Un cas de clonatge transespecífic en la formiga xenòpara ‘Messor ibericus’

Yannick Juvé fa la tesi doctoral a l’Institut de Cièncias de l’Evolucion de Montpelhièr (ISEM) sobre la prevalença de l’híbridogènesi en els formícids, en el marc de l’Equip de Filogènia i Evolució Molecular de Jonathan Romiguier. En un article a la revista Nature, Juvé et al. ens expliquen un exemple de clonació transespecífica obligada en una espècie de formiga, Messor ibericus. Les reines d’aquesta espècie són mares per partenogènesi de mascles de dues espècies diferents. Diuen que es tracta d’una clonació obligada perquè en aquesta espècie, per tal de tancar el seu cicle vital, les femelles fèrtils han de clonar mascles d’una altra espècie ja que en necessiten l’esperma per tal de produir la casta de les obreres. Així doncs, mascles nascuts de la mateixa manera mostren genomes i morfologies diferenciades: al capdavall pertanyen a dues espècies que van divergir fa més de 5 milions d’anys. Juvé et al. interpreten la història evolutiva d’aquest sistema com un cas de parasitisme sexual que derivà en un cas natural de clonatge trans-específic. El resultat fou el manteniment d’un llinatge exclusivament masculí clonat a través d’ous d’una espècie diferent. Juvé et al. defineixen aquest mode reproductiu com a xenoparisme, en el sentit que generen una altra espècie com a part del cicle vital.

Yuvé et al. expliquen com la formiga reina ‘Messor ibericus’ produeix per partenogènesi mascles de dues espècies diferents: els mascles de ‘M. ibericus’ seran els pares de les noves reines i els mascles de ‘M. structor’ ho seran de les noves obreres.

Formigues xenòpares

El mode de reproducció biològica més senzill és el de la clonalitat, amb una descendència genèticament idèntica al progenitor. Les espècies de reproducció sexual s’aparten d’aquest model quan requereixen la interacció de mascles i femelles. Això implica en les espècies de sexes separats o dioiques, l’existència de dos morfs diferents en la mateixa espècie: el mascle i la femella. En algunes espècies hi ha més de dos morfs, ja que les femelles produeixen diferents morfs segon les condicions estacionals, la densitat de població o la casta social. Tot i amb tot, aquests morfs diferents continuen pertanyent a la mateixa espècie… excepte en Messor ibericus. Efectivament, en Messor ibericus les femelles produeixen individus de dues espècies diferents.

La classificació específica del gènere Messor no és fàcil. Les hibridacions entre espècies són habituals. Juvé et al. combinen en aquest estudi treball de camp, anàlisi de genòmica de poblacions i experiments de laboratori. És així com han demostrat que les femelles de M. ibericus clonen mascles de M. structor, l’esperma dels quals és el que farà la fecundació necessària per a produir la casta obrera de M. ibericus. Juvé et al. ho interpreten com un procés d’explotació de gàmetes d’una altra espècie.

Quan la reina depèn de l’esperma d’una altra espècie

Les anàlisis de genètica de poblacions indiquen que les reines de M. ibericus són incapaces de produir obreres sense aparellar-se prèviament amb mascles d’una altra espècie. Juvé ho demostren a partir de l’anàlisi genòmica de 390 individus de cinc espècies europees del gènere Messor.

En les formigues, el genoma de les femelles (reines o obreres) és diploide, mentre que el genoma dels mascles és haploide. Hom espera que les reines i les obreres d’una mateixa espècie siguin genèticament similars. Aquest no és el cas de M. ibericus: els genomes analitzats d’obreres d’aquesta espècie (un total de 164) mostren un nivell d’heterozigositat 15 vegades superior al de les reines de la seva mateixa espècie o al de les obreres de les altres quatre espècies analitzades (un total de 127 genomes). Si les primeres tenen una heterozigositat de 0,797 en 43.084 llocs polimòrfics, les segones en tenen tan sols un 0,047.

Un nivell tan elevat d’heterozigositat en les obreres de M. ibericus suggereix que són híbrids. Aquest nivell d’hibridació no té conseqüències pràctiques en el sentit que la casta obrera no es reprodueix.

