실험실 조건에서 잎 절단 개미 (Atta)의 수집 및 장기 유지 관리

Summary

여기에서는 실험실 조건에서 건강한 Atta (Hymenoptera : Formicidae) 개미 식민지를 성공적으로 수집하고 유지하기위한 프로토콜이 설명됩니다. 또한 가능한 실험 절차와 함께 다양한 둥지 유형 및 구성이 자세히 설명되어 있습니다.

Abstract

개미는 지구상에서 가장 생물 다양성이 높은 동물 그룹 중 하나이며 다양한 환경에 서식합니다. 통제 된 환경에서 개미 식민지를 유지하면 응용 연구에 기여할 수있는 생물학에 대한 풍부한 이해가 가능합니다. 이 관행은 일반적으로 Atta 개미와 같이 경제적 손실을 초래하는 종의 인구 통제 연구에 사용됩니다. 그들의 상호 주의적 곰팡이를 재배하기 위해,이 잎사귀 개미는 잎을 모으고이를 위해 미국 대륙 전역에 널리 분포하는 농업 해충으로 간주됩니다. 그들은 고도로 사회적으로 조직되어 있으며 다양한 방으로 구성된 정교한 지하 둥지에 서식합니다. 통제 된 환경에서의 유지 관리는 여기에 설명 된 여러 절차와 빈번한 관리의 일상 생활에 달려 있습니다. 그것은 번식기 (즉, 결혼식 비행) 동안 여왕의 수집으로 시작하여 개별적으로 플라스틱 용기로 옮겨집니다. 여왕의 사망률이 높기 때문에 결혼식 비행 후 약 6 개월 후에 곰팡이 뭉치가 발달 한 초기 둥지를 발굴하고 손으로 골라 플라스틱 용기에 넣을 때 두 번째 수집을 수행 할 수 있습니다. 실험실에서는 잎이 매일 확립 된 식민지에 제공되고 개미가 생산 한 폐기물은 남아있는 건조한 식물 재료와 함께 매주 제거됩니다. 곰팡이 정원이 계속 자라면서 식민지는 실험 목적에 따라 다른 유형의 용기로 옮겨집니다. 잎을 자르는 개미 식민지는 상호 연결된 용기에 배치되어 자연에서 곤충이 만든 기능적인 챔버가있는 조직 시스템을 나타냅니다. 이 설정은 폐기물 양, 곰팡이 정원 건강, 작업자와 여왕의 행동과 같은 요소를 모니터링하는 데 이상적입니다. 촉진 된 데이터 수집과보다 상세한 관찰은 개미 식민지를 통제 된 상태로 유지하는 가장 큰 이점으로 간주됩니다.

Introduction

개미는 대부분의 육상 환경에 영향을 미치는 다양한 개체 그룹을 구성합니다¹. 그들은 효율적인 분산기 2,3,4, 포식자⁵ 및 생태계 엔지니어 6,7,8,9,10 역할을하여 자연 생태계에서의 중요성과 생태 학적 성공을 강조합니다. 모든 개미 종은 진사회적 곤충으로 분류됩니다. 그러나 그들의 사회 조직은 다른 종 그룹, 즉 노동 분업 시스템, 기능 그룹, 개인 간의 의사 소통, 사료 조직, 식민지 기초 및 번식 과정¹¹에 따라 크게 다릅니다. 매우 다양한 그룹으로서 그들은 여러 식량 자원과 전문화 된 섭식 행동에 의존합니다. 사실, 농업은 인류 문명뿐만 아니라 개미 종에게도 큰 발걸음이었습니다. 대략 55 내지 65 Ma¹² 전, attine 개미는 곰팡이를 배양하여 거의 독점적 인 식단에 통합하기 시작했습니다. 그들은 너무 전문화되어 한 개인이 다른 사람 없이는 생존하지 못하는 공생으로 분류되는 엄격하고 의존적이며 의무적인 상호 작용을 개발했습니다.

