〈研之有物〉人蟻大戰出奇招：破解紅火蟻超級基因，誘騙工蟻暗殺蟻后
研之有物 2019-07-27 12:00
入侵紅火蟻的超級基因
入侵紅火蟻 (以下簡稱紅火蟻) 個性兇殘，防治困難，許多遭到入侵的國家皆很頭痛，包括台灣。中研院生物多樣性中心的王忠信副研究員，多年來持續研究紅火蟻，發現紅火蟻的社群行為，是由六百多個基因鎖在一起的「超級基因」所調控。近年來，他積極尋找超級基因上面、決定蟻后氣味以及工蟻辨識氣味的關鍵基因，希望能開發出更有效的防治餌藥，誘騙工蟻暗殺自己的蟻后。
天生脾氣暴、不好惹！
入侵紅火蟻有多恐怖？
紅火蟻的食性雜，什麼都吃，像是死掉的動物、昆蟲，地面鳥巢中不會飛的幼鳥。連蜥蜴、烏龜等靠近巢穴，紅火蟻也會發動攻擊，把動物咬得奄奄一息。只要有紅火蟻侵入的地區，其他生物幾乎無法存活，造成生態浩劫。
紅火蟻還有毒！雖然許多螞蟻都是自備毒液的狠腳色，但大多數個性溫和、攻擊性低，一旦被人踩到，立刻四處逃竄。紅火蟻侵略性非常強。誰敢侵門踏戶，立刻傾巢而出，發動恐怖攻擊。
連人類也難擋紅火蟻的恐攻！紅火蟻會吃農作物的果實、根莖，還會捕食泥土中的蚯蚓，造成嚴重的農業損失。
氣得想一腳踩死？哼哼，紅火蟻立刻順著人腿往上爬，用大顎咬住皮膚，再用腹部螫針注入毒液蛋白。人被咬到立刻有像火燒灼熱的疼痛感 (所以稱為紅火蟻)，少數過敏嚴重的人會休克，甚至死亡。
現有餌劑效果不佳
2003 年，台灣發表境內存在入侵紅火蟻，危害範圍主要在桃園，隨著每年的婚飛、繁殖，領域漸漸往外擴展，新北市、松山機場等地也有災情。
目前台灣的防治策略是採熱點控制 (hotspot control)，當有人發現巢穴並通報，負責人員會前往施打餌劑。
不過，目前餌劑只能防除 85~95% 的入侵紅火蟻的族群，主要原因可能是：餌劑是用藥和去油脂玉米顆粒、大豆油混合，一旦不新鮮了、受潮了，就會降低對螞蟻的吸引力，偏偏台灣天氣又很潮濕。另外，觸殺型藥劑可能傷害其他昆蟲，只建議小範圍使用，因此效果有限。
另外，還有灌入低溫液態氮、凍死紅火蟻，或灌入熱水、燙死牠們，但這兩種比較麻煩又有危險……
中研院王忠信副研究員提出新解方：從紅火蟻的社群行為和基因組下手！
單蟻后 vs 多蟻后
大部分的螞蟻巢穴中不是單蟻后 (巢中只有一隻蟻后) ，就是多蟻后 (巢中有多隻蟻后)，只有 5~10% 的螞蟻同時具有單蟻后和多蟻后巢穴，紅火蟻就是其中之一。
有趣的是，當單蟻后巢的工蟻發現外來的單蟻后或多蟻后，統統格殺勿論。但多蟻后巢的工蟻似乎比較「包容」，牠們會殺死單蟻后巢的蟻后，但會接納其他多蟻后巢的蟻后。
工蟻怎麼認出自己的「母后」？答案：氣味。
美國科學家曾做過實驗，把多蟻后巢的工蟻，分別與多蟻后的蟻后、單蟻后的蟻后摩擦，再放回工蟻原本的多蟻后巢穴。
結果發現，與多蟻后巢的蟻后摩擦的工蟻，可被同伴接受，但與單蟻后巢的蟻后摩擦的，會遭到同伴攻擊，證實蟻后氣味的轉移會引發工蟻辨識行為的混亂。
王忠信靈機一動：擒賊先擒王，想要有效防治紅火蟻，可以誘騙工蟻殺死自己的蟻后，即可輕鬆瓦解整個蟻群！方法是：找出紅火蟻身上控制氣味和嗅覺的關鍵基因，以此設計餌劑，改變蟻后的氣味或誤導工蟻的嗅覺。
但關鍵基因上哪找？這就要說到王忠信在 2013 年的重大發現：紅火蟻的超級基因 (supergene) 與社群染色體 (social chromosome)。
找到紅火蟻超級基因
科學家很早就知道，紅火蟻的單、多蟻后巢受到一組 B、b 基因所控制。不過，單蟻后或多蟻后巢，不光是蟻后的數量和氣味不同，還有許多特徵和行為差異。
比方說：單蟻后的處女蟻后腹部脂肪較肥厚，當其另立門戶，會用大量的脂肪餵養首批工蟻，而工蟻的侵略性也比較強；相反地，多蟻后族群的蟻后只囤積少量脂肪，而且不自立門戶，選擇加入其他多蟻后族群…… 科學家認為，光是一組 B、b 基因不可能控制這麼多差異。
直到 2013 年，王忠信發現，控制紅火蟻社群行為的關鍵，是一組包括六百多個基因的「超級基因」。
超級基因有多「超級」？一般減數分裂時，染色體的基因有機會互相交換，形成新的基因組合，所以「龍生九子，子子不同」。
