中国のBGIリサーチの科学者が率いる国際研究グループは、単一細胞技術を使ってアリの脳を研究し、アリのコロニー内での社会的分業が、細胞レベルでの脳の機能特化に反映されていることを初めて明らかにした。2022年6月16日にNature Ecology & Evolutionに掲載された研究「アリの超生物における分業の神経基盤を追跡する単一細胞トランスクリプトームアトラス（A Single-Cell Transcriptomic Atlas Tracking the Neural Basis of Division of Labour in an Ant Superorganism）」では、BGIグループのBGIリサーチ、中国科学アカデミー昆明動物学研究所, コペンハーゲン大学などの研究者が、BGIのDNBeLab単一細胞ライブラリプラットフォームを応用し、ファラオアリの脳から20万以上の単一核トランスクリプトームを取得し、労働者、雄、雌（処女女王）、女王というこの種のアリのすべての成体表現型を網羅する単一細胞トランスクリプトームマップを構築した。
アリは1億4千万年以上前から存在する地球上で最も成功した生物の一つだ。アリのバイオマス（推定個体数に平均体重をかけたもの）は、ヒトのバイオマスに匹敵すると言われている。アリの成功は、一般に、生殖分業が明確で、社会的行動が顕著であることに起因すると考えられている。アリのコロニーは、1世紀以上にわたって超生物として概念化されてきた。今回、単一細胞技術を駆使して、アリの脳の細胞の複雑さを系統的に明らかにし、同じコロニー内の個体間の脳細胞の組成の違いを評価することに成功した。
この論文の筆頭著者であるBGIリサーチのカイヨ・リ博士は、「今回の発見は、アリの脳の機能特化が、個々のアリの社会的タスクの分担を支えるメカニズムであることを示唆している。我々人間は、様々な仕事をするために学習し訓練するが、アリは生まれながらにしてコロニーでの特定の役割を担っている。」と述べている。
研究チームは、働きアリと雄アリの脳が極めて特殊化し、高度に補完し合っていることを突き止めた。働きアリでは、学習・記憶や嗅覚情報の処理を担う神経細胞が特に多く、視覚情報の処理を担う視蓋細胞は非常に少ない。一方、雄アリの脳では、視蓋細胞は豊富だが、嗅覚処理、学習・記憶を担うニューロンが少ないという逆転現象が起きている。
中国科学院昆明動物研究所の研究員で論文の共同執筆者であるウェイウェイ・リウ博士は、「これらの発見は、ファラオアリの働きアリが多目的脳を必要とするすべてのコロニー維持作業を担当し、オスは処女の女王を探して授精することだけが機能し、コロニー維持作業には一切参加しないという研究室の観察をよく支持している」と述べている。
また、交尾後に女王になる雌の脳には大きな変化があることも確認された。例えば、視蓋細胞は巣の暗さに適応するにつれて減少し、ドーパミン作動性ニューロンと被殻グリアは増加した。
「これは、アリのコロニーにおける社会的役割のすべてを網羅した初めてのシングルセルアトラスだ。この成果は、低コストで高感度・高精度の超並列シングルセルプロファイリング技術の開発によるものだ」と、BGIリサーチの共同研究者であるリウ・チュアンユ博士は述べている。
また、ファラオアリとショウジョウバエの脳細胞を比較したところ、昆虫の脳には保存された細胞タイプが多く存在することも判明した。例えば、ショウジョウバエの視蓋細胞は求愛中に物体の動きを感知する役割を担っているが、アリにも存在し、特にオスに多く存在することがわかった。これらの細胞の分子的特徴や空間的位置は、遠縁の2つの昆虫で非常によく似ていることから、これらの細胞は、社会性に関係なく昆虫のオスの交尾行動を制御する上で保存された役割を担っている可能性が高いことが示唆された。
浙江大学医学部進化生物学研究センターのチャン・グォジェ教授は、「この研究は、アリの脳の複雑さと、脳が補完的に特化することでコロニー内のアリが超組織体として機能することを理解するのに役立つ。アリのコロニー全体が、生殖、子育て、採餌、防衛などあらゆる機能を発揮できるように、異なるカーストや性別の脳が異なる方向に特化し、互いに補完し合っているのだ。この超組織的な生命戦略により、アリは1億4千万年にわたる競争の末に繁栄し、ついには地球上で高度に支配的な動物集団となったのだ。」と述べている。
BGIグループについて
BGIグループは、ライフサイエンスのパイオニアとして、100以上の国や地域で研究・生産・応用事業を展開する世界有数のバイオテクノロジー企業だ。BGIグループは、画期的な科学の発見、微生物学と生物多様性に関する革新的な研究、ウイルスや病気を追跡する診断検査サービス、大規模な遺伝子配列決定のための次世代技術の開発、新しい空間オミクス技術Stereo-seqなどを手がけている。BGIは、2021年のNature Indexにおいて、ライフサイエンス分野の高品質な科学研究論文でアジア太平洋地域第1位、企業では世界第10位にランクされた。
[News release] [Nature Ecology & Evolution article]