낮은 곰팡이 성장 개미는 썩은 잎 조각과 같은 죽은 유기물을 수집하고 처리하여 상호 주의적 곰팡이를 성장시킵니다. 더 높은 곰팡이 성장 개미가 신선한 식물 재료를 수확하는 동안 가장 성공적인 공생 자연 시스템 중 하나를 구성합니다¹³. 이 고도로 전문화 된 농업 기술을 통해 새로운 틈새 시장을 확보 할 수있었습니다. 더 높은 attine 개미는 19 Ma (15-24 Ma)와 18 Ma (^14-22 Ma) 사이에서 일어나는 단일 계통 그룹 인 잎 절단 개미로 구성됩니다.^14,15,16 네 개의 유효한 속으로 구성됩니다 : Atta Fabricius, Acromyrmex Mayr^, Amoimyrmex Cristiano 및 Pseudoatta Gallardo. 잎사귀 개미가 수행하는 잎사귀 농업 시스템은 파생 농업 시스템¹⁷에서 진화했습니다. 이 종의 대부분은 상호 주의적 곰팡이 종 Leucoagaricus gongylophorus Singer 18 (Leucocoprinus gongylophorus Heim¹⁹라고도 함)을 독점적으로 이용하며, 이는 중요한 진화 적 전환을 표시합니다¹¹. 곰팡이 품종은 원래 둥지에서 자손으로 수직으로 전염되어 클론 적으로 번식 함을 시사합니다²⁰.

놀랍게도, Atta 사회는 환경에서 매우 중요하고 myrmecologists에게 큰 관심을 끄는 복잡한 조직 구조를 개발했습니다. 그들의 인구는 수백만 명의 개인으로 구성 될 수 있으며, 대부분은 뚜렷한 다형성, 즉 뚜렷한 크기와 해부학 적 형태를 나타내는 무균 여성 근로자입니다. 인구는 연령, 생리적 상태, 형태 학적 유형, 행동 및 식민지의 특수 활동에 따라 카스트로 구별됩니다²¹. 작업자는 정원사와 간호사, 둥지 내 일반인, 수렵채집인과 굴착기, 방어자 또는 군인으로 차별될 수 있습니다²¹. 이 조직은 협력을 통한 작업 수행과 고도로 구조화 된 집단 행동을 생성 할 수있는 자기 조직화 시스템을 허용하여 환경 교란²²에 효율적으로 대응할 수 있도록합니다.

인구 재생의 역할은 그녀가 살아있는 한 한 명의 여왕 (즉, 일부일처 제)에 의해 수행되며 영구 생식 카스트²²를 구성합니다. Atta 여왕은 20 년 이상 살며 평생 동안 알을 낳는 것으로 알려져 있습니다²³. 여왕은 대체 할 수 없기 때문에 지구력은 식민지 ^13,20,23,24의 생존에 매우 중요합니다. 그러나 번식기에는 수천 마리의 날개 달린 생식 암컷과 수컷이 둥지에서 발견 될 수 있지만 원래 둥지에 머무르는 사람은 아무도 없어 임시 카스트²²를 형성합니다. Atta sexdens 식민지에서는 거의 3,000 명의 생식 암컷과 14,000 명의 생식 수컷이^{생산됩니다 25}. 식민지가 시행 후 약 38 개월 후에 성적으로 성숙 할 때 발생하며 그 이후로 소멸 될 때까지 매년 반복됩니다^23,25. 새로운 Atta 식민지는 한 여왕이 새로운 둥지를 시작하는 haplometrosis를 통해 형성됩니다.

환경 조건이 좋으면 재현자는 지하 둥지를 떠나 결혼식 비행을 시작합니다. 발생 기간은 종에 따라 브라질 영토 전체에 걸쳐 지역마다 다릅니다. 그러나, 이 사건은 강우 및 습도 상승(²⁶)에 선행되는 것으로 보이며, 이는 토양 수분⁽²²)으로 인한 굴착 촉진과 관련될 수 있다. 종종 결혼식 비행 1-5 주 전에 둥지 입구와 채널을 넓혀 생식 개체가 쉽게 출발 할 수 있습니다. 그들의 어머니 식민지를 떠나기 전에, 날개 달린 암컷은 상호 주의적 곰팡이^20,27의 일부를 협측 하부 구멍에 모아서 저장합니다. 비행 중에 여러 번의 교미가 수행되며, 일부 종²⁸에서는 한 마리의 여왕이 3-8 마리의 수컷 (즉, 일부다처제)에 의해 수정 될 수 있다고 계산되어 유전 적 다양성^{을 보장합니다 29}. 그 후, 여왕은 토양으로 이동하여 초목이 없거나 거의없는 위치를 선호하며²⁵ 날개를 제거하고 첫 번째 둥지 방을 굴착합니다. 이것은 둥지 밖에서 여왕을 볼 수있는 유일한 기간입니다. 임시 카스트의 개체가 인공 둥지에서 관찰되었지만 실험실 조건에서 성공적인 교미 (즉, 결혼식 비행)가 수행되었는지 여부는 알려져 있지 않습니다²⁴.

