Leaf-Cutting Ants and Fungus

Leaf-Cutting Ants and Fungus

A            The ants and their agriculture have been extensively studied over the years, but the recent research has uncovered intriguing new findings about the fungus they cultivate, how they domesticated it and how they cultivate it and preserve it from pathogens. For example, the fungus farms, which the ants were thought to keep free of pathogens, turn out to be vulnerable to a devastating mold, found nowhere else but in ants’nests. To keep the mold in check, the ants long ago made a discovery that would do credit to any pharmaceutical laboratory.

B           Leaf-cutting ants and their fungus farms are a marvel of nature and perhaps the best-known example of symbiosis, the mutual dependence of two species. The ants’achievement is remarkable –the biologist Edward O. Wilson has called it “one of the major breakthroughs in animal evolution”-because it allows them to eat, courtesy of their mushroom’s digestive powers, the otherwise poisoned harvest of tropical forests whose leaves are laden with terpenoids, alkaloids and other chemicals designed to sicken browsers.

C          Fungus growing seems to have originated only once in evolution, because all gardening ants belong to a single tribe, the descendants of the first fungus farmer. There are more than 200 known species of the attine ant tribe, divided into 12 groups, or genera. The leaf-cutters use fresh vegetation; the other groups, known as the lower attines because their nests are smaller and their techniques more primitive, feed their gardens with detritus like dead leaves, insects and feces.

D            The leaf-cutters’fungus was indeed descended from a single strain, propagated clonally, or just by budding, for at least 23 million years. But the lower attine ants used different varieties of the fungus, and in one case a quite separate species, the four biologists discovered. The pure strain of fungus grown by the leaf-cutters, it seemed to Mr. Currie, resembled the monocultures of various human crops, that are very productive for a while and then succumb to some disastrous pathogen, such as the Irish potato blight. Monocultures, which lack the genetic diversity to respond to changing environmental threats, are sitting ducks for parasites. Mr. Currie felt there had to be aparasite in the antfungus system. But a century of ant research offered no support for the idea. Textbooks describe how leaf-cutter ants scrupulously weed their gardens of all foreign organisms. “People kept telling me, ‘You know the ants keep their gardens free of parasites, don’t you?’ “Mr. Currie said of his efforts to find a hidden interloper.

E         But after three years of sifting through attine ant gardens, Mr. Currie discovered they are far from free of infections. In last month’s issue of the Proceedings of the National Academy of Sciences, he and two colleagues, Dr. Mueller and David Mairoch, isolated several alien organisms, particularly a family of parasitic molds called Escovopsis.

F             Escovopsis turns out to be a highly virulent pathogen that can devastate a fungus garden in a couple of days. It blooms like a white cloud, with the garden dimly visible underneath. In a day or two the whole garden is enveloped. “Other ants won’t go near it and the ants associated with the garden just starve to death,”Dr. Rehner said. “They just seem to give up, except for those that have rescued their larvae.”The deadly mold then turns greenishbrown as it enters its spore-forming stage.

G             Evidently the ants usually manage to keep Escovopsis and other parasites undercontrol. But with any lapse in control, or if the ants are removed, Escovopsis will quickly burst forth. Although new leaf-cutter gardens start off free of Escovopsis, within two years some 60 percent become infected. The discovery of Escovopsis’s role brings a new level of understanding to the evolution of the attine ants. “In the last decade, evolutionary biologists have been increasingly aware of the role of parasites as driving forces in evolution,”Dr. Schultz said. There is now a possible reason to explain why the lower attine species keep changing the variety of fungus in their mushroom gardens, and occasionally domesticating new ones—to stay one step ahead of the relentless Escovopsis.
H          Interestingly, Mr. Currie found that the leaf-cutters had in general fewer alien molds in their gardens than the lower attines, yet they had more Escovopsis infections. It seems that the price they pay for cultivating a pure variety of fungus is a higher risk from Escovopsis. But the leaf-cutters may have little alternative: they cultivate a special variety of fungus which, unlike those grown by the lower attines, produces nutritious swollen tips for the ants to eat.

