Эволюция эусоциальности у насекомых, а именно у отрядов перепончатокрылых и Blattodea (ранее Isoptera), привела к уникальным и часто сложным поведенческим чертам, которые проявляются как на индивидуальном, так и на колониальном уровнях. Репродуктивное разделение труда, черта, характеризующая наиболее развитые группы общественных насекомых, часто включает кастовые системы, состоящие из нескольких поведенчески и часто морфологически отличительных групп. Такое поведенческое и морфологическое разнообразие между кастами контролируется не только их генетической системой, но и часто окружающей средой 1,2,3,4, что делает эусоциальных насекомых привлекательными объектами для генетических и эпигенетических исследований.
Способность манипулировать генетической системой эусоциальных насекомых оказалась сложной задачей, поскольку многие виды не спариваются и не размножаются в лабораторных условиях. Большинство эусоциальных насекомых также имеют очень мало репродуктивных особей в колонии, что ограничивает количество потомства, которое может быть произведено, и, следовательно, ограничивает размер выборки для генетических манипуляций5. Кроме того, многие эусоциальные насекомые имеют длительное время генерации по сравнению с насекомыми, обычно используемыми для генетических исследований (такими как дрозофила), что затрудняет установление генетических линий5. Некоторые эусоциальные виды, однако, могут генерировать большую долю репродуктивно активных особей в колонии, что облегчает проблемы и предоставляет возможности для установления мутантных или трансгенных линий.
В случае вида муравьев-понеринов, Harpegnathos saltator, все работницы могут стать репродуктивно активными после смерти королевы или социальной изоляции. Эти рабочие называются «гамергатами» и могут быть использованы для создания новых колоний6. Кроме того, в колонии может присутствовать более одного геймергейта, что увеличивает производство потомствана 5,7,8. До сих пор мутантные и/или трансгенные линии были разработаны у европейской медоносной пчелы, Apis mellifera, и у видов муравьев, H. saltator, Ooceraea biroi и Solenopsis invicta 9,10,11,12,13,14,15 . Генетический анализ у социальных пчел и муравьев проложил путь к лучшему пониманию эусоциальности, предоставляя множество возможностей для изучения генов и их влияния на эусоциальное поведение насекомых и кастовую физиологию.
Здесь мы предоставляем протокол генетической модификации через систему CRISPR/Cas9 в H. saltator. В частности, этот метод был использован для генерации мутации зародышевой линии в orco, гене, кодирующем облигатный корецептор всех рецепторов одоранта (ORs)10. Гены OR были замечательно расширены у перепончатокрылых эусоциальных насекомых16, и orco играет важную роль в обонянии насекомых; при его отсутствии операционные системы не собираются и не функционируют нормально. Таким образом, мутации гена orco нарушают обонятельные ощущения, нервное развитие и связанное с ними социальное поведение 9,10.
В этом протоколе белки Cas9 и малые направляющие РНК (sgRNAs) вводятся в эмбрионы муравьев с использованием микроинъекции с целью индуцирования мутагенеза гена-мишени. Здесь мы подробно опишем процедуру микроинъекции вместе с указаниями по уходу за колониями и введенными эмбрионами. Эти методы подходят для индуцирования мутагенеза в различных генах у муравьев H. saltator и могут быть применены к более широкому спектру перепончатокрылых насекомых.