超級基因則是被「鎖在一起」的一群基因，在減數分裂時，裡頭的基因是不能拆開、互換的。即使真的互換了，前、後的基因會重複或缺少，誕生的子代通常無法存活。換句話說，超級基因必須「整組」傳給後代，像被綁在一起的「套裝式」基因。
決定社會行為的社群染色體
而紅火蟻超級基因所在的染色體，即是「社群染色體」。紅火蟻的社群染色體有兩種：SB、Sb ，超級基因位於 Sb 上。
因為 Sb 上有超級基因，SB 和 Sb 在整體結構上很不一樣，很像人類的性染色體 X 和 Y 的情況。也就是說，兩種染色體的不同組合，會造成個體很大的差異，就像 X 跟 X 組合是女性，X 和 Y 組合就變成男性。
單蟻后族群的個體，只有 SB 這種染色體 (就像女性只有 X) ，多蟻后族群則有兩種染色體：SB 和 Sb (就像男性有 X 和 Y )。這兩種社群染色體的組合，決定了多蟻后巢和單蟻后巢截然不同的社會型態。
這項發現證實了動物的社會行為與遺傳有關，也是首次發現動物社群染色體決定牠們的行為差異，對社會和演化生物學有極大的貢獻，論文於 2013 年 1 月 17 日獲登國際權威期刊《自然》(Nature)。
工蟻的氣味結合蛋白
找到了調控社群行為的超級基因，接下來，王忠信想知道，在這六百多個基因中，哪些基因負責調控蟻后的氣味以及工蟻的嗅覺？是否能用在防治上？目前已經有一些眉目……
先從工蟻的嗅覺說起！多蟻后巢的工蟻有 SBSB 和 SBSb 兩種，單蟻后巢只有 SBSB 工蟻，王忠信將兩種工蟻的觸角切下來，測試基因表現。
結果發現，有種可以抓住氣味分子的蛋白質 OBP12，在 SBSb 工蟻的 RNA 的表現量很高，在 SBSB 工蟻身上沒有，調控這個氣味分子的基因在超級基因上，那麼這種氣味分子會不會就是工蟻辨認蟻后的關鍵呢？
「下階段的實驗，就是除去這種蛋白質 OBP12 的基因，觀察是否會影響工蟻辨認蟻后。」王忠信說。
紅火蟻的觸角外面有一層殼，中間的神經表面有受器，可接收外界的氣味分子，形成嗅覺。但是！外殼和神經之間是液體，就像一條河，氣味分子不溶於水，不能自己「渡河」，必須由一種氣味結合蛋白 OBP12 抓住、保護，才能順利「游過」液體、抵達神經的受器。 資料來源│王忠信 圖說設計│黃曉君、林洵安
多蟻后的獨家油脂
另外，他將蟻后泡入有機溶劑，將身上的油脂溶出並分析。他發現一種編號為 23 的油脂，在 SBSb 多蟻后身上量很高，在 SBSB 單蟻后很低。這種油脂會不會是工蟻判斷多蟻后和單蟻后的關鍵？
因為雄蟻的基因是單套的 SB 或 Sb，他又去分析不同的雄蟻，發現 Sb 雄蟻身上有決定脂肪酸構造的多種蛋白質基因 (可產生油脂)，但在 SB 雄蟻表現量比 Sb 低，也許這就是具有 Sb 的多蟻后身上為什麼會有大量編號 23 油脂的原因。
下一步要證實：編號 23 的油脂是多蟻后工蟻辨認蟻后的關鍵！
他在多蟻后巢中放兩張紙片，一張是泡過多蟻后的紙片，一張是泡過單蟻后的紙片。正常情況下，多蟻后的工蟻會把泡過多蟻后紙片帶回家 (因為編號 23 油脂量很大)，將泡過單蟻后的紙片丟到巢外牠們的專屬「垃圾桶」(無編號 23 油脂)。
王忠信的想法是：如果泡過單蟻后的紙片添加物質 23，工蟻也帶回巢，那麼編號 23 油脂很可能就是工蟻辨識蟻后的關鍵！
一旦確認了，只要想辦法除去多蟻后身上的這種油脂，讓工蟻聞不到，工蟻就可能殺死自己蟻后。反過來說，如果讓單蟻后身上有這種油脂，讓工蟻誤以為牠是多蟻后，也可能讓單蟻后巢的工蟻發動攻擊！
目前這些研究仍在進行，如果未來進一步突破，就可能開發成防治藥劑。例如：找出兩、三個關鍵基因，製作能與工蟻辨識蟻后氣味的受器結合的藥劑，讓工蟻聞不到味道或聞錯；或是設計一種可改變蟻后氣味的藥劑，讓同巢工蟻認不出自己的蟻后。
對此，王忠信微笑著說：
但願能研發有效的藥劑消滅紅火蟻，解決惱人的防治問題，這是我的夢想！
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