UNIVERSITY PARK, Pa. – En svampparasit som infekterar myror och manipulerar deras beteende för att gynna svampens reproduktion åstadkommer denna prestation utan att infektera myrornas hjärnor, enligt en studie ledd av Penn State-forskare.,
istället Ophiocordyceps unilateralis sensu lato — ett komplex av arter som ibland kallas ”zombie ant fungus” — omger och invaderar muskelfibrer i hela myrans kropp, och svampceller bildar ett 3-D-nätverk som kan göra det möjligt för dem att kollektivt kontrollera värdbeteende, sa forskarna.
tidigare forskning visade att denna artspecifika parasit styr beteendet hos snickare ant arbetare, tvinga dem att klättra vegetation och bita i undersidan av löv eller kvistar, där de dör., När svampen växer i myran kadaver, producerar den en stjälk som sticker ut från myrans huvud och släpper ut smittsamma sporer på marken nedan, där de kan infektera andra födosökande myror.,
” för att bättre förstå hur sådana mikrobiella parasiter kontrollerar djurbeteende tittade vi på cellnivå interaktioner mellan parasiten och dess snickare-Ant värd vid ett avgörande ögonblick i parasitens livscykel-när den manipulerade värden fixar sig permanent till vegetation genom sina mandibles”, säger huvudförfattare Maridel Fredericksen, tidigare magisterexamen i entomologi vid Penn State, nu doktorand vid universitetet i Basel Zoological Institute, Schweiz.,
”svampen är känd för att utsöndra vävnadsspecifika metaboliter och orsaka förändringar i värdgen uttryck samt atrofi i underkäken musklerna i dess ant värd,” sade hon. ”Det förändrade värdbeteendet är en förlängd fenotyp av den mikrobiella parasitens gener som uttrycks genom värdens kropp. Men det är okänt hur svampen samordnar dessa effekter för att manipulera värdens beteende.”
för att undersöka detta infekterade forskargruppen myror med antingen O. unilateralis s. l., eller med en generalist svamppatogen, Beauveria bassiana, för att skilja mellan effekter som är gemensamma för patogena svampar från de som är specifika för O. unilateralis s.l.
med hjälp av seriell block-face scanning-elektronmikroskopi skapade laget 3-D visualiseringar för att bestämma fördelningen, överflöd och interaktioner av svamparna inuti myrornas kroppar. Denna användning av tekniken representerade ett genombrott i studien av detta parasitvärdsystem, enligt seniorförfattaren David Hughes, docent i entomologi och biologi, Penn State.,
arbeta med medförfattare Missy Hazen i mikroskopi och cytometri anläggning Penn State ’ s Huck Institutes of the Life Sciences, forskare tog skivor av vävnad vid 50 nanometer och tagna bilder av varje skiva, med hjälp av en maskin som kunde upprepa den processen 2,000 gånger under en 24-timmarsperiod.
”genom att stapla dessa skivor kunde vi rekonstruera dem i 3-D, vilket ger oss en mikron – nivåvy av interaktionen mellan svampen och värden, med otroligt hög upplösning”, sa Hughes. ”Detta är en aldrig tidigare skådad bild av hur en manipulator styr sin värd.,”
för att bearbeta den mängden data använde forskarna sedan artificiell intelligens (AI) och maskininlärningsalgoritmer för att analysera bilderna.
”våra medarbetare på Notre Dame kunde använda djupt lärande för att träna datorer för att skilja mellan svamp-och myrceller så att vi kunde bestämma hur mycket av organismen som är myra och hur mycket är svamp”, förklarade Hughes.,
en myra manipulerad av ”zombie ant — svampen” biter på undersidan av en kvist-dess sista handling innan den dör och blir en plattform för svampreproduktion.
”utvecklingen av den banbrytande, djuplärande modellen för att identifiera svamp-och myrceller var komplett och samarbetande lagarbete”, säger Danny Chen, professor i datavetenskap och teknik, University of Notre Dame., ”Penn State group producerade mycket märkt bilddata, som vår grupp använde för träning, testning och förbättring av vår djupa neurala nätverksmodell. Det var verkligen fantastiskt att se hur bra biologer och AI-forskare arbetade tillsammans för att ta itu med detta problem så effektivt.”
resultaten, som publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences, visade att O. unilateralis S. L. celler var närvarande i nästan alla regioner i värdmyrans kroppar, inklusive i huvudet, bröstkorgen, buken och benen., Dessutom var en stor del av dessa svampceller anslutna, vilket tyder på att de bildar ett nätverk för att kontrollera värdens beteende kollektivt.
”Vi fann att en hög andel av cellerna i en värd var svampceller”, säger Hughes. ”I huvudsak var dessa manipulerade djur en svamp i myrkläder.”
även om svampceller koncentrerades direkt utanför hjärnan, observerade forskare inga svampceller i hjärnan.,
”normalt hos djur styrs beteendet av hjärnan som skickar signaler till musklerna, men våra resultat tyder på att parasiten kontrollerar värdbeteendet perifert”, säger Hughes. ”Nästan som en marionett drar strängarna för att göra en marionettrörelse, kontrollerar svampen myrans muskler för att manipulera värdens ben och mandibles.”
även om värdhjärnan inte invaderas av svampceller har tidigare arbete visat att hjärnan kan förändras kemiskt av parasiten, noterade Hughes.,
” vi hypoteser att svampen kan bevara hjärnan så att värden kan överleva tills den utför sitt slutliga bitande beteende – det kritiska ögonblicket för svampreproduktion. Men vi måste genomföra ytterligare forskning för att bestämma hjärnans roll och hur mycket kontroll svampen utövar över den.”
andra forskare på studien var Yizhe Zhang, Institutionen för datavetenskap och teknik, University of Notre Dame; Raquel Loreto, postdoktoral forskare i entomologi, Penn State; och Colleen Mangold, postdoktor i biokemi och molekylärbiologi, Penn State.,
The National Science Foundation, National Institutes of Health, Comissao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nival Superior-Brasilien, och American Heart Association stött detta arbete.