UNIVERSITY PARK, Pa. — En fungal parasitt som smitter maur og endrer sin atferd til fordel soppen reproduksjon oppnår denne bragden uten å infisere maur’ hjernen, ifølge en studie ledet av Penn State forskere.,
i Stedet, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato — et kompleks av arter, noen ganger kalt «zombie ant sopp» — omgir og invaderer muskelfibre hele maur på kroppen, og fungal celler danner et 3-D-nettverk som kan gjøre dem i stand til samlet kontroll-vert atferd, forskerne sa.
Tidligere forskning har vist at denne arten-spesifikke parasitten styrer virkemåten av snekker ant arbeidere, overbevisende dem å klatre vegetasjon og bite i undersiden av bladene eller kvister, der de dør., Som soppen vokser i ant kadaver, det gir et strå som stikker ut fra ant ‘ s head og utslipp av smittsomme sporene på bakken under, der de kan infisere andre beite maur.,
«for Å forstå bedre hvordan slike mikrobiell parasitter kontroll dyrs atferd, vi så på celle-nivå interaksjoner mellom parasitten og dens snekker-ant vert på et avgjørende øyeblikk i parasitten har en livssyklus — når manipulert vert løser seg permanent vegetasjon av sin mandibles,» sa hovedforfatter Maridel Fredericksen, tidligere masterstudent i entomologi ved Penn State, nå en stipendiat ved Universitetet i Basel Zoologiske Instituttet, Sveits.,
«sopp er kjent for å utsondre vev-spesifikke metabolitter og føre til endringer i vert genuttrykk samt atrofi i kjevebenet musklene i sin ant vert,» sa hun. «Endret vert atferd er en extended phenotype av den mikrobielle parasitt gener blir uttrykt gjennom kroppen av sin vert. Men det er ukjent hvor soppen koordinerer disse effektene til å manipulere vert atferd.»
for Å undersøke dette, forskerteamet infisert maur med enten O. unilateralis s.l., eller med en generalist patogen sopp, Beauveria bassiana, å skille mellom effekter som er felles for sykdomsfremkallende sopp fra de som er bestemt til å O. unilateralis s.l.
ved Hjelp av seriell blokk-ansikt skanning-elektron mikroskopi, team opprettet 3-D-effekter for å avgjøre fordelingen, overflod og interaksjoner av sopp inne i kroppene til maur. Denne bruken av teknologien representerte et gjennombrudd i studiet av denne parasitt-vert-systemet, i henhold til senior forfatter David Hughes, professor i entomologi og biologi, Penn State.,
Arbeide med co-forfatter Missy Hazen i Mikroskopi og Cytometry Anlegget på Penn State ‘ s Huck Institutt for miljø-og biovitenskap, forskere tok skiver av vev på 50 nanometer og tatt bilder av hver skive, med en maskin som kunne gjenta denne prosessen til 2000 ganger i løpet av en 24 timers periode.
«Ved å stable disse skiver, vi kunne rekonstruere dem i 3-D, som gir oss en micron-nivå syn på samspillet mellom sopp og vert, med utrolig høy oppløsning,» Hughes sa. «Dette er en enestående utsikt over hvordan en manipulator styrer sin vert.,»
for Å behandle at mengden av data, forskere deretter ansatt kunstig intelligens (AI) og maskin-læring algoritmer for å analysere bilder.
«Våre samarbeidspartnere ved Notre Dame var i stand til å bruke dype lære å trene datamaskiner til å skille mellom sopp og ant-celler slik at vi kunne finne ut hvor mye av organismen er maur, og hvor mye som er soppen,» Hughes forklart.,
– >
– >
En maur manipulert av «zombie ant sopp» biter på undersiden av en kvist — sin siste handling før dø og bli en plattform for sopp reproduksjon.
«utvikling av cutting-edge, deep-læring modell for å identifisere sopp-og ant-celler ble fullført og samarbeid samarbeid,» sa Danny Chen, professor of computer science og engineering, University of Notre Dame., «Penn State gruppen produserte mye av merket image data, som vår gruppe som brukes for opplæring, testing og forbedring av vår dype nevrale nettverk modell. Det var virkelig fantastisk å se hvor godt biologer og AI forskere jobbet sammen for å takle dette problemet så effektivt.»
resultatene, som er publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences, viste at O. unilateralis s.l. cellene var til stede hele nesten alle regioner i host maur’ organer, blant annet i hodet, bryst, buk og ben., I tillegg er en stor andel av disse fungal cellene ble koblet, noe som tyder på at de danner et nettverk for å kontrollere vert atferd kollektivt.
«Vi fant at en høy andel av cellene i host ble fungal celler,» sa Hughes. «I hovedsak disse manipulert dyr ble en sopp i maur’ klær.»
Likevel, selv om fungal cellene var konsentrert rett utenfor hjernen, forskere observerte ingen fungal cellene i hjernen.,
«Normalt i dyr, atferd er styrt av hjernen sender signaler til musklene, men våre resultater tyder på at parasitten er å kontrollere vert atferd perifert,» Hughes sa. «Nesten som en puppeteer trekker i trådene for å gjøre en marionette flytte, sopp styrer ant muskler til å manipulere vert ben og mandibles.»
Selv om det vert hjernen ikke er invadert av fungal celler, tidligere arbeider har vist at hjernen kan være kjemisk endret av parasitten, Hughes er angitt.,
«Vi oppfatte hva andre tenker at soppen kan være å bevare hjernen, slik at verten kan overleve til den utfører sin endelige biting oppførsel — som kritisk øyeblikk for sopp reproduksjon. Men vi trenger å foreta ytterligere undersøkelser for å finne ut hjernen sin rolle og hvor mye kontroll sopp øvelser over det.»
Andre forskere på studiet var Yizhe Zhang, Institutt for Computer Science og Engineering, University of Notre Dame, Raquel Loreto, postdoctoral lærd i entomologi, Penn State, og Colleen Mangold, postdoktorstipendiat i biokjemi og molekylær biologi, Penn State.,
The National Science Foundation, the National Institutes of Health, Comissao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nival Superior-Brasil, og American Heart Association støttet dette arbeidet.