Juvé et al. realitzaren una anàlisi adreçat a la detecció d’híbrids de primera generació: totes les obreres de M. ibericus analitzades ho serien. També ho seria una obrera de Messor ponticus, però la resta d’individus analitzats no serien híbrids.

L’anàlisi filogenètica del genoma mitocondrial informa de l’origen matern de les formigues, ja que com passa en la majora d’animals els mitocondris són d’herència exclusivament materna. Les obreres de M. ibericus comparteixen el mateix genoma mitocondrial que els individus sexuals de M. ibericus.

La identificació del llinatge patern és una mica més complexa, però es pot fer a través de l’anàlisi filogenètica de l’ADN nuclear separant-hi al·lels materns i paterns dels genomes híbrids. Aquesta anàlisi indicaria que les 164 obreres analitzades de M. ibericus tenen una ascendència paterna en M. structor.

L’anàlisi d’estructura de població sobre 5.856 gens (amb 44.191 variants) indica que les obreres de colònies de M. ibericus tenen una ascendència del 49% en M. ibericus i del 51% en M. structor.

Tot plegat indica que M. ibericus depèn de la hibridació per a la producció d’obreres. Això s’ha observat típicament en casos de ‘parasitisme espermàtic’, en els quals les reines exploten esperma d’un altre llinatge o d’una altra espècie per produir obreres. En el cas de M. ibericus hi hauria una dependència de mascles de M. structor, que és una espècie ben diferenciada. A més, les dues espècies no comparteixen la mateixa àrea de distribució, excepte per una zona de superposició. A l’Europa meridional les colònies de M. ibericus presenten obreres híbrides, però en aquestes regions no hi ha presència de M. structor. Per exemple, a Sicília, on hi ha obreres híbrides, la presència més propera de M. structor es troba a més de mil quilòmetres.

Les reines de M. ibericus produeixen mascles de dues espècies

Juvé et al. decidiren examinar els mascles de colònies de M. ibericus. Les anàlisis morfològiques i moleculars mostraven que eren les pròpies reines de M. ibericus les que posen els ous d’on sortiran els mascles de M. structor que necessiten per a la producció d’obreres.

Una mostra de 132 mascles de 26 colònies de M. ibericus permetia veure-hi un profund dimorfisme: el 44% dels mascles tenia una pilositat densa i el 56% eren pràcticament glabres.

Una anàlisi filogenètica de 62 mascles pilosos i de 24 mascles glabres mostrava que els dos morfs pertanyien a espècies diferents. Tot el grup de mascles pilosos pertany a M. ibericus. Tot el grup de mascles glabres pertany a M. structor. Això és ben notable ja que la genòmica comparada avalua en més de 5 milions d’anys la separacions dels llinatges que conduïren a una i altra espècie.

L’anàlisi de genoma mitocondrial de 24 mascles indica que tant els glabres de M. structor com els pilosos de M. ibericus comparteixen la mateixa descendència materna. L’anàlisi de genoma mitocondrial de 53 individus de colònies de M. structor produeix un resultat ben diferent. Així doncs, els mascles de M. structor de colònies de M. ibericus presenten una dissociació entre el genoma nuclear de M. structor i el genoma mitocondrial de M. ibericus.

El genotipatge de 286 ous o larves de 5 colònies de laboratori de M. ibericus mostrava que un 11,5% contenia exclusivament genoma nuclear de M. structor.

Juvé et al. isolaren 16 reines de M. ibericus i genotiparen els ous que posaren durant 24 hores. Trobaren que el 9% d’aquests ous contenien exclusivament genoma nuclear de M. structor.

Juvé et al. monitoritzaren durant 18 mesos una colònia de laboratori encapçalada per una única reina de M. ibericus. Comprovaven setmanalment les cries dipositades. Entre set ous que desenvoluparen adults reproductius, trobaren que dos eren mascles glabres i tres eren mascles pilosos. Les anàlisis genòmiques confirmaren que els glabres eren M. structor i els pilosos eren M. ibericus. El genoma complet de la reina d’aquesta colònia (ORT3Q1) era completament de M. ibericus.

En una altra colònia monitoritzada durant 19 mesos, s’observà el naixement de dos mascles, un de cada espècie.

