TY  - THES
A1  - Kaltenpoth, Martin
T1  - Protective bacteria and attractive pheromones - symbiosis and chemical communication in beewolves (Philanthus spp., Hymenoptera, Crabronidae)
T1  - Schützende Bakterien und attraktive Pheromone - Symbiose und chemische Kommunikation bei Bienenwölfen (Philanthus spp., Hymenoptera, Crabronidae)
N2  - BACTERIAL ENDOSYMBIONTS OF BEEWOLVES Symbiotic interactions between different species are ubiquitous and essential components of the natural world and have probably affected the evolution of every living organism. Insects are the most diverse metazoan class on earth, and they benefit from the extensive metabolic potential of microorganisms in a wide variety of symbiotic associations. The vast majority of well-studied insect-microbe symbioses to date are nutritional interactions in which the symbionts provide their hosts with essential nutrients. Some cases, however, have been described in which symbiotic bacteria play an important role in intraspecific olfactory communication or serve as a defense against pathogens or parasitoids. This thesis reports on a unique and highly specialized association between a digger wasp, the European beewolf (Philanthus triangulum, Hymenoptera, Crabronidae), and actinomycete bacteria. In contrast to all other known symbioses, the beewolf bacteria are cultivated in the reservoirs of unique antennal glands in female beewolves. The female secretes the bacteria into its subterranean brood cells prior to oviposition. Several days later, when the beewolf larva has finished feeding on the paralyzed honeybees that had been provisioned by the mother, it takes up the bacteria and applies them to the cocoon silk during the spinning process. On the cocoon, the symbionts play an important role in reducing the incidence of fungal infestation and thereby significantly enhance the survival probability of the larva in the cocoon during the long and potentially very dangerous inactive phase of hibernation in the underground brood cell. Observations of beewolf larvae as well as experiments in which female beewolf larvae were reared in the absence of the bacteria suggest that the symbionts are transmitted vertically from mothers to daughters. Presumably, the bacteria are taken up from the cocoon during eclosion and incorporated into the antennal gland reservoirs. Phylogenetic analyses of hosts and symbionts as well as artificial transfer experiments are necessary to investigate whether horizontal transmission of bacteria between beewolf species may occasionally occur. Genetic analyses revealed that the symbionts constitute an undescribed species of the genus Streptomyces within the eubacterial family Actinomycetaceae. 16S rDNA primers and an oligonucletide probe were designed for the specific detection of the Philanthus endosymbionts by PCR and fluorescence in-situ hybridization (FISH). By PCR-based screening, closely related endosymbionts were found in 28 Philanthus species and subspecies. By contrast, no symbionts could be detected in closely related genera of the subfamily Philanthinae (Aphilanthops, Clypeadon, Cerceris), indicating that the symbiosis might be restricted to the genus Philanthus. Based on almost complete 16S rRNA gene sequence data, the symbionts of all analyzed Philanthus species formed a monophyletic clade within the genus Streptomyces, indicating that the symbiosis is highly specific and most likely the product of a long history of coevolution and cospeciation. Sequence divergences among symbionts suggest an origin of the Philanthus- Streptomyces association about 26-67 million years ago, which may have coincided with the origin of the genus Philanthus. On the basis of 16S rDNA sequences and ultrastructural data, the new taxon ‘Candidatus Streptomyces philanthi’ is proposed for the antennal symbionts of Philanthus species, with symbionts from different host species being treated as ecotypes and named according to their hosts (e.g. ‘Candidatus Streptomyces philanthi triangulum’). It is not yet clear how the bacteria benefit from the association with Philanthus species. Certainly, they obtain an unoccupied and presumably competition-free niche in the beewolf antennae and a reliable transmission route to the next generation. Additionally, several pieces of evidence suggest that they may also receive nutrients from their host: (1) Females secrete massive amounts of bacteria into each brood cell and sometimes construct several brood cells per day; thus, the bacteria have to grow quickly inside the antennal gland reservoirs to replenish the stock for further brood cells. (2) The reservoirs are surrounded by class 3 gland cells that may supply the bacteria with nutrients (e.g. amino acids). (3) One of the walls bordering the antennal gland is of a net-like structure, thus, possibly allowing hemolymph to enter the reservoir lumen and provide nutrients to the symbionts. This possibility is further substantiated by chemical analyses of the hydrocarbon profile of the antennal gland secretion and female hemolymph, which revealed very similar compositions. The beewolf-Streptomyces symbiosis constitutes the first known case of bacteria being cultivated in insect antennae and one of the few examples involving the pharmaceutically important group of actinomycete bacteria as insect endosymbionts. Further studies on ecological and evolutionary aspects of the symbiosis will provide valuable insights into the importance of actinomycete bacteria for pathogen defense in insects and may also identify novel secondary metabolites with antibiotic properties that might prove useful for human medicine. CHEMICAL COMMUNICATION AND MATE CHOICE IN THE EUROPEAN BEEWOLF Chemical signals constitute both the most ancient and the most common form of communication among organisms. In insects, pheromones play an essential role in mediating intraspecific communication. Many recent studies have investigated the importance of insect olfactory signals in the context of courtship and mating. However, since most of these studies have focused on female pheromones, male sex pheromones have as yet received little attention despite their potential ecological as well as evolutionary importance for mate attraction and mate choice. Male European beewolves establish and defend small territories that they mark with a secretion from cephalic glands. Presumably, the secretion acts as a sex pheromone and attracts receptive females to the territory. Since male territories are clumped around female nesting sites, females have the opportunity to choose among potential mates. The marking pheromone of male beewolves varies with kinship, and it is demonstrated here that geographic origin, age and size also affect the amount and/or composition of the pheromone. Thus, the marking secretion contains information on a variety of male characters that may be important in the context of female choice. Both genetic distance (“optimal outbreeding”) and overall genetic quality (“good genes”) of a male might influence female mating decisions in the European beewolf. Polymorphic microsatellite markers are presented for the European beewolf that facilitate female choice experiments by genetic paternity analysis.
