬間、女王は最初の部屋に身を置き、数日のうちに産卵が始まります。最初の卵は、女王が逆流する菌糸体に与えられ、コロニーの菌園の始まりを示します。最初の幼虫は約25日で出現し²²、最初の月の終わり近くに、コロニーは未熟な(卵、幼虫、蛹)が巣を作る増殖する真菌のマットと、最初の子孫を孤立して育てる女王で構成されています²³。卵は最初の幼虫の食料資源でもあり、女王¹³によって非常に消費されます。さらに、女王はもはや役に立たない脂肪体の蓄えと異化翼の筋肉で自分自身を支えています¹³。コロニーの生存はその発達に依存するため、最初の真菌培養は消費されず、この期間中、女王は糞便でそれを受精させます¹³。出現から数日後、最初の労働者は巣の入り口を開き、巣のすぐ近くで採餌活動を開始します¹³。彼らは、現在労働者の食物として機能している菌類園の基質として集められた材料を組み込んでいます^13,22。真菌培養物に添加される前に、労働者によって運ばれた植物材料は小片に切断され、糞便液¹³で湿らされる。アリは真菌の接種材料を操作してその成長を増加させ制御し、それは庭のコンディショニングに特化した大きな土壌掘削チャンバーを分割するのに役立ちます13,22,25。

婚姻飛行の約6か月後、 A.セクデンの 巣には真菌室といくつかのチャネルが含まれています。葉を切るアリの巣の建設における大きな専門化は、天敵や不利な環境要因に対する防御メカニズムとして機能します²²。葉を切るアリは、菌類の庭を断片化し、チャンバーが乾燥し始めると湿度の高いチャンバーに移すことが知られています¹³。したがって、かなりのエネルギーコストを有する巣の掘削にもかかわらず、投資されたエネルギーは、コロニー自体にとっての利益において逆転される²²。いくつかの例外を除いて、 アッタ 種はまた、コロニーの廃棄物のための特殊なチャンバーを作り、主に枯渇した真菌基質と死んだアリの体でできており、巣の残りの部分から隔離し、重要な社会的免疫戦略を確立しています³⁰。さらに、別の労働者グループがごみを直接操作して、他の人の汚染を回避します。労働者は、コロニーの主要な栄養資源である真菌を育てるために絶えず採餌します。しかし、彼らは断片を切断しながら植物の樹液も食べることができます。植物材料は、菌園の維持のために慎重に選択され、葉の形質や生態系の特性などの多くの要因の影響を受けます¹³。

新鮮な材料を得るための葉切りアリの採餌戦略は非常に複雑であり、確立されたコロニーの高い収穫需要と相まって、農業生産者にかなりの経済的損失をもたらし、森林回復地域を危険にさらします^22,31。したがって、これらのアリは、米国南部からアルゼンチン北東部に至るまで、遭遇する可能性のあるほとんどの地域で害虫として分類できます11,13,22,32。問題のあるコロニーの消滅は、これらの昆虫の生物学に固有の一連の適応(すなわち、社会組織、採餌、真菌栽培、衛生、および複雑な巣構造)のために困難です³³。したがって、個体数管理戦略は、他の害虫に一般的に適用される戦略とは異なり、主に魅力的な汚染された餌の提供に頼っています^33,34。しかし、これらのアリは真菌とコロニー個体の両方に有害物質を拒絶し、耕作地を危険にさらす可能性があるため33、新しい天然化合物と防除の代替案が絶えずテストされています^33,35,36。実験結果は野外試験されたコロニーではほとんど監視できないため、予備エッセイは管理された環境で行われます。

したがって、実験プロトコルは、アリの不均一なライフスタイルを考慮し、種レベルでの研究をサポートし、1つのアリが複雑な超生物の要素である操作単位としてのコロニーを説明する関心のあるグループに適合させる必要があります¹¹。 Atta 属に関してこれまでに収集された報告により、実験室条件でコロニーを首尾よく収集および維持し、それらの基本的なニーズと一般的な機能を認識することができました。繁殖、コロニーの設立、摂食行動などの自然なプロセスに基づいて、さまざまな種類の巣にコロニーを長期間確立することを可能にするルーチンの実践が開発されました。ここでは、実験室で葉を切るアリを維持するための手順プロトコルについて説明し、明確な実験目的と科学的アウトリーチを備えた可能な一般的な研究を強調しています。

Protocol

1.女王のコレクション 関心のある地域のアッタ生殖期の期間を文献で検索します。婚姻便の繁殖期の発生、頻度、日中の時刻は、地域の気候条件によって異なります(表1)。通常は春に行われますが、この情報は、収集が行われる予定の場所について収集する必要があります37、38、39、40、41?…

Representative Results

アリの収集プロセスを示すフローチャートを 図6に示します。ここでは、上記の収集、保守、およびネスト設定のプロトコルを使用して得られたいくつかの結果が示されています。 図6:葉切りアリのコロニーの収集のフロー?…

Discussion

葉を切るアリのコロニーを維持するためにここで説明するプロトコルは、断定的かつ複製可能な方法で30年以上にわたって開発および適用されてきました。それは野外条件によって制限されるであろう研究の発展を可能にしました。これにより、健康なアリとコロニーは、個体およびコロニーレベルでの比較形態学、毒物学51,52、組織学⁵³、微生物学^54,55,56<s…

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)