虽然气味在人类的社会交往中起着相当大的作用，例如，发出恐惧的信号或产生亲密感，但对蚂蚁来说，它是至关重要的。纽约大学和佛罗里达大学的研究人员发现，一种名为Orco的关键蛋白质对蚂蚁嗅觉细胞的功能至关重要，对细胞的存活也至关重要。
他们的研究表明，突变Harpegnathos saltator跳蚁的orco基因会显著减少嗅觉神经元的数量，这表明orco对这些细胞的发育和生命是必要的。发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的这一发现，为研究动物社交的细胞和分子基础提供了洞见。
蚂蚁已经进化出了大约400个嗅觉感受器——这个数字比大多数其他昆虫更接近人类——这要归功于它们使用信息素进行交流。
佛罗里达大学生物学助理教授、该研究的资深作者华燕解释说:“蚂蚁和人类一样，是高度社会化的，表现出合作的社会行为，因此为研究感官介导的社会行为提供了一个理想的系统。”“扩展的气味受体基因允许蚂蚁在一个拥有数百、数千或多达100万个体的大社会中相互‘交谈’。”
即使对于依靠其他感官进行交流的人类来说，嗅觉也是必不可少的。
“嗅觉受体神经元功能的丧失导致嗅觉缺陷，通常与社会隔离、精神分裂症等神经系统疾病和自闭症等社交障碍有关，”严补充说。
为了更好地了解蚂蚁的嗅觉如何影响它们的社会互动，纽约大学的研究人员此前通过使用CRISPR编辑orco基因创造了第一批基因工程蚂蚁。这些“突变”的蚂蚁缺乏Orco蛋白，它们的嗅觉器官发生了变化，难以相互作用。
“我们发现触角——蚂蚁的‘鼻子’——只有很少的细胞。它们几乎是空的，这表明嗅觉细胞在突变的蚂蚁身上缺失了。”
在他们发表在《科学进展》上的新研究中，研究人员使用蚂蚁触角的单核基因表达谱和荧光显微镜来分析嗅觉细胞的发育。研究表明，缺乏Orco的突变昆虫在成年前失去了大部分嗅觉神经元。
Sieriebriennikov说:“这些细胞似乎是正常制造的，它们开始发育、生长、改变形状，并开启它们以后需要的某些基因，比如气味受体。”“一旦发育中的细胞开启气味受体，它们很快就会开始大量死亡。”
这种神经元死亡可能是由于压力。由于突变蚂蚁的气味受体无法与Orco形成复合物，从而无法到达细胞膜，新形成的受体会堵塞细胞器，导致压力和死亡。
这种神经元死亡也可能显示出群居昆虫特有的模式。“到目前为止，这些独特的过程还没有在独居的昆虫身上发现，这可能为神经发育进化提供了重要的证据，以适应气味受体基因的扩展，”佛罗里达大学的博士候选人、该研究的第一作者之一凯莉·西贝尔(Kayli Sieber)说。
有趣的是，即使没有Orco，一些气味受体也能存活下来。它们所在的细胞还表达了其他类型的受体，这表明它们促进的活动对神经元发育至关重要。
“一些神经元必须周期性地‘放电’才能正常发育。没有Orco，嗅觉细胞就不能‘激活’并完成发育，导致它们死亡。”
研究人员还发现，一些气味受体存在于非嗅觉细胞中，比如检测运动的机械感觉神经元和包裹神经元并帮助它们发挥功能的神经胶质。这可能是由于基因调节的不完善，导致气味受体被附近的基因组区域意外激活，而这些基因组区域通常在其他细胞中调节其他基因。或者，受体可能在这些细胞中具有新的功能，就像秀丽隐杆线虫或人类精子的神经胶质中发现的气味受体一样。
Sieriebriennikov说:“打开没有嗅觉的细胞中的气味受体基因对生物体来说可能是完全无用的，但是，进化倾向于利用这些错误来赋予现有基因新的功能，所以也许我们将来会发现，在没有嗅觉的细胞中，气味受体会有一些令人兴奋的新作用。”
“我们的发现增强了我们对群居昆虫感官系统的理解，包括嗅觉神经的发育，它为社会交流建立了框架，”严说。
其他研究作者包括Olena Kolumba, Jakub Mlejnek和Shadi Jafari。本研究得到了美国国立卫生研究院(R01-DC020203, T32-DC015994)、国家科学基金节肢动物管理技术产学研合作研究中心(#IIP1821914)和人类前沿科学计划(LT000010/2020-L)的支持。