N2  - BAKTERIELLE ENDOSYMBIONTEN DER BIENENWÖLFE Symbiontische Interaktionen zwischen verschiedenen Arten stellen allgegenwärtige und essentielle Bestandteile natürlicher Systeme dar und haben wahrscheinlich die Evolution jedes rezenten Lebewesens beeinflusst. Insekten als die diverseste Metazoen-Klasse der Erde profitieren von dem außerordentlichen metabolischen Potenzial vieler Mikroorganismen in einer großen Anzahl mutualistischer Assoziationen. Die große Mehrheit der bisher untersuchten Symbiosen zwischen Insekten und Mikroorganismen stellen Interaktionen dar, in denen die Wirte durch die Symbionten mit essentiellen Nährstoffen versorgt werden. Es sind jedoch auch einige Fälle bekannt, in denen symbiontische Bakterien eine wichtige Rolle für die intraspezifische olfaktorische Kommunikation spielen oder zur Verteidigung gegen Pathogene oder Parasitoide dienen. Die vorliegende Arbeit untersucht eine hoch spezialisierte Assoziation zwischen einer Grabwespen-Art, dem Europäischen Bienenwolf (Philanthus triangulum, Hymenoptera, Crabronidae), und Bakterien aus der Familie der Actinomyceten. Die bakteriellen Symbionten sind an einem einzigartigen Ort zu finden: Sie werden in den Reservoiren spezialisierter Antennendrüsen weiblicher Bienenwölfe kultiviert. Das Weibchen sezerniert vor der Eiablage große Mengen dieser Bakterien in die unterirdischen Brutkammern. Wenn die Bienewolf-Larve einige Tage später ihre Nahrungsaufnahme an den von der Mutter als Nahrungsvorrat bereitgestellten Honigbienen beendet hat, nimmt sie die Bakterien auf und spinnt sie in ihren Kokon mit ein. Dort erfüllen die Symbionten eine wichtige Funktion, indem sie den Schimmelbefall herabsetzen und dadurch die Überlebenschancen der Larve im Kokon während der langen und gefährlichen Winterruhe signifikant erhöhen. Experimente, in denen Bienenwolf-Weibchen ohne die Bakterien aufgezogen wurden, und Beobachtungen an Bienenwolf-Larven deuten darauf hin, dass die Symbionten vertikal von der Mutter an die Töchter weitergegeben werden. Vermutlich werden die Bakterien während des Schlupfes oder kurz davor vom Kokon in die Antennendrüsen-Reservoire aufgenommen. Phylogenetische Untersuchungen von Wirten und Symbionten sowie Transfer-Experimente mit den Bakterien wären notwendig, um herauszufinden, ob ein horizontaler Austausch der Symbionten zwischen verschiedenen Bienenwolf-Arten möglich ist. Genetische Analysen zeigen, dass die Symbionten einer unbeschriebenen Art der Gattung Streptomyces innerhalb der Actinomyceten angehören. 16s rDNA Primer und eine fluoreszenzmarkierte Oligonukleotid-Sonde wurden entwickelt, um die Bienenwolf-Symbionten mittels PCR und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) spezifisch nachweisen zu können. Mit Hilfe von PCR und Sequenzierungen der 16s rDNA konnten nah verwandte Endosymbionten in den Antennen von 28 Arten und Unterarten der Gattung Philanthus festgestellt werden, nicht aber in anderen Gattungen der Unterfamilie Philanthinae (Aphilanthops, Clypeadon, Cerceris), so dass die Symbiose auf die Gattung Philanthus beschränkt zu sein scheint. Phylogenetische Untersuchungen auf der Grundlage nahezu kompletter 16s rDNA-Sequenzen belegen, dass die Symbionten aller analysierten Bienenwolf- Arten eine monophyletische Gruppe innerhalb der Gattung Streptomyces bilden, was darauf hindeutet, dass die Symbiose hoch spezifisch ist und wahrscheinlich das Ergebnis einer langen Koevolution und Kospeziation darstellt. Anhand von Sequenzunterschieden zwischen den Symbionten lässt sich das Alter der Assoziation zwischen Philanthus und Streptomyces auf etwa 26-67 Millionen Jahre schätzen, was der Entstehung der Gattung Philanthus entsprechen könnte. Auf der Basis von 16s rDNA Sequenzen und Ultrastruktur-Daten wurden die Antennensymbionten der Bienenwölfe als neues Taxon ‚Candidatus Streptomyces philanthi’ beschrieben, wobei die Symbionten verschiedener Wirtsarten als Ökotypen behandelt und nach der Wirtsart benannt wurden (z.B. ‚Candidatus Streptomyces philanthi triangulum’). Wie die Bakterien von der Assoziation mit Bienenwölfen profitieren, ist noch unklar. Auf jeden Fall wird ihnen vom Wirt eine unbesetzte und wahrscheinlich konkurrenzfreie ökologische Nische in den Antennen sowie eine zuverlässige Weitergabe an die nächste Generation garantiert. Außerdem sprechen einige Hinweise für eine Versorgung der Bakterien mit Nährstoffen durch den Bienenwolf: (1) Weibchen legen manchmal mehrere Brutkammern pro Tag an und sezernieren jedes Mal große Mengen an Bakterien; die Bakterien müssen sich also in den Drüsen-Reservoiren schnell vermehren, um den Vorrat an Symbionten wieder aufzufüllen. (2) Die Reservoire sind von Typ 3-Drüsenzellen umgeben, die die Bakterien mit Nährstoffen versorgen könnten. (3) Eine der Reservoir-Wände weist eine netzartige Struktur auf, die möglicherweise den Eintritt von Hämolymphe und damit von Nährstoffen in das Reservoir zulässt. Dies wird durch chemische Analysen der Kohlenwasserstoffe in der Hämolymphe und in dem Antennendrüsen-Sekret untermauert, die sehr ähnliche Zusammensetzungen aufweisen. Die Assoziation zwischen Bienenwölfen und Streptomyceten stellt den ersten bekannten Fall einer Symbiose dar, bei der Bakterien in den Antennen von Insekten kultiviert werden, und sie repräsentiert eines von wenigen Beispielen für Actinomyceten als Symbionten von Insekten. Weitere Untersuchungen evolutionärer und ökologischer Aspekte dieser Symbiose werden wertvolle Erkenntnisse über die Bedeutung von Actinomyceten für die Pathogen-Abwehr bei Insekten liefern und könnten sogar zur Entdeckung neuer Sekundärmetabolite mit antibiotischen Eigenschaften für die Verwendung in der Humanmedizin führen. CHEMISCHE KOMMUNIKATION UND PARTNERWAHL BEIM EUROPÄISCHEN BIENENWOLF Chemische Signale stellen sowohl die älteste als auch die am weitesten verbreitete Form