UNIVERSITY PARK, Pa. — Ein Pilzparasit, der Ameisen infiziert und ihr Verhalten manipuliert, um der Fortpflanzung des Pilzes zu nutzen, vollbringt diese Leistung, ohne das Gehirn der Ameisen zu infizieren, so eine Studie, die von Penn State-Forschern geleitet wurde.,
Stattdessen umgibt Ophiocordyceps unilateralis sensu lato — ein Artenkomplex, der manchmal als „Zombie — Ameisenpilz“ bezeichnet wird-und dringt in Muskelfasern im gesamten Körper der Ameise ein, und Pilzzellen bilden ein 3-D-Netzwerk, das es ihnen ermöglichen kann, das Verhalten der Wirte gemeinsam zu kontrollieren, sagten die Forscher.
Frühere Forschungen zeigten, dass dieser artspezifische Parasit das Verhalten von Zimmermannsameisenarbeitern kontrolliert und sie dazu zwingt, auf Vegetation zu klettern und in die Unterseite von Blättern oder Zweigen zu beißen, wo sie sterben., Wenn der Pilz im Ameisenkadaver wächst, produziert er einen Stiel, der aus dem Kopf der Ameise herausragt und infektiöse Sporen auf den Boden abgibt, wo sie andere Futterameisen infizieren können.,
„Um besser zu verstehen, wie solche mikrobiellen Parasiten das Verhalten von Tieren kontrollieren, untersuchten wir Interaktionen auf Zellebene zwischen dem Parasiten und seinem Zimmermann-Ameisenwirt in einem entscheidenden Moment im Lebenszyklus des Parasiten-wenn sich der manipulierte Wirt durch seine Unterkiefer dauerhaft an der Vegetation fixiert“, sagte Hauptautor Maridel Fredericksen, ehemaliger Masterstudent in Entomologie an der Penn State, jetzt Doktorand am Zoologischen Institut der Universität Basel, Schweiz.,
“ Es ist bekannt, dass der Pilz gewebespezifische Metaboliten absondert und Veränderungen in der Wirtsgenexpression sowie Atrophie in den Unterkiefermuskeln seines Ameisenwirts verursacht“, sagte sie. „Das veränderte Wirtsverhalten ist ein erweiterter Phänotyp der Gene des mikrobiellen Parasiten, die durch den Körper seines Wirts exprimiert werden. Es ist jedoch nicht bekannt, wie der Pilz diese Effekte koordiniert, um das Verhalten des Wirts zu manipulieren.“
Um dies zu untersuchen, infizierte das Forscherteam Ameisen entweder mit O. unilateralis s. l., oder mit einem generalistischen Pilzpathogen, Beauveria bassiana, um zwischen Wirkungen, die pathogenen Pilzen gemeinsam sind, von denen zu unterscheiden, die spezifisch für O. unilateralis s. l.
Mit der seriellen Blockgesichts-Rasterelektronenmikroskopie erstellte das Team 3D-Visualisierungen, um die Verteilung, Häufigkeit und Wechselwirkungen der Pilze in den Körpern der Ameisen zu bestimmen. Dieser Einsatz der Technologie stellte laut dem leitenden Autor David Hughes, Associate Professor für Entomologie und Biologie, Penn State, einen Durchbruch bei der Erforschung dieses Parasiten-Wirts-Systems dar.,
In Zusammenarbeit mit der Co-Autorin Missy Hazen in der Mikroskopie-und Zytometrieeinrichtung der Huck Institutes of the Life Sciences von Penn State nahmen die Forscher Gewebescheiben mit 50 Nanometern auf und nahmen Bilder von jeder Scheibe auf eine Maschine, die diesen Prozess 2.000 Mal über einen Zeitraum von 24 Stunden wiederholen konnte.
