I. 物種定義的挑戰
通常認為，同一物種成員能夠彼此交配並產生可育後代，而不同種之間無法成功繁殖。然而，演化史的案例中不乏拍案驚奇的特例，這些特例往往潛藏著生物顛覆性的創意。 Y. Juvé 等人在今年9月《自然》（Nature）期刊上發表其團隊研究，精確地揭示了這樣一個前所未見的特例，主角是生活在歐洲西南部的一種收割蟻——伊比利收割蟻（Messor ibericus）。
故事的起源是科學家基因分析M. ibericus時，發現的一個令人費解的異常現象。在螞蟻社會中，工蟻通常是蟻后與雄蟻交配後產生的單一物種後代。然而，研究人員卻發現M. ibericus 的工蟻都是來自兩個不同物種的「第一代雜交體」（F1 hybrids），DNA定序結果顯示它們的母親是M. ibericus 蟻后，而父親卻是另一個物種——黑麥收割蟻 (Messor structor)。
為了進一步解析的這個結果，研究團隊進行了詳細的基因組與粒線體 DNA 定序。結果顯示，雖然雜交工蟻攜帶了M. ibericus 蟻后的粒線體 DNA（母系遺傳），但它們的細胞核基因組卻同時包含了來自M. ibericus 與M. structor 兩者的遺傳物質。更值得注意的是，這些雜交工蟻的基因雜合度（heterozygosity）極高，比親源相近的同屬工蟻高出約 15 倍[1]，這明確地支持了它們是兩個物種間雜交的產物(圖1a)。
這一發現本身已經足夠令人稱奇，因為它意味著M. ibericus 蟻群的正常運作仰賴於跨物種的雜交 。然而，更深層的矛盾隨之浮現，研究團隊在歐洲南部，遠至義大利西西里島，發現了繁殖中的M. ibericus 雜交工蟻族群，然而這些區域卻完全沒有M. structor 雄蟻或其族群的蹤跡(圖1b) 。在某些案例中，最近的 M. structor 族群甚至遠在數百甚至上千公里之外，這樣的距離，生物個體的自然擴散範圍內幾乎無法跨越，使得傳統的交配模式無法解釋。這使得研究人員提出一個大膽的假設：M. ibericus 蟻后，必然在自己的蟻巢內，以某種獨特的機制，生育出另一個物種——M. structor 的雄蟻 。
 |
圖1. M. ibricus義務性雜交以生產工蟻，使其聚落能夠擴展至親代物種分佈範圍之外 (取自Juvé et al.,20251) a. 研究團隊分析了來自歐洲五個Messor屬物種的390個個體的全基因組定序，結果顯示在分析的五個物種中，M. ibericus中，所有工蟻基因組（n = 164）的基因雜合度比其他四個物種的蟻后及工蟻（n = 127；分析43,084個SNP）高，平均雜合度為0.797 vs 0.047。 b. 研究團隊根據採樣結果和文獻報告估算M. ibericus雜交工蟻及其親源的分佈區域，藍色區域為M. ibericus、紅色區域為M. structor。分佈在雙親種共存區域的雜交工蟻，以M. ibericus蟻后（藍色）和M. structor雄蟻（紅色）的圖像標示，而分佈在沒有父系親源的地區的雜交工蟻，也以相同的圖像顯示，但用「?」代替父種來源。 |
II. 高通量基因體定序技術的應用：從片段組裝至全基因組解析這項研究的成功，很大程度上歸功於先進的基因體學技術，特別是長片段定序（Long Read Sequencing, PacBio）與次世代定序（Next Generation Sequencing, Illumina）的協同應用。這些技術不僅提供了龐大的基因數據，更確保了基因組組裝的正確度，為後續的複雜分析奠定了堅實基礎。
長片段定序（PacBio）的角色：組裝高品質的參考基因組
要進行全面的族群基因分析，首先需要一個高品質的參考基因組。傳統的次世代定序技術會將基因組打斷成數百個鹼基對的短片段，這對於複雜或重複序列較多的基因組組裝來說，常常會產生片段或組裝錯誤。為了解決這個問題，研究團隊採用了太平洋生物科學公司（PacBio）的長片段定序技術 。這種技術能夠產生平均長度達數萬鹼基對的超長讀長（long reads），大大簡化了基因組組裝的難度。
