The coevolution of fungus-ant agriculture | Science

世界上一些最伟大的园丁身长仅几毫米。例如，美洲的切叶蚁会切下叶片，将其搬运回巢穴，并将新鲜的绿叶喂给真菌，这些蚂蚁在它们的群落内专门控制气候的室内小心照料着这些真菌。就像人类不能吃我们喂给牲畜的干草一样，蚂蚁不能吃叶子——只能吃在上面茁壮成长的真菌。

如今有数百种蚂蚁物种养殖真菌，对蚂蚁进化的研究表明，这种适应可以追溯到数千万年以前。现在，科学家们通过引入真菌家族树进一步明确了这一画面。今天在《科学》杂志上，他们确定了这一合作关系起源的日期，并提出了一个令人惊讶的催化剂：6600万年前导致恐龙灭绝的小行星撞击。

这个“非常令人印象深刻”的项目基于数十年的田野调查和基因组数据，弗赖堡大学的昆虫学家和进化生物学家彼得·比德曼（未参与该研究）表示。

自从150年前首次描述蚂蚁的真菌园以来，昆虫学家已经发现了247种照料它们并依赖这种真菌作物生存的蚂蚁物种。研究人员推测，这些蚂蚁源自一个共同的祖先，后来进化成培育不同类型真菌的不同物种。但是，与蚂蚁相比，真菌家族树或系统发育树不那么精确和完整，史密森尼学会的研究昆虫学家特德·舒尔茨称这是“蚂蚁-真菌农业界最明显的问题之一”。结果就是关于蚂蚁和真菌如何以及何时成为伙伴的不完整的画面。

一个挑战是研究人员缺乏针对真菌的特定DNA探针来检查真菌基因组并解读它们之间的关系。舒尔茨说，研究进展缓慢的另一个原因是科学家缺乏足够的蚂蚁栽培真菌的自由生活亲缘样本。

现在，他和他的同事们转向了近期在真菌遗传分析方面的进展，挖掘了475种真菌的基因组——大多数但不是全部由蚂蚁栽培——并追溯其错综复杂的家族树的根源。团队还创建了276种蚂蚁物种的互补系统发育树。舒尔茨说，这些物种代表了30多年的田野收集成果。团队使用蚂蚁和真菌化石记录校准了系统发育树，以确定每个分支的年龄。

手持两棵已确定日期的树，团队在已知的蚂蚁-真菌配对之间绘制了联系，并制定了它们进化中关键事件的时间表。令舒尔茨惊讶的是，两个家族树中都出现了匹配的日期。

涉及农业的蚂蚁和真菌分类群都在大约6600万年前出现，这与导致非鸟恐龙和许多其他物种灭绝的大型小行星撞击事件相吻合。那次灾难性的影响产生了持续数月甚至数年的碎片云，关闭了全球的光合作用。这对大多数生物来说是一场灾难，包括植物和以植物为食的动物——但并非所有生物。舒尔茨说：“分解植物材料的真菌迎来了黄金时代。”

研究人员提出，已经与真菌建立了松散关系的蚂蚁准备利用这一新丰富的食物来源。比德曼说：“当植物稀缺而真菌丰富时，农业的发展是有道理的。”舒尔茨说：“全面的农业很可能是相当迅速地出现的。”

事实上，真菌系统发育树表明，这一创新不是一次性地出现，而是在灾难之后出现了两次。随着真菌的两个起源，这种互利关系“比我们想象的要复杂”，未参与这项研究的圣保罗大学动物学博物馆的分类学家和系统学家加布里埃拉·卡马乔说。

最初的几百万年里，蚂蚁照料的真菌种类也在野外发现。然后，大约2700万年前，一部分蚂蚁完全驯化了它们的真菌栽培品种，就像人类对我们的大部分主食所做的那样，这些主食现在已经远离了它们的野生根源。完全驯化的真菌包括Leucoagaricus gongylophorus，这是叶切蚁最喜欢用于其特殊、高度营养的果实体的物种。

驯化的开始对应于一个全球降温时期，当时南美洲的干旱造成了大片干燥的草原，取代了之前湿润的森林景观。随着养真菌的蚂蚁适应了更干燥的条件，它们可能将它们的真菌带入了新的栖息地。“这导致了真菌与其基因池失去联系，并触发了驯化，基本上是完全依赖于它们的蚂蚁农夫，”舒尔茨说。

团队无法证明小行星撞击最初激发了这种互利关系。但是，从两组不同的数据中出现相同的“美丽模式”增加了对这个起源场景的信心，卡马乔说。这个故事将两个群体的进化联系到了同一时期的生态动荡上，其影响我们今天仍然可以看到，她说。“这是一个很棒的故事。”