초기 둥지 건설은 식민지의 가장 중요한시기에 해당하며 6 시간에서 8 시간^23,25까지 지속될 수 있습니다. 이 순간, 여왕은 초기 방에서 자신을 회랑하고, 며칠 만에 산란이 시작됩니다. 첫 번째 알은 여왕이 역류하는 균사체에 공급되어 식민지의 곰팡이 정원의 시작을 알립니다. 첫 번째 유충은 약 25 일²² 일에 나타나며, 거의 첫 달 말에 식민지는 미성숙 (알, 유충 및 번데기)이 둥지를 틀고있는 증식하는 곰팡이 매트와 초기 자손을 고립시켜 키우는 여왕으로 구성됩니다²³. 계란은 또한 첫 번째 유충의 식량 자원이며 여왕¹³에 의해 많이 소비됩니다. 또한 여왕은 더 이상 사용되지 않는 뚱뚱한 몸과 이화 날개 근육으로 자신을 유지합니다¹³. 초기 곰팡이 배양은 식민지 생존이 발달에 달려 있기 때문에 소비되지 않으며,이 기간 동안 여왕은 대변¹³으로 수정한다. 출현 후 며칠 후, 첫 번째 작업자는 둥지 입구를 열고 둥지¹³의 바로 옆 영역에서 채집 활동을 시작합니다. 그들은 곰팡이 정원의 기질로 수집 된 재료를 통합하여 현재 근로자^13,22를위한 음식으로 사용됩니다. 곰팡이 배양에 첨가되기 전에, 작업자에 의해 운반 된 식물 재료는 작은 조각으로 절단되고 배설물^{액체 13}로 적셔진다. 개미는 곰팡이 접종 물을 조작하여 성장을 증가시키고 제어하며, 이는 정원 ^13,22,25를 조절하는 데 특화된 큰 토양 굴착 챔버를 분할하는 역할을합니다.

결혼식 비행 후 약 6 개월 후, A. sexdens 둥지에는 곰팡이 챔버와 몇 개의 채널이 있습니다. 잎 절단 개미 둥지 건설의 위대한 전문화는 천적과 불리한 환경 요인에 대한 방어 메커니즘으로 작동합니다²². 잎 절단 개미는 곰팡이 정원을 조각화하고 챔버가 마르기 시작할 때 습도가 높은 챔버로 옮기는 것으로 알려져 있습니다¹³. 따라서, 상당한 에너지 비용을 갖는 둥지의 굴착에도 불구하고, 투자된 에너지는 식민지 자체에 대한 이익에서 역전된다(²²). 몇 가지 예외를 제외하고 Atta 종은 대부분 고갈 된 곰팡이 기질과 죽은 개미의 시체로 만들어진 식민지의 폐기물을위한 특수 챔버를 만들어 나머지 둥지와 격리하고 중요한 사회적 면역 전략을 수립합니다³⁰. 또한 별개의 작업자 그룹이 다른 개인의 오염을 피하기 위해 쓰레기를 직접 조작합니다. 노동자들은 식민지의 주요 영양 자원 인 곰팡이를 키우기 위해 끊임없이 먹이를 찾습니다. 그러나 그들은 파편을 자르는 동안 식물 수액을 먹을 수 있습니다. 식물 재료는 곰팡이 정원 유지를 위해 신중하게 선택되며 잎 특성 및 생태계의 특성과 같은 많은 요인의 영향을받습니다¹³.