研究人員從一隻 M. ibericus 蟻后身上純化得到高分子量的 DNA，並同時使用 PacBio 及Illumina平台進行DNA定序，利用這些長讀長及輔以短片段的兩種定序結果，成功地組裝出了一個高品質的 M. ibericus 參考基因組，其組裝完整度（BUSCO score）[2]達到了驚人的97.7% [3]。這個完整的基因組就像是一幅精確的參考地圖，為後續所有基因組數據的定位與分析提供了基準，確保了基因位點的準確性 。
次世代定序（NGS）的角色：大規模的族群基因分析
在獲得了高品質的參考基因組後，研究團隊轉而利用 Illumina 的次世代定序技術，對來自歐洲各地、涵蓋多個物種與階級的數百隻螞蟻個體進行了大規模的低覆蓋度(15x)全基因組定序 。NGS 技術成本較低，通量極高，非常適合進行大樣本量的族群基因分析。利用這些 NGS 數據，研究人員能夠精準地鑑定每個個體的SNP位點。這些數據被用於：
- 基因雜合度分析：從327隻M. ibericus的基因組定序結果，分析出43,084個SNP位點(去除indel、移除MAF低於 0.05及移除數據缺失高於 0.8 的 SNPs)，作為基因雜合度及族群分析的根據。
- 演化分析：由於雜交個體同時帶有不同物種的基因，會干擾系統發育關係的推斷。因此，研究排除了所有雜交個體，僅基於 223 個非雜交個體的5,856 個核基因來構建。
- 母系追溯：分析粒線體 DNA，追溯所有個體的母系血統 。
- 父系鑑定：由於所有雜交工蟻都只在 M. ibericus 蟻后的蟻群中被發現，研究人員可以合理地假設，雜交工蟻的母系基因組必定來自 M. ibericus，又M. ibericus 的遺傳多樣性非常低，這關鍵資訊使得研究人員能夠精確地識別出屬於母系的等位基因，並將其與父系等位基因區分開來，大大降低了混淆的可能性，例如在雜交個體的異型合子位點上，只要有一個等位基因與母系參考基因組（M. ibericus）匹配，那麼這個等位基因就被歸類為母系、另一個不匹配的等位基因則被推定為來自父系物種（M. structor），如此，根據分離出的父系和母系等位基因，重新構建完整的父系和母系序列。
 |
| 圖2. 同一M. ibericus蟻巢中的M. ibericus和M. structor雄蟻。左側為M. ibericus，右側為M. structor。不同種類的雄蟻在毛量和胸部形狀方面有明顯差異，所以很容易用肉眼識別。(取自Juvé et al.,20251) |
III. 精細的實驗與突破性發現：兩種雄蟻的誕生與「異種生殖」
為了驗證前述的大膽假設，研究團隊對多個 M. ibericus 的蟻巢進行了更深入的監測與基因分析(26個蟻巢，132隻雄蟻)，結果揭示了前所未見的繁殖機制。他們在同一個蟻巢中，同時發現了兩種形態與基因截然不同的雄蟻(圖2) 。一種是體型較大、全身覆蓋濃密毛髮的M. ibericus 雄蟻，其遺傳物質與蟻后同屬一物種 。另一種則是體型較小、幾乎無毛的雄蟻，而它們的DNA定序結果驚人地顯示，它們屬於M. structor 物種 。
粒線體 DNA 的關鍵證據
要證明 M. ibericus 蟻后確實是這些M. structor 雄蟻的母親，最直接的證據便是粒線體 DNA 的遺傳模式。由於粒線體的來源是源自於母親卵子的細胞質，因此，如果蟻后確實產下了這些異種雄蟻，它們的粒線體 DNA 應該與蟻后的完全一致 ，而基因定序結果證實了這一點：在所有被檢測的 M. structor 雄蟻中，其粒線體 DNA 都與同巢的M. ibericus 蟻后序列吻合 。這種「核質不匹配」（cytonuclear discordance）的現象，即細胞核基因與粒線體基因來源不一致，為 M. ibericus 蟻后是M. structor 雄蟻的生母提供了分子生物學證據 (圖3)。
 |
| 圖3. M. ibericus蟻后可以產下本身物種的雄蟻，還能產下另一種物種 (M. structor) 的雄蟻。這兩種雄蟻在形態上有所不同(取自Juvé et al.,20251)（a圖M. ibericus雄蟻有毛，b圖M. structor雄蟻無毛），並且在繁殖角色也功能分工： M. ibericus 雄蟻的精子用於繁殖新蟻后，而 M. structor 雄蟻的精子則用於繁殖工蟻。儘管兩種雄蟻在核基因上有所不同，但它們都擁有來自 M. ibericus 的相同粒線體，這意味著它們的母系血緣是相同的。c圖為演化，是基於 5,656 個核基因（2,780,573 bp）的分析結果，顯示這兩種物種之間的遺傳差異。 |