„Durch das Stapeln dieser Scheiben konnten wir sie in 3D rekonstruieren und so eine Mikrometer-Ansicht der Wechselwirkung zwischen Pilz und Wirt mit unglaublich hoher Auflösung erhalten“, sagte Hughes. „Dies ist eine beispiellose Sicht darauf, wie ein Manipulator seinen Host steuert.,“
Um diese Datenmenge zu verarbeiten, verwendeten die Wissenschaftler künstliche Intelligenz (KI) und Algorithmen für maschinelles Lernen, um die Bilder zu analysieren.
„Unsere Mitarbeiter in Notre Dame konnten mithilfe von Deep Learning Computer trainieren, um zwischen Pilz-und Ameisenzellen zu unterscheiden, sodass wir bestimmen konnten, wie viel des Organismus Ameise und wie viel Pilz ist“, erklärte Hughes.,
Eine vom“ Zombie — Ameisenpilz “ manipulierte Ameise beißt auf die Unterseite eines Zweigs-ihr letzter Akt, bevor sie stirbt und zu einer Plattform für die Pilzvermehrung wird.
„Die Entwicklung des hochmodernen Deep-Learning-Modells zur Identifizierung von Pilz-und Ameisenzellen war eine vollständige und kollaborative Teamarbeit“, sagte Danny Chen, Professor für Informatik und Ingenieurwesen an der University of Notre Dame., „Die Penn State Group hat viele beschriftete Bilddaten erstellt, die unsere Gruppe für das Training, Testen und Verbessern unseres Deep Neural Network-Modells verwendet hat. Es war wirklich erstaunlich zu sehen, wie gut Biologen und KI-Forscher zusammengearbeitet haben, um dieses Problem so effektiv anzugehen.“
Die Ergebnisse, die in Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, zeigten, dass O. unilateralis s. l. Zellen waren in praktisch allen Regionen der Körper der Wirtsameisen vorhanden, einschließlich in Kopf, Brust, Bauch und Beinen., Darüber hinaus war ein großer Teil dieser Pilzzellen verbunden, was darauf hindeutet, dass sie ein Netzwerk bilden, um das Verhalten des Wirts kollektiv zu kontrollieren.
„Wir fanden heraus, dass ein hoher Prozentsatz der Zellen in einem Wirt Pilzzellen waren“, sagte Hughes. „Im Wesentlichen waren diese manipulierten Tiere ein Pilz in der Kleidung der Ameisen.“
Obwohl Pilzzellen direkt außerhalb des Gehirns konzentriert waren, beobachteten die Forscher keine Pilzzellen im Gehirn.,
„Normalerweise wird bei Tieren das Verhalten vom Gehirn gesteuert, das Signale an die Muskeln sendet, aber unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Parasit das Verhalten des Wirts peripher kontrolliert“, sagte Hughes. „Fast wie ein Puppenspieler die Fäden zieht, um eine Marionette zu bewegen, kontrolliert der Pilz die Muskeln der Ameise, um die Beine und Unterkiefer des Wirts zu manipulieren.“
Obwohl das Wirtsgehirn nicht von Pilzzellen befallen ist, haben frühere Arbeiten gezeigt, dass das Gehirn durch den Parasiten chemisch verändert werden kann“, stellte Hughes fest.,
“ Wir stellen die Hypothese auf, dass der Pilz das Gehirn konserviert, damit der Wirt überleben kann, bis er sein endgültiges Beißverhalten ausführt — diesen kritischen Moment für die Pilzvermehrung. Aber wir müssen zusätzliche Forschung betreiben, um die Rolle des Gehirns zu bestimmen und wie viel Kontrolle der Pilz darüber ausübt.“
Andere Forscher an der Studie waren Yizhe Zhang, Department of Computer Science and Engineering, University of Notre Dame; Raquel Loreto, Postdoktorand in Entomologie, Penn State; und Colleen Mangold, Postdoktorand in Biochemie und Molekularbiologie, Penn State.,
Die National Science Foundation, den National Institutes of Health, Comissao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nival Superior-Brasilien, und die American Heart Association unterstützt diese Arbeit.