Сбор и длительное содержание муравьев-листорезов (Atta) в лабораторных условиях

Summary

Здесь описан протокол успешного сбора и поддержания здоровых колоний муравьев Atta (Hymenoptera: Formicidae) в лабораторных условиях. Кроме того, различные типы и конфигурации гнезд детализируются вместе с возможными экспериментальными процедурами.

Abstract

Муравьи являются одной из самых биоразнообразных групп животных на планете и населяют различные среды. Содержание колоний муравьев в контролируемых средах позволяет обогатить понимание их биологии, что может способствовать прикладным исследованиям. Эта практика обычно используется в исследованиях контроля популяции видов, которые вызывают экономические потери, таких как муравьи Атта . Чтобы культивировать свой взаимный грибок, эти муравьи-листорезы собирают листья и для этого считаются сельскохозяйственными вредителями, широко распространенными по всему американскому континенту. Они высоко социально организованы и населяют сложные подземные гнезда, состоящие из различных камер. Их поддержание в контролируемой среде зависит от распорядка дня, состоящего из нескольких процедур и частого ухода, которые описаны здесь. Он начинается со сбора маток во время репродуктивного сезона (то есть брачного полета), которые затем индивидуально переносятся в пластиковые контейнеры. Из-за высокой смертности маток второй сбор может быть проведен примерно через 6 месяцев после брачного полета, когда зарождающиеся гнезда с развитым грибком выкапывают, вручную собирают и помещают в пластиковые контейнеры. В лаборатории листья ежедневно подают в установленные колонии, а отходы, произведенные муравьями, еженедельно удаляют вместе с оставшимся сухим растительным материалом. По мере того, как грибовой сад продолжает расти, колонии переносятся в различные типы контейнеров в соответствии с экспериментальным назначением. Колонии муравьев-листорезов помещаются во взаимосвязанные контейнеры, представляющие собой организационную систему с функциональными камерами, построенными этими насекомыми в природе. Эта установка идеально подходит для мониторинга таких факторов, как количество отходов, здоровье сада грибка и поведение рабочих и королевы. Облегченный сбор данных и более подробные наблюдения считаются наибольшим преимуществом содержания колоний муравьев в контролируемых условиях.

Introduction

Муравьи составляют разнообразную группу особей, которые оказывают влияние на большинство наземных сред¹. Они действуют как эффективные диспергаторы ^2,3,4, хищники⁵ и экосистемные инженеры ^6,7,8,9,10, подчеркивая их важность и экологический успех в природных экосистемах. Все виды муравьев классифицируются как эусоциальные насекомые; однако их социальная организация сильно варьируется между различными видовыми группами, т. е. системы разделения труда, функциональные группы, общение между индивидуумами, организация кормов, основание колонии и процесс воспроизводства¹¹. Как высоко диверсифицированная группа, они прибегают к нескольким пищевым ресурсам и специализированному пищевому поведению. По сути, сельское хозяйство было не только огромным шагом для человеческой цивилизации, но и для видов муравьев. Примерно от 55 до 65 млн лет назад^{12 лет} муравьи начали культивировать грибы и включать их в почти эксклюзивную диету. Они стали настолько специализированными, что развили строгие, зависимые и обязательные взаимодействия, классифицируемые как симбиоз, когда один человек не выживает без другого.

Низшие грибообразующие муравьи собирают и обрабатывают мертвое органическое вещество, такое как фрагменты гниющего листа, чтобы вырастить свой мутуалистический гриб; в то время как более высокогрибковые муравьи собирают свежий растительный материал, составляя одну из самых успешных симбиотических природных систем¹³. Эта узкоспециализированная сельскохозяйственная техника позволила им занять новую нишу. Муравьи с более высоким аттином включают муравьев-листорезов, монофилетическую группу, которая пробуждается между 19 Ма (15-24 Ма) и 18 Ма (14-22 Ма)^14,15,16, состоящая из четырех действительных родов: Atta Fabricius, Acromyrmex Mayr, Amoimyrmex Cristiano и Pseudoatta Gallardo. Система земледелия листорезов, выполняемая муравьями-листорезами, развилась из производных систем земледелия¹⁷. Большинство из этих видов исключительно эксплуатируют вид мутуалистического гриба Leucoagaricus gongylophorus Singer¹⁸ (также называемый Leucocoprinus gongylophorus Heim¹⁹), отмечая значительный эволюционный переход¹¹. Грибковые сорта передаются вертикально, от первоначальных гнезд к потомству, предполагая, что они размножаются клонально²⁰.