研究人員對5 個M. ibericus實驗室蟻群的286個卵或幼蟲進行分析，結果顯示其中 11.5% 的個體核基因組源自M. structor，為了確認這些的卵是由 M. ibericus 蟻后生產，而非混種工蟻，團隊隔離了 16 隻蟻后，並在 24 小時後對其新產下的卵進行基因型分析。結果再次發現，其中 9% 的卵完全含有 M. structor 的 DNA。
為了排除任何野外偶發因素的影響，研究團隊將單一的 M. ibericus 蟻后在完全隔絕的實驗室環境中飼養並監測 。經過長達數個月的觀察，他們親眼記錄了蟻后同時生產出兩種雄性後代——M. ibericus 雄蟻和M. structor 雄蟻的過程：在七個發育為有生殖能力雄蟻成體的卵中，有兩隻被鑑定為 M. structor 雄蟻（無毛），三隻被鑑定為 M. ibericus 雄蟻（有毛）。DNA定序分析證實了其形態學鑑定結果，它們的核基因組分別單獨匹配 M. ibericus 或 M. structor。
這結果意味著這種生殖現象已經跨越了物種障礙，即這些異種雄性可能是透過儲存在貯精囊中的異種精子進行複製。與此解釋一致的已知現象是M. ibericus 蟻后是一后多雄的，當研究人員對一隻同時產下兩種雄性的蟻后的貯精囊內容物進行定序時，發現其中包含了 M. ibericus 和 M. structor 兩種精子。這結果可以用「精子寄生」（sperm parasitism）這特殊的生殖現象來解釋，它指的是某些螞蟻物種的蟻后會利用來自另一物種雄蟻的精子，來繁殖自己的後代。這種現象通常發生在兩種密切相關的物種共同生存的環境中。當蟻后需要繁殖工蟻時，她會使用這些異種精子來使卵子受精，從而產生雜交後代。這些後代通常是工蟻，它們的基因組同時包含來自母系和異種父系的基因。這不尋常的生殖策略，推測有幾種演化優勢：1. 雜交優勢（Hybrid Vigor）- 雜交工蟻可能比純種工蟻更強壯、更健康，具有更高的生存率或工作效率。這能增強整個蟻群的適應性。2. 確保工蟻來源：對於某些物種，由於基因上的特定機制，如果只使用同種精子，可能無法有效或穩定地產生工蟻。利用異種精子則能避免這類缺陷，確保工蟻這個重要勞動力來源的供應。3. 減少基因衝突：在某些情況下，這種寄生關係能幫助蟻后解決自身物種內部的基因衝突問題，例如避免因近親繁殖而導致的遺傳缺陷。
以上精子寄生現象可以符合在M. ibericus、M. structor分佈共存區域的M. structor 精子來源，但僅有M. ibericus分布的區域該如何解釋? 為回答這問題，團隊再提出了以下假設：在受精過程中，當 M. ibericus 蟻后的卵子被M. structor 雄蟻的精子穿透後，發生了極為罕見的演化事件：卵子自身的細胞核DNA被排除或降解，而精子所攜帶的核基因則被完整保留 。這個只含有父系單倍體基因組的卵子，隨後直接發育成為一個新的個體，這樣的雄性複製系在遺傳上屬於 M. structor，但卻由M. ibericus 蟻后所孕育 。這種特殊的無性生殖模式，被精確地稱為「跨物種雄核生殖」（cross-species androgenesis）。基於這些發現，研究人員提出了「異種生殖」（xenoparity）的概念，意指雌性個體為了自身的生命週期，必須繁殖另一物種的後代 。在這個案例中，M. ibericus 蟻后繁殖M. structor 雄蟻的唯一目的，便是為了獲得這些雄蟻所提供的精子，用以與自身未受精的卵子結合，從而產生具有雜交優勢的雜交工蟻，維持整個蟻群的正常運作 。
為了確認確實有雄性複製系的出現，研究人員檢視了 M. structor 細胞核基因演化的兩個主要分支（圖 4c）。正如預期，其中一個分支對應一個複製系，僅由幾乎完全相同的 M. structor 雄蟻組成，這些雄蟻全部在 M. ibericus 蟻群中被發現，並攜帶 M. ibericus 的粒線體（n = 24）。對照之下，團隊也找到了另一個「野生型」譜系，這個分支包含了野外M. structor的族群個體，包含以後、雄蟻及工蟻（n = 53）。