von Kommunikation zwischen Organismen dar. Bei Insekten spielen Pheromone eine essentielle Rolle für die intraspezifische Kommunikation, und eine Vielzahl aktueller Untersuchungen belegt die Bedeutung olfaktorischer Signale für die Balz und Paarung. Die meisten dieser Studien konzentrieren sich jedoch auf Weibchen-Pheromone, während von Männchen produzierte Pheromone trotz ihrer ökologischen und evolutionären Bedeutung für die Partneranlockung und Partnerwahl bisher wenig Beachtung gefunden haben. Männchen des Europäischen Bienenwolfes etablieren und verteidigen Territorien, die sie mit einem Kopfdrüsen-Sekret markieren. Dieses Sekret wirkt höchstwahrscheinlich als ein Sex- Pheromon und lockt paarungsbereite Weibchen an. Da Männchen-Territorien meist aggregiert in der Nähe von Weibchennestern auftreten, haben die Weibchen die Möglichkeit, zwischen verschiedenen potenziellen Paarungspartnern zu wählen. Die chemischen Analysen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Zusammensetzung und Menge des männlichen Markierpheromons vom Verwandtschaftsgrad, der Herkunft, dem Alter und der Größe der Männchen abhängen. Das Pheromon beinhaltet demnach Informationen über eine Vielzahl von Eigenschaften der Männchen, die für die Weibchenwahl von Bedeutung sein könnten. Sowohl die genetische Distanz („optimal outbreeding“) als auch die allgemeine genetische Qualität („good genes“) eines Männchens könnte die Partnerwahl der Bienenwolf-Weibchen beeinflussen. In dieser Arbeit für den Europäischen Bienenwolf entwickelte polymorphe Mikrosatelliten legen den Grundstein für Vaterschaftsanalysen und ermöglichen so die Durchführung und Auswertung von Experimenten zur Weibchenwahl bei dieser Art.
KW  - Philanthus
KW  - Symbiose
KW  - Pheromon
KW  - Symbiose
KW  - Sphecidae
KW  - Pheromon
KW  - Bienenwolf
KW  - chemische Kommunikation
KW  - symbiosis
KW  - Sphecidae
KW  - pheromone
KW  - beewolf
KW  - chemical communication
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20867
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TY  - THES
A1  - Stoll, Sascha
T1  - Funktionelle Analyse von Blochmannia floridanus, dem primären Endosymbionten der Rossameise Camponotus floridanus
T1  - Functional analysis of Blochmannia floridanus, the primary endosymbiont of the carpenter ant Camponotus floridanus
N2  - Ameisen der Gattung Camponotus beherbergen bakterielle Symbionten der Gattung Blochmannia in spezialisierten Zellen des Mitteldarms (Blochmann, 1882; Buchner, 1965; Sauer, 2000; Schröder et al., 1996). Die Genomsequenzierung dieser Symbionten zeigte, dass Blochmannia, ähnlich den Symbionten von Blattläusen, hauptsächlich Gene der Aminosäurebiosynthese beibehalten hat (Degnan et al., 2005; Gil et al., 2003). Die Relevanz dieser nahrungsaufwertenden Funktion konnte experimentell bestätigt werden (Feldhaar et al., 2007). Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Aufklärung der dynamischen Interaktion der beiden Partner während des komplexen Lebenszyklus des holometabolen Wirtes. Frühere Studien deuteten darauf hin, dass die Symbiose vor allem während der Larven- und Puppenphasen von Bedeutung sein könnte (Feldhaar et al., 2007; Wolschin et al., 2004; Zientz et al., 2006). Mit fluoreszenter in situ Hybridisierung (FISH) und konfokaler Laserscanning Mikroskopie konnte in der vorliegenden Arbeit die Lokalisierung von B. floridanus während der wichtigsten Entwicklungsstadien aufgeklärt werden. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Symbionten schon im ersten Larvenstadium in spezialisierten Zellen um den Darm angeordnet sind, aber in späteren Stadien nicht, wie bisher angenommen, auf diese Bakteriozyten beschränkt sind, sondern bis zum Schlupf der jungen Arbeiterinnen massiv andere Darmzellen infizieren. Übereinstimmend mit Bestimmungen der Zellzahl in den verschiedenen Wirtsstadien ist die Anzahl der Symbionten gegen Ende der Metamorphose am höchsten. Die Symbiose degeneriert in sehr alten Arbeiterinnen, gut gefüllte Bakteriozyten werden jedoch noch monatelang beibehalten. Mit Macroarray- und qRT- PCR- basierten Transkriptomanalysen wurde die Expression der bakteriellen Gene in charakteristischen Entwicklungsstadien des Wirtes untersucht. Allgemein zeigen vor allem Gene für molekulare Chaperons und bestimmte bakterielle Grundfunktionen eine hohe Expression. Aber auch viele Gene, die möglicherweise wichtige Funktionen in der Symbiose besitzen, wie die Biosynthese essentieller Aminosäuren und das Recycling von Stickstoffverbindungen, zeigen ein hohes absolutes Transkriptlevel. Zudem besteht eine positive Korrelation zwischen dem Expressionsniveau und dem GC- Gehalt der Gene, die in dem höheren Selektionsdruck und damit einer geringeren Mutationsrate der essentiellen Gene begründet liegt (Schaber et al., 2005). Durch Proteinanalysen konnte bestätigt werden, dass die Faktoren mit der höchsten absoluten Transkription die dominanten Proteine der Symbionten darstellen. In den unterschiedlichen Entwicklungsstadien zeigen viele Gene eine deutliche Dynamik, deren Ausmaß aber, verglichen mit freilebenden Bakterien, gering ist. Aus den Expressionsprofilen aufeinanderfolgender Gene lassen sich mögliche Transkriptionseinheiten ableiten, die teilweise auch experimentell bestätigt wurden. Oftmals zeigen auch Gene, die nicht in Transkriptionseinheiten angeordnet sind, aber verwandten Stoffwechselwegen angehören, ähnliche Muster. Dies deutet auf das Vorhandensein grundlegender Genregulations-mechanismen hin, obwohl im Genom von B. floridanus nur noch sehr wenige Transkriptionsfaktoren codiert sind (Gil et al., 2003). Auf übergeordneter Ebene zeigt sich, dass bei Symbionten aus späten Puppenstadien viele symbioserelevante Gene im Vergleich zu Genen des Grundmetabolismus eine erhöhte Expression zeigen. Dies betrifft besonders die Biosynthese aromatischer und