Примечательно, что общества Атты разработали сложную организационную структуру, имеющую огромное значение в их среде и представляющую большой интерес для мирмекологов. Их популяция может состоять из миллионов особей, большинство из которых являются стерильными работницами, которые демонстрируют подчеркнутый полиморфизм, то есть различный размер и анатомическую морфологию. Популяция отличается кастами по возрасту, физиологическому состоянию, морфологическому типу, поведению и специализированной деятельности в колонии²¹. Рабочие могут быть дискриминированы на садовников и медсестер, универсалов внутри гнезда, собирателей и экскаваторов, а также защитников или солдат²¹. Эта организация позволяет выполнять задачи в сотрудничестве и самоорганизующейся системе, которая может производить высокоструктурированное коллективное поведение, позволяя им эффективно реагировать на нарушения окружающей среды²².

Роль обновления популяции играет одна королева (т. е. моногинная), до тех пор, пока она жива, составляя постоянную репродуктивную касту²². Известно, что королевы атты живут более 20 лет, откладывая яйца на протяжении всей своей жизни²³. Поскольку королева незаменима, ее выносливость имеет решающее значение для выживания колонии 13,20,23,24. Тем не менее, тысячи крылатых репродуктивных самок и самцов могут быть найдены в гнезде во время сезонов размножения, но ни один из них не остается в первоначальном гнезде, образуя временную касту²². В колониях atta sexdens ^{производится} около 3000 репродуктивных самок и 14 000 репродуктивных самцов. Это происходит, когда колония достигает половой зрелости, примерно через 38 месяцев после ее реализации, и повторяется ежегодно с тех пор, пока она не исчезнет^23,25. Новые колонии атты создаются путем гаплометроза, когда одна королева начинает новое гнездо.

Когда условия окружающей среды благоприятны, размножатели покидают подземное гнездо, чтобы начать брачный полет. Период его возникновения различается по регионам, начиная по годам по всей территории Бразилии в зависимости от вида. Однако этому событию, по-видимому, предшествуют осадки и высота влажности²⁶, что может быть связано с облегчением раскопок из-за влажности почвы²². Часто, за 1-5 недель до брачного полета, входы и каналы гнезда расширяются, чтобы облегчить уход репродуктивных особей. Прежде чем покинуть свои материнские колонии, крылатые самки собирают и хранят в инфрабуккальной полости часть мутуалистического гриба^20,27. Множественные совокупления выполняются в середине полета, и подсчитано, что одна матка может быть осеменена тремя-восемью самцами (т. е. полиандриями) у некоторых видов²⁸, обеспечивая генетическую изменчивость²⁹. После этого матки переходят в почву, отдавая предпочтение местам с отсутствием или небольшим количеством растительности²⁵, где они удаляют свои крылья и выкапывают свою первую гнездовую камеру. Это единственный период, когда маток можно увидеть за пределами гнезда. Хотя особи временной касты были замечены в искусственных гнездах, неизвестно, было ли выполнено какое-либо успешное совокупление (т.е. брачный полет) в лабораторных условиях²⁴.

Первоначальное строительство гнезда соответствует наиболее критическому периоду колонии, который может длиться от 6 ч до 8 ч^23,25. В этот момент королева обитает в начальной камере, и в считанные дни начинается яйцекладка. Первые яйца скармливаются мицелиалу, который отрыгивает королева, отмечая начало грибкового сада колонии. Первые личинки появляются примерно через 25^{дней 22}, и почти в конце первого месяца колония состоит из мата размножающегося гриба, где гнездятся незрелые (яйца, личинки и куколки), и королевы, которая воспитывает свое первоначальное потомство в изоляции²³. Яйца также являются пищевым ресурсом первых личинок и сильно потребляются маткой¹³. Кроме того, королева поддерживает себя жировыми запасами тела и катаболизирует мышцы крыльев, которые больше не используются¹³. Первоначальная культура гриба не потребляется, так как выживание колонии зависит от ее развития, и в этот период матка оплодотворяет ее фекальной жидкостью¹³. Через несколько дней после появления первые рабочие открывают вход в гнездо и начинают кормовую деятельность в непосредственной близости от гнезда¹³. Они включают в себя материал, собранный в качестве субстрата грибного сада, который в настоящее время служит пищей для^{рабочих 13,22}. Перед добавлением в культуру гриба растительный материал, переносимый рабочими, разрезается на крошечные кусочки и смачивается фекальной жидкостью¹³. Муравьи манипулируют грибком inoculum для увеличения и контроля его роста, который будет служить для разделения больших почвенных выкопанных камер, специализирующихся на кондиционировании сада 13,22,25.

