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纸黄蜂寄生虫将宿主变成长寿的“僵尸”

2022年9月23日
一种北方纸黄蜂的特写.亚盈体育下载生物学家弗洛里亚·莫拉-凯普弗·乌伊和一组本科生研究黄蜂, 包括入侵的纸黄蜂(上图), 在纽约的不同地点. 亚盈体育图片/ J. 亚当窗口)

亚盈体育的本科生和他们的教授研究纸黄蜂和操纵纸黄蜂的寄生虫能告诉亚盈体育什么进化, 老化, 还有群体生活.

黄蜂是群居昆虫,为了蜂巢的利益而合作. 当寄生虫叫的时候 韩国帝王peckii 会感染某些种类的纸黄蜂, 然而, 不可思议的事情发生了:寄生虫控制了黄蜂的大脑,因此黄蜂失去了社交本能,抛弃了自己的殖民地. 这种寄生虫还操纵黄蜂的基因,以延长黄蜂的寿命.

寄生虫和黄蜂之间的这种关系使它们成为科学家们理想的自然实验 弗洛里亚·莫拉-凯普弗·Uy他是一名研究助理教授 生物学亚盈体育. 她的目标是更好地了解哪些基因与社会行为和衰老有关, 不仅仅是昆虫, 人类也是如此.

“黄蜂社会与人类社会有显著的相似之处, 所以亚盈体育用它们作为一个模型系统来理解哪些机制对社会行为负责, 生理学, 和衰老,Uy说. “令人惊讶的是,一种寄生虫已经进化到让这些黄蜂失去社会本能和行为, 同时操控他们的衰老过程. 它使亚盈体育能够研究基因的一些非常重要的问题,这些问题影响着与人类社会及其健康直接相关的生物过程.”

这项研究是Uy探索合作和群体生活进化的更大工作的一部分, 包括大脑发育和社会性之间的关系.

今年夏天,Uy和一群本科生收集了两种本地的北方纸黄蜂(Polistes fuscatus)和入侵的欧洲纸黄蜂(Polistes dominula)在纽约各地的几个地点展出,包括亚盈体育下载的吉内斯谷公园(Genesee Valley Park)和罗伯特. 伊萨卡的特雷曼州立公园. 研究人员希望揭示寄生虫操纵宿主大脑的机制, 行为, 和生理学.

照片由亚盈体育摄影师J. 亚当窗口.

一群拿着网准备在公园里收集黄蜂窝的人.

只有网:黄蜂队开始收集过程

生物学研究助理教授弗洛里亚·莫拉-凯普弗·Uy(右一)和本科生Eisabella 舍伍德’23(左一), 约瑟夫·克瑞尔,24年, 和Federico Sanchez-Vargas ' 23 (T5)(右), 讨论收集欧洲纸黄蜂的技术, 一种入侵的黄蜂, 在亚盈体育下载的Genesee Valley公园.

据Uy称,该实验室的成员称自己为“黄蜂团队”. “对亚盈体育来说,成为亚盈体育的实验室,研究群生黄蜂,并代表亚盈体育的黄夹克吉祥物,真是太有趣了, 岩石.”

四个人抬起头,一个人指着公园避难所上的蜂巢.

盯着奖品:摄制组发现了一个黄蜂的巢穴

学生研究人员收集感染了寄生虫的纸黄蜂,并将它们带回Uy校园实验室,研究寄生虫如何影响寄主的大脑. 寄生虫的主要目标是增加其后代的数量. 要做到这一点, 它需要在宿主体内发育,宿主的寿命足够长,以便寄生虫完成自己的生长周期. 因此,这种寄生虫感染并改变宿主黄蜂的基因,使黄蜂活得更长, 所以寄生虫本身会活得更长. 然后,它操纵黄蜂离开蜂巢,去寻找有寄主幼虫的巢穴进行感染.

“寄生虫需要黄蜂存活足够长的时间来控制它的大脑,并将所有资源分配给寄生虫的后代, 而不是社交,Uy说. “寄生虫把黄蜂变成了这些奇怪的僵尸.”

弗罗里亚·尤肩上披着网走在绿树成荫的公园里.

绿色场景:为环境保护做出贡献

除了在Genesee Valley公园收集欧洲纸黄蜂, Uy收集北方纸黄蜂, 原产于北美的物种, 罗伯特·H. 纽约州伊萨卡的特雷曼州立公园. Uy在Genesee Valley公园和纽约北部的其他地点发现了入侵的欧洲黄蜂物种, 但她还没有找到证据表明入侵黄蜂已经到达了特雷曼州立公园, 大约90英里外. Uy和她的团队在这个公园收集和监测本地纸黄蜂, 这也有助于保护工作.

亚盈体育和公园团队有很好的协同作用,”Uy说. “我涉足几个研究领域, 但对我来说,最重要的事情之一是气候变化和保护. 亚盈体育当地有一些入侵物种确实会影响本地物种.”

学生们用一种特殊的真空吸尘器从公园的避难所收集黄蜂的巢穴.