신선한 재료를 얻기 위해 개미를 자르는 채집 전략은 매우 복잡하며 기존 식민지의 높은 수확 수요와 결합되어 농업 생산자에게 상당한 경제적 손실을 초래하고 산림 복원 지역을 위태롭게합니다^22,31. 따라서이 개미는 미국 남부에서 아르헨티나 북동부 11,13,22,32에 이르기까지 발생할 수있는 대부분의 지역에서 해충으로 분류 될 수 있습니다. 문제가있는 식민지의 멸종은 이러한 곤충의 생물학에 내재 된 일련의 적응 (즉, 사회 조직, 채집, 곰팡이 재배, 위생 및 복잡한 둥지 구조)으로 인해 어렵습니다 ³³. 따라서 개체군 통제 전략은 다른 해충에 일반적으로 적용되는 전략과 구별되며 주로 매력적인 오염 된 미끼 제물^33,34에 의존합니다. 그러나 이러한 개미는 곰팡이와 식민지 개체 모두에 유해한 물질을 거부하고 경작지를 손상시킬 수 있기 때문에 33, 새로운 천연 화합물 및 방제 대안이 지속적으로 테스트되고 있습니다^33,35,36. 현장 테스트를 거친 콜로니에서는 실험 결과를 거의 모니터링 할 수 없기 때문에 예비 에세이는 통제 된 환경에서 수행됩니다.

따라서, 실험 프로토콜은 개미의 이질적인 생활 방식을 고려하고, 종 수준에 대한 연구를 지원하고, 하나의 개미가 복잡한 초유기체(¹¹)의 요소인 운영 단위로서 콜로니를 설명하는 관심 그룹에 적응되어야 한다. 지금까지 Atta 속에 관해 수집 된 보고서는 실험실 조건에서 식민지를 성공적으로 수집 및 유지하고 기본 요구와 일반적인 기능을 인정할 수있게했습니다. 번식, 식민지 설립 및 먹이 행동과 같은 자연적 과정을 기반으로 다양한 유형의 둥지에 식민지를 장기간 설립 할 수있는 일상적인 관행이 개발되었습니다. 여기에서는 실험실에서 잎사귀 개미를 유지하기 위한 절차적 프로토콜이 설명되고 뚜렷한 실험 목적과 과학 지원을 통해 가능한 일반 연구를 강조합니다.

Protocol

1. 여왕의 컬렉션 관심 지역의 Atta 생식 시즌 기간에 대한 문헌을 검색하십시오. 결혼식 비행의 번식기 발생, 빈도 및 주간 시간은 지역 기후 조건에 따라 다릅니다 (표 1). 일반적으로 봄에 발생하지만이 정보는 수집이 발생할 위치 37,38,39,40,41,42,43,44,45,46에 대해 수집되어야합니다.</sup…

Representative Results

개미 수집 과정을 보여주는 순서도는 그림 6에 나와 있습니다. 여기서, 위에서 설명한 수집, 유지 관리 및 둥지 설정의 프로토콜을 사용하여 얻은 일부 결과가 표시됩니다. 그림 6: 잎사귀 개미의 군락 수집을 위한 순서도. …

Discussion

잎을 자르는 개미 식민지를 유지하기 위해 여기에 설명 된 프로토콜은 단호하고 복제 가능한 방식으로 3 년 이상 개발 및 적용되었습니다. 그것은 현장 조건에 의해 제한 될 연구의 개발을 허용했습니다. 이로써 건강한 개미와 식민지는 개인 및 식민지 수준에서 비교 형태학, 독성학 51,52, 조직학⁵³ 및 미생물학^54,55,56<sup class="xre…

Materials

Entomologic forceps	N/A	N/A	N/A
Glass tank	N/A	N/A	Tempered glass, custom made
Hose	N/A	N/A	Transparent, PVC 1/2 Inch x 2,0 mm
Latex gloves	Descarpack	550301	N/A
Nitrile gloves	Descarpack	433301	N/A
Open arena	N/A	N/A	Polypropylene crate
Plaster pouder	N/A	N/A	Plaster pouder used in construction, must be absorbant
Plastic Containers for collection	Prafesta	Natural Cód.: 8231/Natural Cód.: 8262	Lidded, transparent , polypropylene
Plastic containers for nests	Prafesta	Discontinued	Polystyrene, hermetic
Teflon	Dupont	N/A	Polytetrafluoroethylene liquid (PTFE Dispertion 30)