verzweigter Aminosäuren, die in diesen Stadien vom Wirt in hoher Menge benötigt werden, während die internen Reserven gleichzeitig zur Neige gehen. Dies äußert sich auch im deutlichen Abfallen der Speicherproteinmenge des Wirts gegen Ende der Puppenphase. Die festgestellte Veränderung der Symbiontenzahl übertrifft das geringe Ausmaß der Genregulation um ein Vielfaches. Die Bakterien liegen in jedem Stadium polyploid mit bis zu 100 Genomkopien vor, dieser Polyploidiegrad bleibt jedoch während der gesamten Wirtsentwicklung weitestgehend konstant. Somit scheint die Kontrolle des Wirts über die bakterielle Vermehrung der entscheidende Faktor dieser Symbiose zu sein. Die verbleibenden regulatorischen Fähigkeiten der Bakterien stellen möglicherweise eine Feinjustierung von optimierten Produktionseinheiten dar, deren Anzahl nach den Bedürfnissen des Wirtes verändert wird. Insgesamt konnten in der vorliegenden Arbeit neue Einblicke in das komplexe Zusammenleben von Blochmannia und Camponotus gewonnen werden, die zu einem besseren Verständnis der biologischen Funktion und der grundlegenden Mechanismen dieser Symbiose führen. Eine der wichtigsten Fragestellungen nach dem Sinn einer nahrungsaufwertenden Symbiose für einen Nahrungsgeneralisten konnte mit starken Hinweisen auf eine stadienabhängige Relevanz der Symbiose beantwortet werden, die den enormen evolutionären Erfolg dieser Ameisengattung erklären könnte. 
N2  - Ants of the genus Camponotus harbor bacterial endosymbionts of the genus Blochmannia in specialized cells of their midgut (Blochmann, 1882; Buchner, 1965; Sauer, 2000; Schröder et al., 1996). The complete sequencing of the symbiont’s genome revealed, that Blochmannia, comparable to the symbionts of aphids, mainly retained genes involved in the biosynthesis of essential amino acids (Degnan et al., 2005; Gil et al., 2003). The biological relevance of a nutritional upgrading by Blochmannia could be confirmed experimentally (Feldhaar et al., 2007). One focus of this thesis was the elucidation of the dynamic interactions between the two partners during the complex life cycle of the holometabolic host animal. Previous studies pointed towards a temporal relevance of this symbiosis especially during larval and pupal development (Feldhaar et al., 2007; Wolschin et al., 2004; Zientz et al., 2006). In this thesis the localization of B. floridanus could be documented throughout all life stages of the host by fluorescent in situ hybridization (FISH) and confocal laser scanning microscopy. A layer of densely filled bacteriocytes surrounding the gut could already be identified in first instar larvae. In contrast to previous assumptions, the bacteria are not restricted to these cells in later stages, as until the eclosion of the young adult workers bacteria massively infect other midgut cells. Concordant with previous findings, bacterial load is highest at the end of metamorphosis and symbiont numbers decrease in older workers, yet densely filled bacteriocytes are still visible after several months. The expression of the bacterial genes during characteristic life stages of the C. floridanus was assessed by macroarray and qRT- PCR- based experiments. In general, especially molecular chaperones, central basic metabolism and may putative symbiosis related factors like pathways leading to essential amino acids or nitrogen recycling show highest absolute expression levels. A positive correlation between expression level and GC- content of the genes can be observed, which is caused by a higher selection pressure and lower mutation rate of these essential factors (Schaber et al., 2005). Protein analyses confirmed the correlation between gene expression and translation of the most abundant factors. Many B. floridanus genes exhibit a dynamic expression during the different host stages but the extent of this gene regulation is modest as compared to free living bacteria. Expression profiles of genes located next to each other on the genome allow proposal of local transcription units, which were confirmed experimentally in several cases. Often genes that are not clustered locally but belong to related metabolic functions also exhibit similar expression patterns. This indicates the existence of basic mechanisms of gene regulation despite the low number of transcription factors annotated in the B. floridanus genome (Gil et al., 2003). In late pupal stages symbiosis related genes often show a higher expression compared to basic metabolic functions. This especially includes biosynthetic pathways for aromatic and branched amino acids, which are needed by the host at this stage in increased amounts, while internal storages are depleted. This could be demonstrated by the significant decrease in storage proteins of the host at the end of the pupal phase. The observed change in bacterial numbers per host exceeds the extent of bacterial gene regulation by far. The symbionts are polyploid in each host stage with up to 100 genome copies per cell. The degree of polyploidy is largely constant during host development. Thus the control over bacterial reproduction seems to be the decisive factor in this symbiosis. The residual regulatory capacities of the symbionts might represent a mechanism of fine tuning of a production unit that has been streamlined by evolution and whose numbers are adjusted according to the host’s needs. In conclusion, this thesis delivers new insights into the complex symbiosis of Blochmannia and Camponotus leading to a better understanding of its biological function and the underlying mechanisms. One of the central mysteries concerning the need of a symbiont for nutritional upgrading for an omnivorous host could be explained by a temporal, stage- dependent relevance of this symbiosis, possibly being the reason for the enormous evolutionary success of this ant genus.