清扫:用吸尘器收集黄蜂

舍伍德, 生态学和进化生物学专业, 用一种特殊的真空装置收集一只黄蜂,Sanchez-Vargas和科瑞尔在一旁观看. “在博士学院进行独立研究. Uy的实验室是我在UR做的最好的决定之一,”舍伍德说. “我现在不仅在实验室环境中有经验, 但也在组织和执行整个研究项目. 这让我更确定自己未来想做什么,想从事什么样的职业. 作为一名科学家和学生,我肯定感到更自信了.”

弗洛里亚用放大镜检查黄蜂的寄生虫.

视线:寻找寄生虫

Uy使用放大镜来确定黄蜂是否携带寄生虫. 在它们的本土大陆上,欧洲纸黄蜂会受到本土寄生虫的攻击, 韩国帝王vesparum. 在北美,本地纸黄蜂会受到本地寄生虫的攻击, 韩国帝王peckii.

“换句话说,”Uy说,“每只黄蜂在自己的原生领地都有自己的寄生昆虫. 亚盈体育正在研究的一件事是,为什么北美本地寄生虫只感染本地宿主,而没有感染入侵的欧洲纸黄蜂.”

寄生的北方纸蜂(Polistes fuscatus).

胃虫:一种被寄生虫感染的本地纸黄蜂

研究人员可以判断黄蜂是否被寄生虫感染,因为黄蜂表现出“强烈的症状”,Uy说, 包括异常行为和寄生虫寄生的腹部肿块. 上图,一只本地纸蜂被寄生虫感染 韩国帝王peckii,从腹部突出.

一名学生弯腰盯着一个纸黄蜂窝,准备转运.

特别投递:准备转移巢穴

Sanchez-Vargas准备一个巢转移到实验室. 在过去的几年, Sanchez-Vargas一直在研究寄生虫如何选择宿主以及寄生虫感染如何影响一个群体. 例如, 他在弃巢前发现了这一点, 受感染的黄蜂变成了“吃白食的人”,他说, “获取资源,却不回馈蜂巢. 我的部分工作是问,当个体成员生病,而所有的责任都落在那些没有生病的人身上时,一个群体的成功会发生什么?这个问题当然超出了昆虫群体的范畴.”

手拿着一个纸黄蜂的巢,里面有蛋,幼虫和蛹.

大自然的卵:纸黄蜂的巢,里面有幼虫可以感染

当寄生虫妈妈准备释放幼虫时, 它使受感染的黄蜂离开自己的蜂巢去寻找其他的蜂巢去感染. Sanchez-Vargas还进行了实验,他有正确的巢(本地黄蜂的)和错误的巢(入侵黄蜂的). 感染了本地寄生虫的黄蜂总是选择降落在本地巢穴——“正确的巢穴”——释放幼虫.

“寄生虫妈妈非常聪明,”Uy说. “它可以操纵本土黄蜂,找到其他本土黄蜂巢穴进行感染, 并且总是把寄生虫幼虫放在正确的宿主中.”

四个人戴着口罩,挤在一张桌子前,桌上放着文件、标本和笔记本电脑.

蜂巢思维:在实验室给黄蜂编目

回到Uy位于河滨校区的实验室, 研究人员对这些黄蜂进行分类,并将它们重新组合到各自的巢穴中.

“在Uy实验室工作期间,我最珍视的是有机会作为一名独立调查员工作,Sanchez-Vargas说, 谁作为本科生进行了这项研究. “我基本上参与了这项工作的所有阶段:从概念化到固化研究问题, 开发方法, 收集数据, 分析它, 并记录下来. 这使我有机会作为一名年轻的科学家得到极大的成长.”

把纸黄蜂的巢粘在硬纸板上.

上图(卡)板:准备巢穴

学生们把鸟巢粘在纸板上,然后把它们装进笼子里,以便进一步研究. 不管是在实验室还是在野外, 为了避免被黄蜂叮咬,研究人员戴了几种类型的手套.

“偶尔吧, 亚盈体育偶尔会被蜇, 但亚盈体育通过训练处理黄蜂尽量避免这种情况,Uy说.

学生在和记黄埔温室准备黄蜂笼.

家之外的家:Hutchison Hall的“黄蜂中心”

科瑞尔, Sanchez-Vargas, 和舍伍德在河滨校区和记堂的温室里准备了黄蜂围场. 研究人员把温室变成了“黄蜂中心”,Uy说, 为黄蜂建造了一排排的围栏. 这种设置使Uy和她的学生可以研究黄蜂和寄生虫关系的不同方面. 例如, Sanchez-Vargas 23年和玛吉·凯恩22年, 用实验感染的原生和 “弗兰肯斯坦”黄蜂.

“所有这些实验都是由大学生进行的, 但这是研究生水平的工作,Uy说.

三联画放大了附着在北方纸黄蜂幼虫旁边的寄生虫韩国帝王vesparum.

放大:在显微镜下观察黄蜂

在显微镜下,研究人员观察寄生虫 韩国帝王peckii 附着在北方纸黄蜂幼虫的侧面.