Примерно через 6 месяцев после брачного перелета гнезда A. sexdens содержат грибковую камеру и несколько каналов. Большая специализация в строительстве муравьиных гнезд листорезов работает как защитный механизм от естественных врагов и неблагоприятных факторов окружающей среды²². Известно, что муравьи-листорезы фрагментируют грибной сад и переносят его в камеры с высокой влажностью, когда камеры начинают высыхать¹³. Таким образом, несмотря на то, что раскопки гнезда имеют значительные энергетические затраты, вложенная энергия обращена вспять в пользу самой колонии²². За некоторыми исключениями, виды Atta также делают специализированные камеры для отходов колонии, сделанные в основном из истощенного грибного субстрата и тел мертвых муравьев, изолируя его от остальной части гнезда и устанавливая важную стратегию социального иммунитета³⁰. Кроме того, отдельная группа рабочих манипулирует мусором напрямую, чтобы избежать заражения другими людьми. Рабочие постоянно кормятся, чтобы вырастить грибок, который является основным питательным ресурсом колонии. Тем не менее, они могут питаться соком растений, а также при обрезке фрагментов. Растительный материал тщательно отбирается для ухода за грибом сада и под влиянием многих факторов, таких как черты листьев и свойства экосистемы¹³.

Стратегия кормления муравьев-листоносцев для получения свежего материала является весьма сложной и в сочетании с высоким спросом на урожай в устоявшихся колониях приводит к значительным экономическим потерям для сельскохозяйственных производителей и ставит под угрозу лесные восстановительные районы^22,31. Таким образом, эти муравьи могут быть классифицированы как вредители в большинстве районов, где они могут встречаться, начиная от юга Соединенных Штатов до северо-восточной Аргентины ^11,13,22,32. Уничтожение проблемных колоний является сложной задачей из-за ряда адаптаций, присущих биологии этих насекомых (т.е. социальная организация, кормление, выращивание грибов, гигиена и сложные структуры гнезд)³³. Таким образом, стратегии борьбы с популяцией отличаются от тех, которые обычно применяются к другим насекомым-вредителям, и в основном прибегают к привлекательным предложениям загрязненных приманок^33,34. Однако, поскольку эти муравьи могут отторгать вредные вещества как для гриба, так и для особей колонии и компрометировать обрабатываемые поля³³, новые природные соединения и альтернативы контроля постоянно тестируются 33,35,36. Поскольку результаты эксперимента вряд ли можно контролировать на проверенных в полевых условиях колониях, предварительные эссе проводятся в контролируемой среде.

Таким образом, экспериментальные протоколы должны быть адаптированы к группам интересов, учитывающим неоднородный образ жизни муравьев, поддерживающий исследования на видовом уровне и учитывающий колонии как операционные единицы, где один муравей является элементом сложного суперорганизма¹¹. Собранные до сих пор отчеты о роде Atta позволили успешно собирать и поддерживать колонии в лабораторных условиях и признавать их основные потребности и общее функционирование. Основываясь на их естественных процессах, таких как размножение, создание колоний и пищевое поведение, была разработана рутина практик, которая позволяет долгосрочно создавать колонии в различных типах гнезд. Здесь описан процедурный протокол для поддержания муравьев-листорезов в лаборатории и освещает возможные общие исследования с четкими экспериментальными целями и научной пропагандой.

Protocol

1. Коллекция маток Поиск в литературе по периоду репродуктивного сезона Атты в интересующем регионе. Возникновение репродуктивного сезона, частота и время суток брачных перелетов варьируются в зависимости от региональных климатических условий (табл. 1). Хот…

Representative Results

Блок-схема, изображающая процесс сбора муравьев, показана на рисунке 6. Здесь показаны некоторые результаты, полученные с использованием протокола сбора, обслуживания и установки гнезда, описанного выше. <img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ft…

Discussion

Протокол, описанный здесь для поддержания колоний муравьев-листоносцев, был разработан и применяется более трех десятилетий напористым и воспроизводимым способом. Это позволило развивать исследования, которые были бы ограничены полевыми условиями. Таким образом, здоровые муравьи и к…

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)