UNIVERSITY PARK, Pa. — Un parasite fongique qui infecte les fourmis et manipule leur comportement au profit de la reproduction du champignon accomplit cet exploit sans infecter le cerveau des fourmis, selon une étude menée par des chercheurs de Penn State.,
Au Lieu de cela, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato — un complexe d’espèces parfois appelé « champignon de la fourmi zombie » — entoure et envahit les fibres musculaires dans tout le corps de la fourmi, et les cellules fongiques forment un réseau 3D qui peut leur permettre de contrôler collectivement le comportement de l’hôte, ont déclaré les chercheurs.
des recherches antérieures ont montré que ce parasite spécifique à l’espèce contrôle le comportement des travailleurs des fourmis charpentières, les obligeant à grimper dans la végétation et à mordre dans le dessous des feuilles ou des brindilles, où ils meurent., Au fur et à mesure que le champignon se développe dans le cadavre de la fourmi, il produit une tige qui dépasse de la tête de la fourmi et décharge des spores infectieuses sur le sol ci-dessous, où elles peuvent infecter d’autres fourmis butineuses.,
« pour mieux comprendre comment ces parasites microbiens contrôlent le comportement animal, nous avons examiné les interactions au niveau cellulaire entre le parasite et son hôte carpenter-fourmi à un moment crucial du cycle de vie du parasite-lorsque l’hôte manipulé se fixe en permanence à la végétation par ses mandibules », a déclaré Maridel Fredericksen, ancienne étudiante à la maîtrise en entomologie à Penn State, aujourd’hui doctorante à L’Institut zoologique de L’Université de Bâle, en Suisse.,
« le champignon est connu pour sécréter des métabolites spécifiques aux tissus et provoquer des changements dans l’expression des gènes de l’hôte ainsi qu’une atrophie des muscles de la mandibule de son hôte fourmi », a-t-elle déclaré. « Le comportement altéré de l’hôte est un phénotype étendu des gènes du parasite microbien s’exprimant à travers le corps de son hôte. Mais on ne sait pas comment le champignon coordonne ces effets pour manipuler le comportement de l’hôte. »
pour étudier cela, l’équipe de recherche a infecté des fourmis avec O. unilateralis S. L., ou avec un agent pathogène fongique généraliste, Beauveria bassiana, pour distinguer les effets communs aux champignons pathogènes de ceux spécifiques à O. unilateralis S. L.
en utilisant la microscopie électronique à balayage en série, l’équipe a créé des visualisations 3D pour déterminer la distribution, l’abondance et les interactions des champignons à l’intérieur du corps des fourmis. Cette utilisation de la technologie a représenté une percée dans l’étude de ce système parasite-hôte, selon L’auteur principal David Hughes, professeur agrégé d’entomologie et de biologie, Penn State.,
travaillant avec la co-auteure Missy Hazen dans L’installation de microscopie et de cytométrie des instituts Huck des sciences de la vie de Penn State, les chercheurs ont pris des tranches de tissu à 50 nanomètres et ont capturé des images de chaque tranche, à l’aide d’une machine capable de répéter ce processus 2 000 fois sur une période
« en empilant ces tranches, nous pourrions les reconstruire en 3D, nous donnant une vue au niveau du micron de l’interaction entre le champignon et l’hôte, avec une résolution incroyablement élevée », a déclaré Hughes. « C’est une vue sans précédent de la façon dont un manipulateur contrôle son hôte., »
pour traiter cette quantité de données, les scientifiques ont ensuite utilisé l’intelligence artificielle (IA) et des algorithmes d’apprentissage automatique pour analyser les images.
« nos collaborateurs à Notre Dame ont pu utiliser l’apprentissage en profondeur pour former des ordinateurs à différencier les cellules fongiques des cellules de fourmis afin que nous puissions déterminer quelle quantité de l’organisme est une fourmi et quelle quantité est un champignon », a expliqué Hughes.,
Une fourmi manipulé par le « zombie ant champignon » mord sur la face inférieure d’une brindille — son dernier acte avant de mourir et de devenir une plate-forme fongique de la reproduction.
« Le développement du modèle d’apprentissage en profondeur de pointe pour l’identification des cellules fongiques et des fourmis était un travail d’équipe complet et collaboratif », a déclaré Danny Chen, professeur d’informatique et d’ingénierie, Université de Notre Dame., « Le groupe Penn State a produit beaucoup de données d’image étiquetées, que notre groupe a utilisées pour la formation, les tests et l’amélioration de notre modèle de réseau neuronal profond. C’était vraiment incroyable de voir à quel point les biologistes et les chercheurs en IA ont travaillé ensemble pour s’attaquer à ce problème si efficacement. »
les résultats, publiés dans Proceedings of the National Academy of Sciences, ont montré que les cellules D’O. unilateralis S. L. étaient présentes dans pratiquement toutes les régions du corps des fourmis hôtes, y compris dans la tête, le thorax, l’abdomen et les jambes., De plus, une grande partie de ces cellules fongiques étaient connectées, ce qui suggère qu’elles forment un réseau pour contrôler collectivement le comportement de l’hôte.
« Nous avons constaté qu’un pourcentage élevé de cellules d’un hôte ont été les cellules fongiques », a déclaré Hughes. « En substance, ces animaux manipulés étaient un champignon dans les vêtements des fourmis. »
cependant, bien que les cellules fongiques soient concentrées directement à l’extérieur du cerveau, les chercheurs n’ont observé aucune cellule fongique à l’intérieur du cerveau.,
« normalement chez les animaux, le comportement est contrôlé par le cerveau qui envoie des signaux aux muscles, mais nos résultats suggèrent que le parasite contrôle le comportement de l’hôte de manière périphérique », a déclaré Hughes. « Presque comme un marionnettiste tire les ficelles pour faire bouger une marionnette, le champignon contrôle les muscles de la fourmi pour manipuler les jambes et les mandibules de l’hôte. »
bien que le cerveau hôte ne soit pas envahi par les cellules fongiques, des travaux antérieurs ont montré que le cerveau peut être modifié chimiquement par le parasite, a noté Hughes.,
« nous émettons l’hypothèse que le champignon peut préserver le cerveau afin que l’hôte puisse survivre jusqu’à ce qu’il effectue son comportement de morsure final — ce moment critique pour la reproduction fongique. Mais nous devons mener des recherches supplémentaires pour déterminer le rôle du cerveau et le contrôle que le champignon exerce sur lui. »
Les autres chercheurs de l’étude étaient Yizhe Zhang, Département D’Informatique et D’ingénierie, Université de Notre Dame; Raquel Loreto, chercheuse postdoctorale en entomologie, Penn State; et Colleen Mangold, chercheuse postdoctorale en biochimie et biologie moléculaire, Penn State.,
la National Science Foundation, Les National Institutes of Health, le Comissao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nival Superior-Brésil et L’American Heart Association ont soutenu ce travail.