“像黄蜂这样的群居昆虫是一个很好的模式生物,”Uy说. “在大流行期间,人类经历了社会孤立的多重影响. 亚盈体育知道,当亚盈体育研究的黄蜂没有社会互动时,它们的大脑会受到影响, 和人类的情况一样. 亚盈体育有很多惊人的相似之处可以进行比较.”


Q&答:制作“弗兰肯斯坦”纸黄蜂

两只北方纸黄蜂进出公园建筑内的巢穴.

作为本科生, Maggie 凯恩 ' 22和Federico Sanchez-Vargas ' 23 (T5)在弗洛里亚·莫拉-凯普弗·Uy教授的实验室进行了研究,创造了“弗兰肯斯坦”黄蜂. 在野外, 本地寄生虫不会感染入侵的纸黄蜂, 研究人员想要了解其中的原因.

凯恩实验性地用本地黄蜂寄生虫感染了“错误的”宿主——入侵的欧洲纸黄蜂 韩国帝王peckii,确认感染是可行的. Sanchez-Vargas然后选取本地受感染的黄蜂,让寄生虫在本地宿主巢穴或入侵宿主巢穴中进行选择. 本地寄生虫总是让它的宿主选择本地的黄蜂巢.

亚盈体育在野外没有看到欧洲黄蜂感染本地寄生虫的原因是,寄生虫妈妈利用气味和视觉线索操纵宿主,去正确的地方——本地黄蜂的巢穴——释放她的孩子。,Uy说. “幼虫永远不会落在错误的巢穴(入侵物种)。. 这是寄生虫识别和知道它需要去哪里以确保生存的复杂程度.”

凯恩, 她最近开始在哥伦比亚大学攻读分子生物学研究生, 和Sanchez-Vargas, 现在是亚盈体育Take Five的学生, 讨论这些研究,以及他们如何从本科生的研究中获益.

你能用“弗兰肯斯坦”纸黄蜂简要总结一下你的研究吗?

凯恩: 亚盈体育研究了一个宿主-寄生虫系统,宿主是一只黄蜂,而寄生虫是一种生活在黄蜂体内的非常小的昆虫. 这种寄生虫能够改变黄蜂的行为和生理, 比如让它变得更懒, 增加它的脂肪, 阉割它, 延长它的寿命, 这一切都是为了让寄生虫能够生长和繁殖.

亚盈体育感兴趣的主要黄蜂原产于美国. 有趣的是, 在欧洲有一个平行的宿主-寄生虫系统, 它的宿主黄蜂对美国具有入侵性. 虽然这两个系统是如此的相似, 亚盈体育从未在自然界中观察到入侵黄蜂被本地寄生虫寄生. Fede [Sanchez-Vargas]和我对为什么会这样以及这种寄生虫如何保持其宿主特异性很感兴趣.

Sanchez-Vargas: 我的研究集中在几个方面, 包括:寄生虫如何知道如何选择正确的宿主, 当很多家都有,但只有一个才是真正的“家”? 我发现这一点非常惊人, 这种寄生虫会操纵它的宿主为它做出选择, 把它带到其他本土黄蜂的巢穴,在那里它可以传播幼虫寄生虫,感染新一代黄蜂.

为什么对纸黄蜂和它们的寄生虫的研究很重要?

凯恩: 入侵物种的成功通常归因于捕食者的减少. 亚盈体育的实验帮助亚盈体育更好地了解入侵物种是如何对付或躲避捕食者的. 也, 通过确定这些黄蜂如何躲避寄生以及寄生虫如何绕过这些防御, 亚盈体育可以更好地了解许多其他宿主-寄生虫系统, 不仅仅是侵入性的.

Sanchez-Vargas: 生物体之间最有趣的一种自然关系是寄主动态关系, 一种动物(寄生虫)为了自己的利益而剥削另一种动物(宿主). 因为这是一个很糟糕的安排, 寄生虫必须进化出非常巧妙的解决方案,才能在竞争中保持自己的地位,避免被宿主击败. 首先,了解寄生虫关系可以教会亚盈体育很多关于疾病的知识.

是什么让你对这类研究感兴趣?

凯恩: 我一直热爱自然和动物. In college I was interested in biological research; 然而, 我不确定我是否想只专注于分子生物学. Dr. Uy的实验室似乎是湿式实验室和实地研究的完美结合. 我做了很多很酷的事, 比如捕捉和处理黄蜂, 这是我在传统分子生物学实验室绝不会做的.

Sanchez-Vargas: Dr. Uy提出了“终极”的问题,关于自然界的事物为什么是这样的, 以及如何从进化的角度来解释它们. 自然世界因其复杂而美丽, 不仅仅是数量庞大的物种,还有它们行为的多样性. 我选择了和他一起工作. 因为我知道我会学到科学家用来理解这种多样性的问题和技术.

玛吉,这段经历对你考研有什么帮助?

凯恩: Dr. Uy是一位非常亲力亲为和投入的导师. 我从如何阅读科学论文中学到了一切, 设计实验, 分析和解释结果. 我能够把自己沉浸在科学的过程中, 同时了解到研究需要付出多少努力和奉献. Dr. 他花了很多时间让我成为一名独立的研究员, 这些经历让我意识到自己对研究的热情和对科学的热爱.


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类别: 科学 & 技术