分析M. ibericus的雜交工蟻（n = 164）的確切父系來源發現「野生型」或「複製系」並存：儘管大多數雜交工蟻的父方來自複製系雄蟻（164 隻中的 144 隻），但其中一些（164 隻中的 20 隻）的父方來自野生型雄蟻，這證實了祖先狀態假說(即精子寄生)在近期仍然發生（圖4a）。而祖先狀態的案例僅限於兩種物種仍然共存的有限地理區域（例如，法國東部；圖1b）。相反地，演化後的複製系雄蟻則廣泛分佈於整個歐洲，因為維持一個雄性複製系可能讓 M. ibericus 能夠迅速擴展到 M. structor 的自然分佈範圍之外的區域（例如，地中海地區的歐洲；圖1b）。
 |
圖4. 藉由分析M. structor的遺傳和型態譜系結果證實精子寄生到跨物種複製的演化(取自Juvé et al.,20251)。 a. M. ibericus 生殖系統的祖先狀態，取樣中的 20 個蟻群可歸屬該狀態 b. M. ibericus 生殖系統的演化後狀態；取樣中的 130 個蟻群屬於這現象。在這情形中M. structor 雄蟻(紅色染色體)具有 M. ibericus 的粒線體基因組(藍色粒線體) c. 演化，其中雜交工蟻的父系和母系基因組已被分開。
d. 來自 M. structor 蟻群的 M. structor 雄蟻照片（有毛）。 e. 來自 M. ibericus 蟻群的 M. structor 雄蟻照片（無毛）。 |
那麼，這種令人難以置信的繁殖模式是如何演化而來的？研究團隊提出了從「精子寄生」（sperm parasitism）到「性擇馴化」（sexual domestication）的演化模型。
演化祖先：精子寄生與雜交優勢
在演化的早期，M. ibericus 的祖先可能與其近親蟻種一樣，與其他種存在交配行為。當其與 M. structor 雄蟻交配後，所產生的雜交工蟻表現出前述的「雜交優勢」。這種優勢體現在多個方面：雜交工蟻可能擁有更強的適應力，例如更有效率的覓食行為、更強大的築巢能力或對疾病的更高抵抗力 。由於雜交工蟻在蟻群的生存和成功中扮演著核心角色，蟻后會演化出偏好利用異種精子來生產工蟻的機制，這便形成了最初的「精子寄生」關係 。然而，這種關係存在一個巨大的演化限制：M. ibericus 的繁衍完全依賴於野生M. structor 族群的存在與地理分佈 。
演化轉折：跨物種雄核生殖
為了擺脫對外部 M. structor 族群的依賴，M. ibericus 蟻后發生了一次關鍵性的演化大躍遷。它們演化出「跨物種雄核生殖」的能力，即能夠在沒有外部雄蟻提供精子的情況下，直接從其儲存的異種精子中，複製出一個基因上屬於M. structor 的雄性個體 。這一機制的演化使得 M. ibericus 蟻后能夠將M. structor 的繁殖循環完全「內化」到自己的蟻巢中 。
性擇馴化：一個全新的演化概念
這種演化過程，可以被視為一種「性擇馴化」（sexual domestication）。透過跨物種雄核生殖，M. ibericus 蟻后將M. structor 雄蟻從一個獨立的野生族群，馴化成自己蟻巢內部的一個功能性「器官」。DNA定序為此提供了更多證據：蟻巢內部繁殖的 M. structor 雄蟻形成了遺傳多樣性極低的單一複製系（clonal lineage），它們積累了更多的有害突變[4]，並且在形態上與野生型有顯著差異(無毛 vs多毛，圖4d及e) 。這與人類馴化的物種（如家狗或家畜）在基因組和表型上所表現出的特徵有驚人的雷同之處 。這表明，這些被「馴化」的雄蟻，已經不再是一個獨立的演化單位，而是完全融入了 M. ibericus 蟻群的生命週期中 。
V. 重新定義生物學基本概念：從「雙物種超個體」到演化大躍遷
這項研究的意義遠不止於對一種特殊螞蟻繁殖模式的描述，它對整個演化生物學與生物哲學都產生了深遠的影響。
物種界限的模糊化