I              Discovery of a third partner in the ant-fungus symbiosis raises the question of how the attine ants, especially the leaf-cutters, keep this dangerous interloper undercontrol. Amazingly enough, Mr. Currie has again provided the answer. “People have known for a hundred years that ants have a whitish growth onthe cuticle,”said Dr. Mueller, referring to the insects’body surface. “People wouldsay this is like a cuticular wax. But Cameron was the first one in a hundred years to put these things under a microscope. He saw it was not inertwax. It is alive.”Mr. Currie discovered a specialized patch on the ants’cuticle that harbors a particular kind of bacterium, one well known to the pharmaceutical industry, because it is the source of half the antibiotics used in medicine. From each of 22 species of attine ant studied, Mr. Cameron and colleagues isolated a species of Streptomyces bacterium, they reported in Nature in April. The Streptomyces does not have much effect on ordinary laboratory funguses. But it is a potent poisoner of Escovopsis, inhibiting its growth and suppressing spore formation. It also stimulates growth of the ants’mushroom fungus. The bacterium is carried by virgin queens when they leave to establish new nests, but is not found on male ants, playboys who take no responsibility in nest-making or gardening.

J             Because both the leaf-cutters and the lower attines use Streptomyces, the bacterium may have been part of their symbiosis for almost as long as the Escovopsis mold. If so, some Alexander Fleming of an ant discovered antibiotics millions of years before people did. Even now, the ants are accomplishing two feats beyond the powers of human technology. The leafcutters are growing a monocultural crop year after year without disaster, and they are using an antibiotic apparently so wisely and prudently that, unlike people, they are not provoking antibiotic resistance in the target pathogen.

Kiến xén lá và Nấm

A            Kiến ​​và hoạt động làm nông nghiệp của chúng đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm qua, nhưng nghiên cứu gần đây đã tiết lộ những phát hiện mới hấp dẫn về loại nấm mà chúng nuôi, cách chúng thuần hóa và chăm sóc, bảo quản tránh khỏi các mầm bệnh. Ví dụ, trong các trang trại nấm, nơi những con kiến ​​được cho là giữ mầm bệnh không xâm nhập, hóa ra rất dễ bị tổn thương do bị nấm mốc phá hủy, không thể tìm thấy ở nơi nào khác như vậy ngoài tổ kiến. Những con kiến ​​từ lâu đã được phát hiện là sẽ giúp tạo sự tin tưởng cho bất kỳ phòng thí nghiệm dược phẩm nào trong việc giữ nấm mốc trong tầm kiểm soát.

B           Kiến xén lá và và trang trại nấm của chúng là một kỳ công của tự nhiên và có lẽ là ví dụ nổi tiếng nhất về cộng sinh, sự phụ thuộc lẫn nhau của hai loài. Thành quả của kiến rất đáng chú ý – nhà sinh học Edward O. Wilson đã gọi đó là “một trong những bước đột phá chính của sự tiến hóa động vật” – bởi vì nó cho phép chúng ăn được nhờ khả năng tiêu hóa nấm của chúng, nếu không sẽ là những vụ thu hoạch trong rừng nhiệt đới độc hại có lá cây chất đầy với Terpenoids, Alkaloids và các hóa chất khác được tạo ra để làm nản lòng những kẻ kiếm ăn.

C          Kiến trồng nấm dường như được tạo ra chỉ một lần trong quá trình tiến hóa, bởi vì tất cả các loại kiến ​​làm vườn thuộc về một giống riêng, những hậu duệ của nông dân trồng nấm đầu tiên. Có hơn 200 loài thuộc giống kiến Attine đã được biết đến, chia thành 12 nhóm hoặc loại khác nhau. Nhóm xén lá sử dụng thảm thực vật tươi; Các nhóm khác, được gọi là Attine cấp thấp vì tổ của chúng nhỏ hơn và kỹ thuật thô sơ hơn, trang bị cho những khu vườn của chúng bằng các mảnh vụn như lá khô, côn trùng và phân.

