Cet organe «inutile» détermine quelles fourmis se développent en gros soldats

Les colonies de fourmis ont développé des traits collectifs surprenants au cours des 150 millions d'années environ parcourues sur Terre. Des fourmis de feu se lient pour créer des radeaux effroyablement efficaces, par exemple, et certaines fourmis de l'armée semblent instinctivement construire des ponts de fourmis parfaitement efficaces pour la collecte de nourriture.

Ces insectes semblent également avoir la capacité de contrôler leurs populations, en maintenant un ratio défini soldats / ouvriers. Comment de tels systèmes de castes de fourmis sont-ils apparus comme un mystère pour les entomologistes, mais une étude publiée aujourd'hui dans Nature révèle que le fait qu'une fourmi devienne un soldat ou un ouvrier a à voir avec un organe longtemps considéré comme inutile: les disques à ailettes.

«Ces systèmes de castes constituent l'un des principaux phénomènes inexpliqués de l'évolution phénotypique», déclare Scott Powell, biologiste des fourmis à l'Université George Washington de Washington DC. «Cette étude identifie réellement le principal centre de contrôle sous-jacent qui produit ces castes.

Les disques d'ailes, de minuscules poches de cellules, sont destinés à devenir des ailes pour une reine, mais ils se développent dans les larves puis meurent pendant la métamorphose pour former des soldats sans ailes. L'étude montre que ces disques d'ailes rudimentaires ne sont pas si rudimentaires après tout, mais qu'ils affectent plutôt le développement des larves de fourmis.

«Le point le plus important sur ce travail est que les organes rudimentaires et les structures vestigiales, que l’on croyait depuis longtemps sans fonction, pourraient jouer un rôle important au cours du développement», déclare le biologiste du développement évolutif Ehab Abouheif de l’Université McGill, auteur principal du livre. nouvelle étude. (Avertissement: j'ai parlé avec Abouheif de ses recherches avant publication et il m'a inclus dans les remerciements du journal.)

Les larves de soldats en développement produisent de grands disques d'ailes rudimentaires, contrairement aux larves d'ouvrières. Auparavant, on pensait qu'ils mourraient simplement au cours de la métamorphose, les disques alaires ont apparemment une influence sur la croissance d'autres parties du corps.

«[Les disques d'aile] deviennent assez gros - c'est un peu surprenant», déclare Diana Wheeler, biologiste des fourmis à l'Université de l'Arizona, qui étudie la détermination de la caste des fourmis depuis les années 1980. «Ce n’est évidemment pas quelque chose dont l’évolution a simplement oublié de se débarrasser. On dirait que c'est utilisé pour quelque chose.

La fonction apparente des disques d'ailes des larves de fourmis a des implications importantes pour l'évolution de l'insecte. Les premières fourmis ont créé des colonies avec une reine ailée et une caste de travailleurs sans ailes, et par la suite, dans plusieurs lignées indépendantes, la caste de travailleurs s'est encore différenciée en subcastes. Dans Pheidole, un genre hyperdivers qui comprend plus de 1 000 espèces de fourmis, la caste des travailleurs est divisée en travailleurs mineurs et soldats. Les soldats ont une tête disproportionnée qu'ils utilisent pour la défense et le traitement des semences, tandis que les travailleurs mineurs représentent 90 à 95% de la colonie et effectuent des tâches telles que l'élevage et la recherche de couvées.

Les études de Wheeler des années 1980 ont démontré que les fourmis Pheidole peuvent réguler la proportion d'ouvriers mineurs et de soldats dans la colonie. Une des façons dont cette régulation fonctionne consiste à utiliser une phéromone inhibitrice - un hydrocarbure cuticulaire - fabriquée par les soldats, qui empêche le développement des soldats chez les larves si les soldats dépassent environ 5% de la population de la colonie.

Pour étudier la relation entre les disques de l'aile et le sous-goût du soldat, Abouheif et son équipe ont détruit un gène appelé vestigial, qui provoque la mort très tôt des cellules du disque de l'aile. Abattre les vestiges dans les larves destinées aux soldats a réduit la taille de la tête et la taille du corps des animaux, produisant des travailleurs mineurs, tandis que supprimer les vestiges chez les travailleurs mineurs ne produisait aucun effet.

L'équipe a ensuite élevé des larves destinées à des soldats avec une population adulte composée de 100% de travailleurs mineurs ou de 100% de soldats. Avec des travailleurs mineurs à 100% dans la colonie, les larves ont produit des soldats. Mais avec 100 pour cent de soldats libérant la phéromone cuticulaire hydrocarbonée, la taille du disque rudimentaire des ailes de la larve était considérablement réduite et produisait des fourmis adultes avec des têtes et des corps plus petits.

Bien sûr, le fait que des organes affectent le développement d'autres organes dans le corps n'est pas nouveau. Des expériences antérieures sur des insectes ont démontré que les ailes en développement sont en compétition pour les nutriments et les facteurs de croissance, par exemple. Les dommages causés à une aile en développement peuvent produire des signaux qui retardent le développement de l’ensemble du corps, laissant ainsi au disque le temps de récupérer afin que la croissance puisse se dérouler de manière coordonnée.

Selon le premier auteur, Rajendhran Rajakumar, ce qui frappe ici, c’est qu’au lieu d’être en concurrence, l’aile rudimentaire favorise la croissance de la tête dans le sous-décor du soldat. «C'est d'autant plus surprenant que ce tissu ne se forme pas réellement chez l'adulte. C'est rudimentaire et nous ne nous attendions vraiment pas à trouver le genre de résultats que nous avions obtenus lorsque nous l'avions perturbé », explique Rajakumar, qui travaillait dans le laboratoire d'Abouheif à l'Université McGill et qui est actuellement chercheur à Harvard.

Les fourmis contrastent avec d'autres insectes sociaux comme les abeilles et les guêpes, qui n'ont pas développé de polymorphismes d'ouvrières. Les reines et les abeilles ouvrières ont toutes des ailes, et «si vous construisez une aile qui doit voler, vous ne pouvez pas vraiment jouer avec sa croissance, alors la croissance de ces disques est très limitée», explique Abouheif. Cela peut expliquer pourquoi les abeilles ouvrières, contrairement aux fourmis, ne se sont jamais différenciées de manière évolutive en sous-groupes.

Il n’ya pas beaucoup d’exemples connus d’organes rudimentaires ou vestigiaux à la base de l’innovation évolutive. Outre les disques d'aile, l'ovaire d'un ouvrier des abeilles mellifères, aussi gros que celui d'une reine, est une autre possibilité intéressante. Pourquoi les ouvrières des abeilles mellifères ont-elles besoin d’ovaires, car elles ne se reproduiront jamais, dit Mary Jane West-Eberhard, biologiste du développement et de l’évolution du Smithsonian Tropical Research Institute.

«La question serait donc la suivante: est-il important pour le développement normal des travailleurs que l'ovaire soit présent dans la première larve?» Demande-t-elle. Seule une enquête future nous le dira.

«J'espère que ce travail amènera les gens à examiner différemment ce qu'ils pensent des organes vestigiaux et qu'ils tenteront de sonder ce qu'ils sont en train de faire, au lieu de simplement les rejeter comme des restes», explique Abouheif. «Je pense qu’ils jouent en réalité des rôles beaucoup plus importants que ce que nous avions imaginé auparavant.»