誘騙工蟻「暗殺蟻后」的紅火蟻防治奇招

誘騙工蟻「暗殺蟻后」的紅火蟻防治奇招
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王忠信副研究員積極尋找超級基因上面、決定蟻后氣味以及工蟻辨識氣味的關鍵基因,希望能開發出更有效的防治餌藥,誘騙工蟻暗殺自己的蟻后。

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採訪編輯:歐宇甜
美術編輯:林洵安

入侵紅火蟻的超級基因

入侵紅火蟻(以下簡稱紅火蟻)個性兇殘,防治困難,許多遭到入侵的國家皆很頭痛,包括台灣。中研院生物多樣性研究中心的王忠信副研究員,多年來持續研究紅火蟻,發現紅火蟻的社群行為,是由600多個基因鎖在一起的「超級基因」所調控。近年來,他積極尋找超級基因上面、決定蟻后氣味以及工蟻辨識氣味的關鍵基因,希望能開發出更有效的防治餌藥,誘騙工蟻暗殺自己的蟻后。

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圖片來源│王忠信
入侵紅火蟻(以下簡稱紅火蟻)原產在溫暖、潮溼的南美,1920年代傳入美國,擴散到全美各地,再透過進出口貨物、盆栽泥土傳播,從美國擴散到澳洲、中國、日本、韓國、台灣等地。(圖片來源│王忠信)
天生脾氣暴、不好惹

入侵紅火蟻有多恐怖?

紅火蟻的食性雜,什麼都吃,像是死掉的動物、昆蟲,地面鳥巢中不會飛的幼鳥。連蜥蜴、烏龜等靠近巢穴,紅火蟻也會發動攻擊,把動物咬得奄奄一息。只要有紅火蟻侵入的地區,其他生物幾乎無法存活,造成生態浩劫。

紅火蟻還有毒。雖然許多螞蟻都是自備毒液的狠角色,但大多數個性溫和、攻擊性低,一旦被人踩到,立刻四處逃竄。紅火蟻侵略性非常強。誰敢侵門踏戶,立刻傾巢而出,發動恐怖攻擊。

連人類也難擋紅火蟻的恐攻,紅火蟻會吃農作物的果實、根莖,還會捕食泥土中的蚯蚓,造成嚴重的農業損失。

氣得想一腳踩死?哼哼,紅火蟻立刻順著人腿往上爬,用大顎咬住皮膚,再用腹部螫針注入毒液蛋白。人被咬到立刻有像火燒灼熱的疼痛感(所以稱為紅火蟻),少數過敏嚴重的人會休克,甚至死亡。

現有餌劑效果不佳

2003年,台灣發表境內存在入侵紅火蟻,危害範圍主要在桃園,隨著每年的婚飛、繁殖,領域漸漸往外擴展,新北市、松山機場等地也有災情。

目前台灣的防治策略是採熱點控制(hotspot control),當有人發現巢穴並通報,負責人員會前往施打餌劑。

不過,目前餌劑只能防除85~95%的入侵紅火蟻的族群,主要原因可能是:餌劑是用藥和去油脂玉米顆粒、大豆油混合,一旦不新鮮了、受潮了,就會降低對螞蟻的吸引力,偏偏台灣天氣又很潮濕。另外,觸殺型藥劑可能傷害其他昆蟲,只建議小範圍使用,因此效果有限。

另外,還有灌入低溫液態氮、凍死紅火蟻,或灌入熱水、燙死牠們,但這兩種比較麻煩又有危險……

中研院王忠信副研究員提出新解方:從紅火蟻的社群行為和基因組下手。
單蟻后 vs. 多蟻后

大部分的螞蟻巢穴中不是單蟻后(巢中只有一隻蟻后),就是多蟻后(巢中有多隻蟻后),只有5~10%的螞蟻同時具有單蟻后和多蟻后巢穴,紅火蟻就是其中之一。

有趣的是,當單蟻后巢的工蟻發現外來的單蟻后或多蟻后,統統格殺勿論。但多蟻后巢的工蟻似乎比較「包容」,牠們會殺死單蟻后巢的蟻后,但會接納其他多蟻后巢的蟻后。

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資料來源│王忠信,圖說設計│黃曉君、林洵安
資料來源│王忠信,圖說設計│黃曉君、林洵安

工蟻怎麼認出自己的「母后」?答案:氣味。

美國科學家曾做過實驗,把多蟻后巢的工蟻,分別與多蟻后的蟻后、單蟻后的蟻后摩擦,再放回工蟻原本的多蟻后巢穴。

結果發現,與多蟻后巢的蟻后摩擦的工蟻,可被同伴接受,但與單蟻后巢的蟻后摩擦的,會遭到同伴攻擊,證實蟻后氣味的轉移會引發工蟻辨識行為的混亂。

王忠信靈機一動:擒賊先擒王,想要有效防治紅火蟻,可以誘騙工蟻殺死自己的蟻后,即可輕鬆瓦解整個蟻群。方法是:找出紅火蟻身上控制氣味和嗅覺的關鍵基因,以此設計餌劑,改變蟻后的氣味或誤導工蟻的嗅覺。

但關鍵基因上哪找?這就要說到王忠信在2013年的重大發現:紅火蟻的超級基因(supergene)與社群染色體(social chromosome)。

找到紅火蟻超級基因

科學家很早就知道,紅火蟻的單、多蟻后巢受到一組B、b基因所控制。不過,單蟻后或多蟻后巢,不光是蟻后的數量和氣味不同,還有許多特徵和行為差異。

比方說:單蟻后的處女蟻后腹部脂肪較肥厚,當其另立門戶,會用大量的脂肪餵養首批工蟻,而工蟻的侵略性也比較強;相反地,多蟻后族群的蟻后只囤積少量脂肪,而且不自立門戶,選擇加入其他多蟻后族群……科學家認為,光是一組B、b基因不可能控制這麼多差異。