傳統的物種定義主要依賴生殖隔離，即不同物種之間無法產生可育後代 。然而，M. ibericus 的案例展示了兩個物種在生殖上形成了極致的「共依」（codependency）。一個物種的生存與繁衍，完全依賴於另一個物種的生殖產物 。這不僅模糊了物種間的界限，更迫使我們重新思考，在如此複雜的演化關係中，「種」這個概念是否依然適用 ？
「雙物種超個體」：一個全新的生命組織層次
研究者將這種跨物種的合作關係以一個全新的組織層次來定義-將M. ibericus 蟻巢稱為一個「雙物種超個體」（two-species superorganism）。在這個超個體中，來自兩個不同物種的成員（M. ibericus 的蟻后、雄蟻與雜交工蟻，以及M. structor 的雄蟻）功能高度整合 。所有這些成員，無論其物種歸屬，都服務於一個共同的繁殖目標：這個「雙物種超個體」的成功繁衍與延續 。
演化大躍遷的啟示與內共生理論的類比
這個案例甚至讓人聯想到真核細胞中粒線體與葉綠體的內共生起源理論 。根據這個理論，數十億年前，一個原始宿主細胞「吞噬」了原本獨立生存的細菌，但並未消化它們。隨著時間的推移，雙方形成了密不可分的共生關係，細菌演變為提供能量的細胞器（粒線體），而宿主細胞則成為了更複雜的真核細胞 。在這個過程中，一個原本獨立的個體（細菌）的基因組被整合到了一個新的、更高層次的生命體（真核細胞）的生命週期中 。
同樣地，M. ibericus 蟻后似乎在「超個體」層級最上層，將M. structor 的基因組及其繁殖循環「內化」到自己的系統中，創造了一個更強大、更具適應性的「生命單位」。這項研究為演化生物學提供了一個活生生的、當代發生的例子，證明了「將他者基因組整合到自身生殖過程」可能是一種在演化史上曾反覆出現的「大躍遷」模式，推動了生命從簡單到複雜的演化進程 。
VI. 研究結果的反思與未來方向
儘管這項研究提供了令人信服的證據，但它也為學術界留下了許多待解的謎題，引發了深入的反思。
「馴化」雄蟻的物種定位?
Jessica Purcell 在相關評論中提出了一個關鍵問題：這些在 M. ibericus 蟻巢中繁殖的M. structor 雄蟻是否已經完全喪失了與野生M. structor 族群繁殖後代的能力 ？研究表明目前這種雜交事件是極其罕見或不存在的[5] 。如果它們已經失去這種能力，這將進一步支持它們已經與其原始物種分離的論點 。這個問題不僅關係到它們的物種歸類，也將是理解這個奇特系統未來演化方向的關鍵。下一步應直接測試這些由 M. ibericus 蟻后所生的 M. structor 雄蟻，是否能與 M. structor 蟻后交配並產下可存活後代。如果不能，那麼牠們究竟該被歸類為 M. ibericus，還是一個新的「雜交物種」？
廣泛性與稀有性
M. ibericus 的異種生殖模式，是自然界中的獨特特例，還是只是冰山一角？類似的跨物種繁殖模式是否普遍存在於其他昆蟲，還是其他生物也有只是尚未被發現？這項研究為我們提供了一個全新的視角，並鼓勵研究人員挑戰既有的觀念，去審視那些看似不尋常的生物現象。
總結而言，M. ibericus 的發現是一次對生物學核心原則的深刻挑戰。它不僅豐富了我們對螞蟻社會與演化的理解，更為我們重新審視物種、個體與群體之間的界限，以及生命演化的基本驅動力，提供了前所未有的啟發 。
【參考文獻】
1. Juvé, Y., Lutrat, C., Ha, A., Weyna, A., Lauroua, E., Afonso Silva, A. C., Roux, C., Schifani, E., Galkowski, C., Lebas, C., Allio, R., Stoyanov, I., Galtier, N., Schlick-Steiner, B. C., Steiner, F. M., Baas, D., Kaufmann, B., & Romiguier, J. (2025). One mother for two species via obligate cross-species cloning in ants. Nature. Sep 3. doi: 10.1038/s41586-025-09425-w.
