TY  - JOUR
A1  - Arenas, Andrés
A1  - Roces, Flavio
T1  - Avoidance of plants unsuitable for the symbiotic fungus in leaf-cutting ants: Learning can take place entirely at the colony dump
JF  - PLoS ONE
N2  - Plants initially accepted by foraging leaf-cutting ants are later avoided if they prove unsuitable for their symbiotic fungus. Plant avoidance is mediated by the waste produced in the fungus garden soon after the incorporation of the unsuitable leaves, as foragers can learn plant odors and cues from the damaged fungus that are both present in the recently produced waste particles. We asked whether avoidance learning of plants unsuitable for the symbiotic fungus can take place entirely at the colony dump. In order to investigate whether cues available in the waste chamber induce plant avoidance in naïve subcolonies, we exchanged the waste produced by subcolonies fed either fungicide-treated privet leaves or untreated leaves and measured the acceptance of untreated privet leaves before and after the exchange of waste. Second, we evaluated whether foragers could perceive the avoidance cues directly at the dump by quantifying the visits of labeled foragers to the waste chamber. Finally, we asked whether foragers learn to specifically avoid untreated leaves of a plant after a confinement over 3 hours in the dump of subcolonies that were previously fed fungicide-treated leaves of that species. After the exchange of the waste chambers, workers from subcolonies that had access to waste from fungicide-treated privet leaves learned to avoid that plant. One-third of the labeled foragers visited the dump. Furthermore, naïve foragers learned to avoid a specific, previously unsuitable plant if exposed solely to cues of the dump during confinement. We suggest that cues at the dump enable foragers to predict the unsuitable effects of plants even if they had never been experienced in the fungus garden.
KW  - leaves
KW  - ants
KW  - fungi
KW  - foraging
KW  - animal sociality
KW  - social systems
KW  - learning
KW  - symbiosis
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-157559
VL  - 12
IS  - 3
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Römer, Daniela
A1  - Bollazzi, Martin
A1  - Roces, Flavio
T1  - Carbon dioxide sensing in an obligate insect-fungus symbiosis: CO\(_{2}\) preferences of leaf-cutting ants to rear their mutualistic fungus
JF  - PLoS ONE
N2  - Defense against biotic or abiotic stresses is one of the benefits of living in symbiosis. Leaf-cutting ants, which live in an obligate mutualism with a fungus, attenuate thermal and desiccation stress of their partner through behavioral responses, by choosing suitable places for fungus-rearing across the soil profile. The underground environment also presents hypoxic (low oxygen) and hypercapnic (high carbon dioxide) conditions, which can negatively influence the symbiont. Here, we investigated whether workers of the leaf-cutting ant Acromyrmex lundii use the CO\(_{2}\) concentration as an orientation cue when selecting a place to locate their fungus garden, and whether they show preferences for specific CO\(_{2}\) concentrations. We also evaluated whether levels preferred by workers for fungus-rearing differ from those selected for themselves. In the laboratory, CO\(_{2}\) preferences were assessed in binary choices between chambers with different CO\(_{2}\) concentrations, by quantifying number of workers in each chamber and amount of relocated fungus. Leaf-cutting ants used the CO\(_{2}\) concentration as a spatial cue when selecting places for fungus-rearing. A. lundii preferred intermediate CO\(_{2}\) levels, between 1 and 3%, as they would encounter at soil depths where their nest chambers are located. In addition, workers avoided both atmospheric and high CO\(_{2}\) levels as they would occur outside the nest and at deeper soil layers, respectively. In order to prevent fungus desiccation, however, workers relocated fungus to high CO\(_{2}\) levels, which were otherwise avoided. Workers’ CO\(_{2}\) preferences for themselves showed no clear-cut pattern. We suggest that workers avoid both atmospheric and high CO\(_{2}\) concentrations not because they are detrimental for themselves, but because of their consequences for the symbiotic partner. Whether the preferred CO\(_{2}\) concentrations are beneficial for symbiont growth remains to be investigated, as well as whether the observed preferences for fungus-rearing influences the ants’ decisions where to excavate new chambers across the soil profile.