En els himenòpters, els mascles hereten típicament el genoma nuclear de la mare, en haver-se desenvolupat a partir d’ous no-fertilitzats (partenogènesi). Ara bé, els resultats de Juvé et al. indicaven que les reines podien produir mascles sense transmetre’ls el genoma nuclear (però sí el mitocondrial).

Juvé et al. pensaren que es podia tractar d’un cas d’androgènesi, és a dir de clonalitat masculina, en el qual un mascle és l’única font de material genètic nuclear per a l’embrió. Teòricament l’androgènesi en formigues hauria de conduir espontàniament a la formació de mascles genèticament idèntics a l’espermatozoide fecundador de l’òvul. En aquest cas això seria possible a través d’una clonació masculina a partir d’esperma al·lospecífic emmagatzemat a l’espermateca de la reina.

Les reines de M. ibericus són poliàndriques. La seqüenciació del contingut de l’espermateca de la reina ORT3QS1 indicava la presència d’esperma tant de M. ibericus com de M. structor.

El manteniment d’un llinatge clonal de mascles

Hi ha, doncs, una combinació d’hibridació obligada per a la producció d’obreres i de clonatge trans-específic. Les reines de M. ibericus emmagatzemen esperma d’una altra espècie, i clonen en aquest esperma en els seus òvuls, traspassant-hi el seu genoma mitocondrial però no pas el genoma nuclear matern. Això seria un cas de parasitisme espermàtic que ha estat descrit en altres espècies de formigues com a facultatiu o com a obligat. Aquesta estratègia produeix obreres híbrides, i això aprofitaria el fenomen de vigor híbrid. També podria ser un mecanisme per ajustar la producció de les dues castes, sexual i obrera.

Juvé et al. contemplen dues fases en aquest procés:
- l’estat ancestral consistiria en l’explotació de l’esperma de colònies de M. structor. Això implica una coincidència geogràfica entre les dues espècies.
- l’estat derivat consistiria en la producció directa de l’espècie de la qual depenen, a través d’un llinatge clonal de mascles de M. structor. Així ja no seria necessària la coincidència geogràfica de les dues espècies.

L’anàlisi filogenètica confirma la diferenciació d’un llinatge clonal integrat per mascles de M. structor gairebé idèntics nascuts en colònies de M. ibericus i que tenen un llinatge mitocondrial de M. ibericus.

De les 164 obreres de M. ibericus analitzades n’hi ha 144 que serien filles d’aquest clon masculí de M. structor, però 20 serien filles de mascles diferents de M. structor. Això indica que l’estat ancestral encara roman actualment, però ho fa de manera restringida a la regió on coexisteixen les dues espècies, com ara a la França oriental.

Juvé et al. fan una analogia amb la domesticació: M. ibericus hauria co-optat mascles de M. structor dins del seu cicle vital, mantenint-los com a llinatge clonal, de manera que ja no li caldria aparellar-se amb mascles procedents de colònies de M. structor.

El llinatge clonal té una diversitat genètica baixa i una alta càrrega genètica. Això és típic del genoma d’animals domèstics. També ho és la morfologia característica dels mascles clonals de M. structor de colònies de M. ibericus.

L’anàlisi de 45 genomes de M. structor no identificà cap híbrid, la qual cosa suggereix que el llinatge clonal no té capacitat d’escapar a la seva situació ‘domesticada’.

Juvé et al. creuen que aquest seria el primer cas de femelles que han de clonar membres d’una altra espècie. Aquestes femelles serien xenòpares, en el sentit que necessiten produir individus d’una altra espècie com a part del llur cicle vital. La xenoparitat seria el producte de l’evolució sexual des d’un continu de parasitisme-mutualisme. Per aclarir aquestes relacions, Juvé et al. proposen investigar el mecanisme de clonació masculina. Les colònies de M. ibericus poden interpretar-se com un superorganisme integrat per dues espècies sexualment interdependents.

Entomologia:

Lligams:

- One mother for two species via obligate cross-species cloning in ants. Y. Juvé, C. Lutrat, A. Ha, A. Weyna, E. Lauroua, A. C. Afonso Silva, C. Roux, E. Schifani, C. Galkowski, C. Lebas, R. Allio, I. Stoyanov, N. Galtier, B. C. Schlick-Steiner, F. M. Steiner, D. Baas, B. Kaufmann & J. Romiguier. Nature (2025).