D            Nấm của loài xén lá thực sự bắt nguồn từ một giống duy nhất, nhân giống vô tính, hoặc chỉ bằng cách chớm nở, trong ít nhất 23 triệu năm. Nhưng kiến Attine cấp thấp đã sử dụng nhiều giống nấm khác nhau, và có trường hợp là một loài khá khác biệt, điều này được bốn nhà sinh học khám phá ra. Giống nấm thuần chủng được trồng bởi kiến xén lá, đối với ông Currie, nó giống như mô hình độc canh nhiều loại cây trồng khác nhau của con người, điều đó rất hiệu quả trong một khoảng thời gian và sau đó không chống đỡ nổi một số mầm bệnh tai hại, chẳng hạn bệnh tàn rụi ở khoai tây Ailen. Mô hình độc canh, thiếu sự đa dạng di truyền để đáp ứng với những mối đe dọa do môi trường thay đổi, dễ bị tấn công bởi ký sinh trùng. Ông Currie cảm thấy chắc hẳn phải có một loại ký sinh trùng trong hệ thống kiến-nấm. Nhưng một thế kỷ của ngành nghiên cứu kiến không ​​cung cấp thông tin hỗ trợ nào cho ý tưởng này. Sách giáo khoa mô tả cách các kiến ​​xén lá cẩn trọng làm vườn loại bỏ tất cả các sinh vật ngoại lai. “Mọi người luôn nói với tôi, ‘Anh biết những con kiến ​​giữ cho những khu vườn của chúng không có ký sinh trùng, phải không?’ “Ông Currie nói về những nỗ lực của mình để tìm ra một kẻ xâm nhập bí ẩn.

E         Nhưng sau ba năm quan sát tỉ mỉ các vườn kiến Attine, ông Currie phát hiện thấy chúng còn xa mới đạt tới mức không bị nhiễm trùng. Trong số Chuyên đề phát hành tháng trước của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, ông và hai đồng nghiệp, Tiến sĩ Mueller và David Mairoch, đã cô lập một số sinh vật ngoại lai, đặc biệt gồm một gia đình nấm mốc ký sinh được gọi là Escovopsis.

F             Escovopsis hóa ra là một mầm bệnh cực độc có thể tàn phá một khu vườn nấm trong một vài ngày. Nó bung nở như một đám mây trắng, còn khu vườn có thể nhìn thấy lờ mờ bên dưới. Trong một hoặc hai ngày, toàn bộ khu vườn bị vây kín. Những con kiến ​​khác sẽ không đến gần chúng còn những con kiến ​​liên quan đến khu vườn chỉ còn biết chết đói, tiến sĩ Rehner nói. “Chúng dường như bỏ cuộc, ngoại trừ những con đến giải cứu ấu trùng của chúng.” Nấm mốc chết chóc sau đó biến thành màu nâu ngả xanh khi chúng bước vào giai đoạn tạo hình bào tử.