KW  - Intrazelluläre Symbiose
KW  - Symbiose
KW  - Ameisen
KW  - Mikrobiologie
KW  - Gram-negative Bakterien
KW  - Bakterien
KW  - Differentielle Genexpression
KW  - Genexpression
KW  - Entwicklung
KW  - Blochmannia
KW  - Camponotus
KW  - symbiosis
KW  - endosymbiosis
KW  - ants
KW  - bacteria
KW  - gene expression
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-37238
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TY  - THES
A1  - Ratzka, Carolin
T1  - Immune responses of the ant Camponotus floridanus towards pathogens and its obligate mutualistic endosymbiont Blochmannia floridanus
T1  - Immunantworten der Ameise Camponotus floridanus gegen Pathogene und ihren obligaten mutalistischen Endosymbionten Blochmannia floridanus
N2  - Ants of the species Camponotus floridanus live in huge colonies composed of genetically identical or closely related animals, which should predispose them to an increased vulnerability towards infection by pathogens (Cremer et al. 2007). Therefore the question is how ants (or social insects in general) can nevertheless efficiently combat infections. In order to investigate the immune response of the ant C. floridanus, the present study initially focused on the identification of possible immune factors, encoded by the ant´s genome. By using the method “suppression subtractive hybridization” as well as by Illumnia sequencing technology, several immune-related genes could be identified. Among these were genes encoding proteins involved in pathogen recognition, signal transduction, antimicrobial activity, or general stress response. In accordance with the ant´s genome sequence (Bonasio et al. 2010), only three antimicrobial peptide (AMP) genes could be identified in C. floridanus. The gene and cDNA sequences of these AMPs were established and their expression was shown to be induced by microbial challenge. Two different defensin genes (type 1 and 2) were characterized. A detailed characterization of the mRNA and gene sequence of the other AMP, a hymenoptaecin, revealed a special repeat structure. The C. floridanus hymenoptaecin has a signal and a pro-sequence followed by a hymenoptaecin-like domain and six directly repeated hymenoptaecin domains (HDs). Since each HD is flanked by two known processing sites, proteolytic processing of the precursor protein may generate several mature AMPs. Bioinformatical analyses revealed the presence of hymenoptaecin genes with similar multipeptide precursor structure in genomes of other ant species suggesting an evolutionary conserved important role of this gene in ant immunity. C. floridanus ants harbor the obligate intracellular bacterium, Blochmannia floridanus, in specialized cells (so-called bacteriocytes), which are intercalated between midgut cells as well as in ovaries of females (Blochmann 1882; Sauer et al. 2002; Schröder et al. 1996). Ant hosts face the problem that on the one hand they have to maintain the beneficial symbiotic bacteria and on the other hand they need to raise an immune response against harmful pathogenic bacteria during an infection. It was investigated, if endosymbionts are actually detected by the host immune system. Injection of B. floridanus induced an immune response of its host C. floridanus, which was comparable to the one towards pathogens. This means that, despite the evolutionary established cooperation of the endosymbionts and their hosts, these bacteria are still recognized as „non-self“ by the host immune system. This finding led to the question, if the ant immune system might be involved in regulation of the endosymbiont number in the midgut tissue in order to avoid their uncontrolled replication. During the holometabolous life cycle of the ant hosts the distribution of bacteriocytes and of Blochmannia endosymbionts is remarkably dynamic and peaks in late pupal stages, in which the entire midgut is transformed into a symbiotic organ (Stoll et al. 2010). It was hypothesized that hosts could regulate the number of endosymbionts present in their tissues via the innate immune system. A quantitative gene expression analysis of assumed symbiosis-relevant candidate genes revealed distinct expression patterns of some genes according to developmental stage and tissue. Moreover, the immune gene expression in response to bacterial challenge was investigated in the pupal stage. By an artificial immune-challenge of pupae it was confirmed that in fact the immune response of the endosymbiont-bearing midgut tissue differs from that of other body parts. The data support a key role for amidase peptidoglycan recognition proteins (PGRPs), especially PGRP-LB, in endosymbiont tolerance and suggest an involvement of the lysosomal system in control of Blochmannia endosymbionts. In sum, this thesis provides a first description of the immune response of the ant C. floridanus. A comprehensive set of immune-relevant genes was determined. Especially, the identification and molecular characterization of the hymenoptaecin gene delivered new insights into the immune competence of ants in general. Moreover, first indications could be gathered for the involvement of the immune system in controlling the endosymbiont B. floridanus.