2. Purcell, J. (2025). Ant queens produce sons of two distinct species. Nature. Sep 3. Doi: 10.1038/d41586-025-02524-8
[1] 基因雜合度（heterozygosity）=異型合子(heterozygous)位點數量/總位點數
舉例： 假設研究一物種的A基因有1個SNPs：T和 A。我們在一個有 100 個個體的群體中進行基因型分析，結果如下：
- TT (純型合子)：40 個個體
- TA (異型合子)：50 個個體
- AA (純型合子)：10 個個體
Ho=50/(40+40+10)=0.5
這表示在這個群體中，有 50% 的個體的A基因是異型合子。
於本篇研究，M. ibericus雜交工蟻分析43,084個SNP的平均基因雜合度數值為0.797，而 親源相近的同屬四種工蟻平均值為 0.047。
[2] BUSCO它的全稱是「通用單拷貝直系同源基因基準評估」（Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs）。是一種用於評估基因組完整性的工具，它基於尋找物種特有的「單拷貝直系同源基因」（single-copy orthologues）。
[3] 總組裝的結果為：
- 長度 (Total assembly length)：310,325,892 bp
- contigs 數量：618
- GC%：36.82%
- N50：12,028,351 bp。顯示這是一個非常高品質的組裝。
- BUSCO 完整性：97.7%。這表示在所使用的 Hymenoptera（膜翅目昆蟲，如螞蟻、蜜蜂等）專用資料庫（hymenoptera_odb10）中，97.7% 的單拷貝直系同源基因都被成功且完整地找了出來。
- 核基因編碼序列的確認：從參考基因組中由 BUSCO 鑑定出的單拷貝直系同源基因，並比對RNA定序結果，最後選出5,856 個基因進行後續的遺傳分析對象。
[4] 本篇研究透過 πs 和 πn/πs 這兩個指標，來評估一個族群的健康狀況和演化狀態。
- 同義多態性（πs）：指DNA序列變異不會造成編碼胺基酸的SNP多樣性；其意義為這些變異不會影響蛋白質功能，它們大多不受天擇壓力影響，所以πs 值通常被視為衡量族群中突變率或有效族群大小（Ne）的指標。Ne 越低，πs 值通常也越低。
- 非同義多態性（πn）：指DNA序列變異造成編碼胺基酸的SNP多樣性。，意義為這些變異通常會影響蛋白質功能，此會受到天擇的影響。
- πn/πs 比率：非同義多態性與同義多態性之比。這個比率是衡量天擇力量的重要指標。通常在一個健康的族群中，有害的非同義突變會被天擇移除，所以 πn/πs 比率通常會遠小於 1。
- 本研究結果：在 M. structor 複製系中，πs 值非常低，這表明其有效族群大小非常小。同時，πn/πs 值卻非常高（0.427），遠高於一般健康族群。這顯示有害突變正在積累，天擇無法有效將其移除。這正是遺傳負荷（genetic load）高的典型表現，通常發生在無性生殖或近親繁殖的族群中。
[5] 為了評估複製系雄蟻是否能透過與其野外雌性同類交配來擺脫其「被馴化」的狀態，研究人員對45個M. structor基因組進行了定序分析，以檢測是否有潛在的雜交個體存在。結果顯示並沒有鑑定到任何複製系與野生型譜系之間的雜交個體。
留言
張貼留言