G             Có thể thấy rõ những con kiến ​​thường cố gắng giữ Escovopsis và các ký sinh trùng khác trong tầm kiểm soát. Nhưng chỉ với bất kỳ sai sót nào trong quá trình kiểm soát, hoặc nếu những con kiến ​​bị loại bỏ, số lượng Escovopsis sẽ nhanh chóng bùng nổ. Mặc dù các khu vườn của kiến xén lá khởi đầu không có Escovopsis, trong vòng hai năm, khoảng 60% đã bị nhiễm bệnh. Việc phát hiện ra vai trò của Escovopsis mang đến một mức độ hiểu biết mới về sự tiến hóa của kiến ​​Attine. “Trong thập kỷ vừa qua, các nhà sinh học tiến hóa đã ngày càng nhận thức được vai trò của ký sinh trùng như lực lượng điều hướng trong quá trình tiến hóa”, DR. Schultz nói. Giờ đây đã có một lý do để có thể để giải thích tại sao các loài Attine cấp thấp liên tục thay đổi nhiều loại nấm trong vườn nấm của chúng, và thỉnh thoảng thuần hóa những loài mới – để đi trước một bước loài Escovopsis tàn nhẫn.
H          Điều thú vị là ông Currie phát hiện ra rằng nhìn chung kiến xén lá có ít nấm mốc ngoại lai trong vườn của chúng hơn so với Attine cấp thấp, tuy vậy chúng lại nhiễm Escovopsis nhiều hơn. Có vẻ như đó là cái giá phải trả để trồng một loạt các loại nấm thuần chủng mang theo nguy cơ cao hơn từ Escovopsis. Nhưng kiến xén lá có lẽ có rất ít phương án thay thế: chúng trồng một loạt các loại nấm đặc biệt, không giống như những loại được Attine cấp thấp trồng, có phần chóp phồng to đầy chất dinh dưỡng cho kiến ​​ăn.

I              Việc phát hiện một đối tác thứ ba trong môi trường cộng sinh Kiến-Nấm đặt ra câu hỏi làm thế nào kiến Attine, đặc biệt là kiến xén lá, giữ kẻ xâm nhập nguy hiểm này trong tầm kiểm soát.  Thật ngạc nhiên, ông Currie lại đưa ra câu trả lời. “Đã một trăm năm qua, mọi người biết rằng những con kiến ​​phát triển lớp biểu bì màu trắng, Tiến sĩ Mueller nói, nhắc đến mặt ngoài cơ thể của côn trùng. “Mọi người sẽ nói rằng nó giống như một loại sáp biểu bì. Nhưng Cameron là người đầu tiên trong một trăm năm qua đặt những thứ này dưới kính hiển vi. Anh thấy đó không phải là sáp trơ. Nó còn sống. “Ông Currie phát hiện ra một miếng chuyên biệt trên phần biểu bì kiến​, ở đó giữ một loại vi khuẩn đặc biệt, một loại nổi tiếng với ngành công nghiệp dược phẩm, bởi vì nó là nguồn của một nửa loại kháng sinh được sử dụng trong y học. Từ mỗi 22 loài kiến Atine đã nghiên cứu, ông Cameron và các cộng sự đã cô lập được một loài vi khuẩn Streptomyces, họ đã báo cáo trên tạp chí Nature trong tháng tư. Streptomyces không có nhiều ảnh hưởng đến các loại nấm trong phòng thí nghiệm thông thường. Nhưng đó là một chất độc mạnh đối với Escovopsis, ức chế sự phát triển của chúng và ngăn chặn sự hình thành bào tử. Nó cũng kích thích sự phát triển của nấm ăn cho kiến. Vi khuẩn được mang theo bởi các nữ hoàng kiến đồng trinh khi chúng rời đi để xây tổ mới, nhưng không tìm thấy trên kiến ​​đực, những dân chơi không chịu trách nhiệm trong việc xây tổ hoặc làm vườn.

J             Do cả các kiến xén lá và Attine cấp thấp đều sử dụng Streptomyces, vi khuẩn này có thể là một phần trong sự cộng sinh của chúng gần như là khuẩn mốc Escovopsis. Nếu vậy, đã có một vài Alexander Fleming của thế giới loài kiến đã phát hiện ra kháng sinh từ hàng triệu năm trước loài người. Ngay cả hiện tại, những con kiến ​​đang đạt được hai chiến công vượt quá sức mạnh của công nghệ con người. Kiến xén lá đang trồng một vụ độc canh năm này qua năm khác mà không xảy ra thảm họa, và chúng đang sử dụng một loại kháng sinh rõ ràng rất khôn ngoan và thông minh, không giống như người, chúng không kích thích khả năng kháng thuốc kháng sinh trên mầm bệnh mục tiêu.