N2  - Ameisen der Art Camponotus floridanus leben in großen Kolonien, welche sich aus genetisch identischen oder nahe verwandten Individuen zusammensetzen. Demnach sollten diese Tiere eine erhöhte Anfälligkeit gegenüber Infektionen durch Pathogene haben (Cremer et al. 2007). Somit stellt sich die Frage, wie Ameisen (oder allgemein soziale Insekten) Infektionen dennoch effizient bekämpfen können. Um die Immunantwort der Ameise C. floridanus zu untersuchen, befasste sich die vorliegende Arbeit zunächst mit der Identifizierung von möglichen Immunfaktoren, welche im Genom der Ameise kodiert sind. Unter Verwendung der Methode “Suppression Subtractive Hybridization” sowie durch Illumnia Sequenzierungstechnologie konnten mehrere immun-relevante Gene ermittelt werden. Darunter befanden sich Gene, welche Proteine kodieren, die eine Rolle bei der Erkennung von Pathogenen, der Signalübertragung, der antimikrobiellen Aktivität oder der allgemeinen Stressantwort spielen. In Übereinstimmung mit der Genomsequenz der Ameise (Bonasio et al. 2010), konnten nur drei antimikrobielle Peptid (AMP) Gene in C. floridanus identifiziert werden. Die Gen- und cDNA-Sequenzen dieser AMPs wurden charakterisiert und es wurde gezeigt, dass ihre Expression durch mikrobielle Attacken induziert wird. Zwei verschiedene Defensin Gene (Typ 1 und 2) wurden charakterisiert. Eine detaillierte Charakterisierung der mRNA- und Gen-Sequenz des anderen AMPs, eines Hymenoptaecins, ergab eine besondere Wiederholungsstruktur. Das C. floridanus Hymenoptaecin hat eine Signal- und eine Pro-Sequenz gefolgt von einer Hymenoptaecin-ähnlichen Domäne und sechs direkt wiederholten Hymenoptaecin Domänen (HD). Da jede HD von bekannten Schnittstellen flankiert wird, könnte die proteolytische Bearbeitung des Vorläufer Proteins mehrere reife AMPs hervorbringen. Bioinformatische Analysen enthüllten die Anwesenheit von Hymenoptaecin Genen mit ähnlicher Multipeptid-Vorläufer-Struktur in den Genomen von anderen Ameisenarten, was eine evolutionär konservierte wichtige Aufgabe dieses Gens bei der Immunität von Ameisen andeutet. C. floridanus Ameisen beherbergen das obligat intrazelluläre Bakterium, Blochmannia floridanus, in speziellen Zellen (den sogenannten Bakteriozyten), welche sich zwischen Zellen des Mitteldarms befinden sowie in den Ovarien von Weibchen (Blochmann 1882; Sauer et al. 2002; Schröder et al. 1996). Die Wirtstiere stehen vor dem Problem, dass sie einerseits die für sie nützlichen symbiontischen Bakterien erhalten müssen und andererseits bei einer Infektion eine Immunantwort gegenüber schädlichen pathogenen Bakterien aufbringen müssen. Es wurde untersucht, ob die Endosymbionten vom Wirtsimmunsystem überhaupt erkannt werden. Injektion des eigenen Endosymbionten B. floridanus induzierte eine Immunantwort seines Wirtes C. floridanus, welche vergleichbar war mit der gegenüber Pathogenen. Dies bedeutet, dass trotz der Koevolution zwischen den Endosymbionten und ihren Wirte, diese Bakterien immer noch als „nicht-selbst“ vom Wirtsimmunsystem erkannt werden. Dieses Ergebnis warf die Frage auf, ob das Ameisen-Immunsystem an der Regulation der Anzahl von Endosymbionten im Mitteldarmgewebe beteiligt sein könnte, um deren unkontrollierte Replikation zu vermeiden. Während des holometabolen Lebenszyklus der Ameisen-Wirte ist die Verteilung der Bakteriozyten und der Blochmannia Endosymbionten bemerkenswert dynamisch und erreicht den Höhepunkt in den späten Puppenstadien, in welchen der gesamte Mitteldarm zu einem symbiotischen Organ umgewandelt wird (Stoll et al. 2010). Es wurde vermutet, dass die Wirte die vorhandene Anzahl von Endosymbionten in ihren Geweben durch das angeborene Immunsystem regulieren könnten. Eine quantitative Genexpressionsanalyse von vermeintlich Symbiose-relevanten Kandidatengenen ergab verschiedene Expressionsmuster von einigen Genen in Abhängigkeit vom Entwicklungsstadium und Gewebe. Außerdem wurde die Immungenexpression nach einer bakteriellen Attacke im Puppenstadium untersucht. Durch eine künstliche Immunanregung von Puppen wurde bestätigt, dass sich die Immunantwort des Endosymbiont-tragenden Mitteldarm Gewebes in der Tat von der anderer Körperteile unterscheidet. Die Daten befürworten eine Schlüsselrolle von Amidase Peptidoglykan Erkennungsproteinen (PGRPs), insbesondere von PGRP-LB, für die Duldung von Endosymbionten und deuten auf eine Beteiligung des lysosomalen Systems an der Kontrolle von Blochmannia Endosymbionten hin. Insgesamt stellt die vorliegende Arbeit eine erste Charakterisierung der Immunantwort der Ameise C. floridanus dar. Eine Vielzahl an immun-relevanten Genen wurde bestimmt. Insbesondere die Identifizierung und molekulare Charakterisierung des Hymenoptaecin Gens lieferte neue Einblicke in die Immun-Kompetenz von Ameisen im Allgemeinen. Außerdem konnten erste Hinweise für die Beteiligung des Immunsystems an der Kontrolle des Endosymbionten B. floridanus gesammelt werden.
KW  - Humorale Immunität
KW  - Ameisen
KW  - Intrazelluläre Symbiose
KW  - Camponotus
KW  - Blochmannia
KW  - insect immunity
KW  - ants
KW  - symbiosis
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69350
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TY  - THES
A1  - Fuchs, Benjamin Felix
T1  - Effects of timing and herbivory on a grass-endophyte association and its trophic interactions
T1  - Auswirkungen von Timing und Herbivorie auf eine Gras-Endophyten Assoziation und ihre trophischen Interaktionen
N2  - I.) Plant associated microorganisms can affect the plant`s interaction with herbivores and higher trophic levels. For instance, endophytic fungi infecting aerial plant parts of grass species produce bioactive alkaloids that can negatively affect species from higher trophic levels, indicating a defensive mutualism between the grass and the endophyte. However, beneficial insects can also be negatively affected by the endophyte, which might question the mutualistic effect of endophytic fungi. On the other hand, grass-endophytes are affected by environmental conditions and species interactions. Grazing can increase endophyte frequencies in natural habitats. Furthermore, endophyte mediated effects on herbivores are most pronounced during warm summers following rainy springs. In this study, we investigated whether endophyte derived alkaloids cascade up a food chain (chapter II) and whether their concentrations depend on plant age and season (chapter III). Further we analysed, whether altered herbivore phenology affects the endophytic fungus (chapter IV) and whether endophyte derived alkaloid production is induced by different herbivore species (chapter V). 