直到2013年,王忠信發現,控制紅火蟻社群行為的關鍵,是一組包括600多個基因的「超級基因」。

超級基因有多「超級」?一般減數分裂時,染色體的基因有機會互相交換,形成新的基因組合,所以「龍生九子,子子不同」。

超級基因則是被「鎖在一起」的一群基因,在減數分裂時,裡頭的基因是不能拆開、互換的。即使真的互換了,前、後的基因會重複或缺少,誕生的子代通常無法存活。換句話說,超級基因必須「整組」傳給後代,像被綁在一起的「套裝式」基因。

決定社會行為的社群染色體

而紅火蟻超級基因所在的染色體,即是「社群染色體」。紅火蟻的社群染色體有兩種:SB、Sb,超級基因位於Sb上。

因為Sb上有超級基因,SB和Sb在整體結構上很不一樣,很像人類的性染色體XY的情況。也就是說,兩種染色體的不同組合,會造成個體很大的差異,就像X跟X組合是女性,X和Y組合就變成男性。

單蟻后族群的個體,只有SB這種染色體(就像女性只有X),多蟻后族群則有兩種染色體:SB和Sb(就像男性有X和Y)。這兩種社群染色體的組合,決定了多蟻后巢和單蟻后巢截然不同的社會型態。

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資料來源│王忠信,圖說設計│黃曉君、林洵安
資料來源│王忠信,圖說設計│黃曉君、林洵安

這項發現證實了動物的社會行為與遺傳有關,也是首次發現動物社群染色體決定牠們的行為差異,對社會和演化生物學有極大的貢獻,論文於2013年1月17日獲登國際權威期刊《自然》(Nature)。

工蟻的氣味結合蛋白

找到了調控社群行為的超級基因,接下來,王忠信想知道,在這600多個基因中,哪些基因負責調控蟻后的氣味以及工蟻的嗅覺?是否能用在防治上?目前已經有一些眉目。

先從工蟻的嗅覺說起,多蟻后巢的工蟻有SBSB和SBSb兩種,單蟻后巢只有SBSB工蟻,王忠信將兩種工蟻的觸角切下來,測試基因表現。

結果發現,有種可以抓住氣味分子的蛋白質OBP12,在SBSb工蟻的RNA的表現量很高,在SBSB工蟻身上沒有,調控這個氣味分子的基因在超級基因上,那麼這種氣味分子會不會就是工蟻辨認蟻后的關鍵呢?

「下階段的實驗,就是除去這種蛋白質OBP12的基因,觀察是否會影響工蟻辨認蟻后。」王忠信說。

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資料來源│王忠信 圖說設計│黃曉君、林洵安
紅火蟻的觸角外面有一層殼,中間的神經表面有受器,可接收外界的氣味分子,形成嗅覺。但是!外殼和神經之間是液體,就像一條河,氣味分子不溶於水,不能自己「渡河」,必須由一種氣味結合蛋白OBP12抓住、保護,才能順利「游過」液體、抵達神經的受器。(資料來源│王忠信,圖說設計│黃曉君、林洵安)
多蟻后的獨家油脂

另外,他將蟻后泡入有機溶劑,將身上的油脂溶出並分析。他發現一種編號為23的油脂,在SBSb多蟻后身上量很高,在SBSB單蟻后很低。這種油脂會不會是工蟻判斷多蟻后和單蟻后的關鍵?

因為雄蟻的基因是單套的SB或Sb,他又去分析不同的雄蟻,發現Sb雄蟻身上有決定脂肪酸構造的多種蛋白質基因(可產生油脂),但在SB雄蟻表現量比Sb低,也許這就是具有Sb的多蟻后身上為什麼會有大量編號23油脂的原因。

下一步要證實:編號2的油脂是多蟻后工蟻辨認蟻后的關鍵。

他在多蟻后巢中放兩張紙片,一張是泡過多蟻后的紙片,一張是泡過單蟻后的紙片。正常情況下,多蟻后的工蟻會把泡過多蟻后紙片帶回家(因為編號23油脂量很大),將泡過單蟻后的紙片丟到巢外牠們的專屬「垃圾桶」(無編號23油脂)。

王忠信的想法是:如果泡過單蟻后的紙片添加物質23,工蟻也帶回巢,那麼編號23油脂很可能就是工蟻辨識蟻后的關鍵。

一旦確認了,只要想辦法除去多蟻后身上的這種油脂,讓工蟻聞不到,工蟻就可能殺死自己蟻后。反過來說,如果讓單蟻后身上有這種油脂,讓工蟻誤以為牠是多蟻后,也可能讓單蟻后巢的工蟻發動攻擊。

目前這些研究仍在進行,如果未來進一步突破,就可能開發成防治藥劑。例如:找出2、3個關鍵基因,製作能與工蟻辨識蟻后氣味的受器結合的藥劑,讓工蟻聞不到味道或聞錯;或是設計一種可改變蟻后氣味的藥劑,讓同巢工蟻認不出自己的蟻后。

對此,王忠信微笑著說:

但願能研發有效的藥劑消滅紅火蟻,解決惱人的防治問題,這是我的夢想。
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攝影│林洵安
中研院王忠信副研究員,是一位演化基因學家,但希望自己在實驗室的基礎研究,能夠解決現實生活的紅火蟻防治難題。(攝影│林洵安)

本文經研之有物授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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