II.) In our first experimental study we analysed whether grass-endophyte derived alkaloids decreased the performance of two ladybird species feeding on aphids exclusively reared on endophyte infected grass (6 weeks young grass). Further, we screened species from three trophic levels (grass, herbivores and aphid predators) for their alkaloid content using two year old infected grass as diet for herbivores. We established an UPLC-MS method to detect and quantify the amount of the endophyte derived alkaloids peramine and lolitrem B extracted from the organic plant and insect material. Performance parameters of ladybirds revealed little differences between ladybirds fed on aphids reared on endophyte infected and non-infected grass, which probably resulted from low alkaloid concentrations in the young (6-weeks old) endophyte infected grass used in this part of the study. Alkaloid quantification of the two year old endophyte infected grass, herbivores and aphid predators revealed similar concentrations between grass and aphids, while aphid predators contained approximately half of that amount which still exceeded the bioactive threshold. We conclude that alkaloids produced by grass-endophytes cascade up the food chain and are responsible for fitness disadvantages of higher trophic levels.

III.) In the second study we investigated the impact of plant age and seasonal timing on grass-endophyte growth and alkaloid production. Plants were sown in April of 2013 and sampled monthly over 30 consecutive months. Endophyte growth was quantified with real-time PCR (qPCR) and alkaloid concentrations with UPLC-MS. We showed that alkaloid concentrations and fungal growth followed a seasonal rhythmicity and that alkaloid concentrations increased with plant age. Alkaloid concentrations peak during summer, when also herbivore abundances are high. Consequently, we conclude that plant age and season contribute to the toxicity of endophytes on grass herbivores 

IV.) In the third study we simulated earlier spring arrival of aphids by enhancing aphid abundance on endophyte infected and endophyte-free grass in spring and analysed responses across three trophic levels. Enhanced aphid abundance in spring caused higher aphid abundances during the study period. Predators stayed unaffected by increased herbivore abundances; however they did level aphid numbers within two weeks after arrival on the plants, independent of aphid abundance. Grass-endophyte showed a time delayed growth, two weeks after aphid abundance peak and after predators already controlled aphid infestations on the plants. We conclude that phenology shifts of herbivorous insects can affect multi-trophic interactions leading to desynchronizations between phenologies of interacting species and mismatches in food-webs. 

V.) In the fourth study we analysed whether herbivores induce endophyte growth and alkaloid production and whether different types of herbivores induce specific alkaloid production. We applied three different herbivore treatments on endophyte infected grass over 18 weeks. Locust herbivory increased the insect deterring alkaloid peramine and clipping of plants (simulation of grazing livestock) increased the vertebrate toxic alkaloid lolitrem B. Aphid herbivory did not affect endophyte derived alkaloid concentrations. Endophyte responses to herbivory were species specific which indicates a primarily plant protecting role of alkaloid synthesis in endophyte infected plants and a close chemical crosstalk between interacting species. 

VI.) In summary, we showed that endophyte derived alkaloids affect higher trophic levels and that alkaloid concentrations in the plant depend on prevalent herbivore species, plant age and seasonal timing. Our results indicate a close chemical crosstalk between the host plant and the endophytic fungus which is susceptible to environmental changes altering the endophyte`s alkaloid production in plants. We gained insights into the grass-endophyte symbiosis in ecological contexts and conclude that several factors determine the herbivore toxic potential of endophytic fungi and thereby their plant mutualistic or parasitic character. Future studies should investigate the mechanisms behind the herbivore induced alkaloid concentration increase, shown in this thesis, especially whether plant signals mediate the endophyte response. Furthermore it would be interesting to study the induction of indirect endophyte mediated defence and how it affects multi-trophic level interactions.
N2  - I.) Mit Pflanzen assoziierte Mikroorganismen können die Interaktionen von Pflanzen mit Herbivoren und höheren trophischen Ebenen beeinflussen. Endophytische Pilze, die oberirdische Pflanzenteile von Gräsern infizieren, produzieren bioaktive Alkaloide, die negative Effekte auf pflanzenfressende Organismen haben können. Blattlaus parasitierende und räuberische Insekten hatten ebenso Fitnessnachteile, wenn sie mit Blattläusen gefüttert wurden, die auf Epichloë festucae var. lolii infiziertem Lolium perenne gezüchtet wurden.  Umwelteinflüsse und Interaktionen zu anderen Arten beeinträchtigen das Wachstum und die Alkaloid Produktion von Endophyten. Die Häufigkeit von Endophyten in natürlichen Habitaten können von Herbivorie beeinflusst werden. Weiterhin sind Endophyten verursachte Effekte auf Pflanzenfresser am häufigsten in warmen Sommermonaten nach regenreichen Frühlingsmonaten. In dieser Studie analysieren wir, ob Endophyten produzierte Alkaloide in einer Nahrungskette aufsteigen und in höheren trophischen Ebenen gefunden werden (Kapitel II) und ob ihre Konzentrationen von Pflanzenalter und Saison abhängig sind (Kapitel III). Weiterhin analysieren wir, ob veränderte Phänologie von herbivoren Insekten den endophytischen Pilz beeinflussen (Kapitel IV) und ob Alkaloid Produktion von verschiedenen Pflanzenfressern induziert wird (Kapitel V).

II.) In der ersten Studie analysierten wir, ob Alkaloide, die von Gras Endophyten produziert werden, die Fitness von zwei Marienkäfer Arten verringern, wenn sie mit Blattläusen gefüttert werden, die ausschließlich auf Endophyten infiziertem Gras (6 Wochen alt) gezüchtet wurden. Weiterhin analysierten wir Arten aus drei trophischen Ebenen (Gras, Herbivore, Blattlaus Prädatoren) auf ihren Alkaloid Gehalt mit zwei Jahre altem Endophyten infizierten Gras als Futter für pflanzenfressende Insekten. Wir etablierten eine UPLC-MS Methode, um die Endophyten produzierten Alkaloide Peramin und Lolitrem B zu detektieren und zu quantifizieren, nach der Extraktion aus organischem Material von Pflanzen und Insekten. Fitness von Marienkäfern zeigte nur geringe Unterschiede zwischen Marienkäfern, denen Blattläuse gefüttert wurden, die ausschließlich auf Endophyten infizierten Grass oder nicht infiziertem Grass gezüchtet wurden. Die Ursache dafür, ist wahrscheinlich eine zu geringe Alkaloid Konzentration in dem jungen, Endophyten-infizierten Grass (6 Wochen alt), das für diesen Teil der Studie verwendet wurde. Die Quantifizierung der Alkaloide von zwei Jahre altem Endophyten infiziertem Gras, Herbivoren und Prädatoren zeigte ähnliche Konzentrationen zwischen Gras und Blattläusen, wohingegen Prädatoren etwa eine halb so hohe Alkaloid Konzentration enthielten, die aber dennoch den Grenzwert für biologische Wirksamkeit überschritt. Wir folgern, dass Endophyten produzierte Alkaloide innerhalb der Nahrungskette weitergegeben werden und somit verantwortlich für Nachteile auf die Fitness höherer trophischer Ebenen sind.

III.) In der zweiten Studie untersuchten wir den Einfluss von Pflanzenalter und Saison auf Wachstum des Endophyten und dessen Alkaloid Produktion. Pflanzen wurden im April 2013 gesät und über einen Zeitraum von 30 Monaten monatlich beprobt. Endophyten Wachstum wurde mittels real-time PCR (qPCR) und Alkaloide mittels UPLC-MS quantifiziert. Wir zeigten, dass Pilzwachstum und Alkaloid Produktion einer saisonalen Rhythmik folgen und Alkaloid Konzentrationen zudem mit dem Pflanzenalter ansteigen. Demzufolge tragen Pflanzenalter und Saison zur Toxizität von endophytischen Pilzen bei. Alkaloid Konzentrationen sind am höchsten im Sommer, wenn auch die Abundanzen von Herbivoren besonders hoch sind.

IV.) In der dritten Studie simulierten wir frühzeitiges Blattlausvorkommen, indem wir Blattlausabundanzen auf Endophyten freien und infizierten Graspflanzen im Frühling erhöhten und die Reaktionen auf drei trophischen Ebenen analysierten. Top-Down Kontrolle durch Blattlausprädatoren wurde nicht von erhöhten Blattlausabundanzen beeinflusst, aber innerhalb von zwei Wochen nach ihrem Erscheinen, reduzierten Prädatoren die Anzahl an Blattläusen erheblich, unabhängig von den Blattlausabundanzen. Bottom-Up Kontrolle durch erhöhtes Wachstum der Grasendophyten war zeitlich verzögert, zwei Wochen nachdem Blattlausabundanzen ihre Maxima erreichten und bereits durch Prädatoren stark dezimiert waren. Daraus schlussfolgern wir, dass Phänologieverschiebungen von pflanzenfressenden Insekten multi-trophische Interaktionen beeinflussen und zu einer Desynchronisierung der Phänologien von interagierenden Arten und somit unausgeglichenen Beziehungen in Nahrungsnetzen führen können.

V.) In der vierten Studie analysierten wir, ob Herbivore Insekten das Wachstum und die Alkaloid Produktion von endophytischen Pilzen induzieren und ob verschiedene Arten von Herbivorie die Produktion spezifischer Alkaloide induzieren. Wir applizierten drei verschieden Arten von Pflanzenfraß Treatments an Endophyten infiziertem Grass über einen Zeitraum von 18 Wochen und fanden heraus, dass Heuschrecken eine Erhöhung der Konzentration des insektenwirksamen Alkaloids induzieren und Schnitt der Pflanze (Simulierung von Weidevieh) eine Erhöhung des Vertebraten toxischen Alkaloids Lolitrem B. Herbivorie durch Blattläuse hatte keinen Einfluss auf Konzentrationen von Endophyten produzierten Alkaloiden. Reaktionen von endophytischen Pilzen auf Herbivorie sind demnach artspezifisch, was darauf hinweist, dass Alkaloide vorrangig zu Pflanzenschutz Zwecken gegen Fraßfeinde produziert werden.

VI.) Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass die von endophytischen Pilzen produzierten Alkaloide, Organismen höherer trophischer Ebenen beeinflussen können und dass Alkaloid Konzentrationen im Wirtsgras von Herbivorietyp, Pflanzenalter und saisonbedingten Umwelteinflüssen abhängig sind. Schlussendlich deuten unsere Ergebnisse auf eine enge chemische Verständigung zwischen Wirtsgras und endophytischem Pilz hin, empfindlich gegenüber Umweltveränderungen, die folglich eine Veränderung in der Konzentration von Endophyten produzierten Alkaloiden auslösen. Zukünftige Studien sollten die Mechanismen hinter induziertem Anstieg von Alkaloid Konzentrationen analysieren, speziell, ob Pflanzensignale die Reaktion des Endophyten auf Herbivorie vermitteln. Weiterhin könnte eine Endophyten-vermittelte Induktion von indirekter Pflanzenabwehr zur Interaktion zwischen mehreren trophischen Ebenen beitragen.
KW  - fungal endophytes of grasses
KW  - plant defense
KW  - alkaloids
KW  - endophyte
KW  - grass
KW  - symbiosis
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-141465
ER  -