KW  - fungi
KW  - nesting habits
KW  - carbon dioxide
KW  - ants
KW  - social systems
KW  - humidity
KW  - symbiosis
KW  - fungal physiology
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159561
VL  - 12
IS  - 4
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sauer, Christina
T1  - Charakterisierung intrazellulärer, bakterieller Endosymbionten im Mitteldarm von Ameisen der Gattung Camponotus
T1  - Characterization of intracellular, bacterial endosymbionts in the midgut of different Camponotus species
N2  - In der vorliegenden Dissertation wurden verschiedene Themenbereiche bearbeitet, die zur Charakterisierung der intrazellulären, bakteriellen Endosymbionten im Mitteldarm von Ameisen der Gattung Camponotus beitrugen. Es wurden phylogenetische Untersuchungen mit Hilfe der 16S rDNA-Sequenzen der Symbionten und der Sequenzen der Cytochrom-Oxidase-Untereinheit I (COI-Sequenzen) ihrer Wirte durchgeführt, die zur näheren Klärung der Fragen zu Übertragungsweg und Stellung der Camponotus-Endosymbionten verhalfen. Untersuchungen an dreizehn verschiedenen Camponotus-Arten brachten folgende Ergebnisse. Die intrazellulären Bakterien der Ameisen gehören zur g-Subklasse der Proteobakterien. Innerhalb des 16S-Stammbaumes der Symbionten kann man drei Untergruppen unterscheiden, in denen die einzelnen Arten enger miteinander verwandt sind. Bei den nächstverwandten Bakteriennachbarn der Camponotus-Endosymbionten handelt es sich um die ebenfalls symbiontisch lebenden Bakterien der Gattungen Wigglesworthia und Buchnera. Die Ameisen-Symbionten besitzen in ihren rrs-Genen intervenierende DNA-Sequenzen (IVS), die stabile Sekundärstrukturen ausbilden können. Ihre 16S-Gene sind nicht strangaufwärts von den 23S-Genen lokalisiert. Durch diese genetische Besonderheit ähneln die Camponotus-Symbionten den Buchnera-Symbionten, deren rRNA-Gene auf zwei Transkriptionseinheiten verteilt sind. Innerhalb des Stammbaumes der untersuchten Wirtsameisen existieren ebenfalls drei Untergruppen, deren einzelne Arten enger miteinander verwandt sind. Die direkte Gegenüberstellung des Symbionten-Stammbaumes mit dem der Ameisen zeigt ein weitgehend gleiches Verzweigungsmuster. Beide Dendrogramme zeigen signifikante Übereinstimmungen bezüglich ihrer taxonomischen Beziehungen und legen eine kongruente Entwicklung von Symbionten und Wirten, die nur durch einen vertikalen Übertragungsweg erzeugt werden kann, nahe. Einzige Ausnahme bildete hierbei der C. castaneus-Symbiont, bei dem ein horizontaler Transfer von Symbionten nicht gänzlich ausgeschlossen werden kann. Die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten phylogenetischen Untersuchungen ermöglichten die Benennung einer neuen Symbiontengattung innerhalb der gamma-Subgruppe der Proteobakterien: "Candidatus Blochmannia spp." Histologische Studien der Endosymbiose mit Hilfe von licht- und elektronenmikroskopischen Methoden sollten Fragen zur Symbiontenlokalisation innerhalb adulter Individuen beantworten und die Ergebnisse zum Übertragungsweg der intrazellulären Bakterien festigen. Die Endosymbionten sind in den Mitteldarmepithelien von Arbeiterinnen, Königinnen und Männchen in Myzetozytenzellen lokalisiert, die in das Mitteldarmepithel interkalieren. Diese spezialisierten Zellen besitzen kaum Vesikel und tragen keinen Mikrovillisaum. In den Oozyten der Ovarien von Königinnen und Arbeiterinnen wurden ebenfalls große Symbiontenmengen gefunden. Die Spermatheka der Königinnen und die Geschlechtsorgane der Männchen waren symbiontenfrei. Die Abwesenheit von Symbionten innerhalb dieser beiden Organe zeigt, dass eine Bakterieninfektion der weiblichen Tiere nicht durch die Männchen stattfindet, sondern wie schon in den phylogenetischen Untersuchungen postuliert, ein rein maternaler Übertragungsweg der Symbionten vorliegt. Die Detektion der Bakterien in Eiern und Larven der Ameisen mittels In situ-Hybridisierungen trugen zur Aufklärung des Weges der Endosymbionten während der Embryogenese bei. Während sich im abgelegten Ei ein Ring aus Symbionten bildete, kam es in den Larvenstadien 1 bis 3 zur Auswanderung der Bakterien in Meso- bzw. Ektoderm. Im größten untersuchten Larvenstadium 4, das kurz vor der Verpuppung stand, konnten die Symbionten ausschließlich in den Myzetozyten des Mitteldarmes detektiert werden. Die Behandlung der Ameisen mit Antibiotika ermöglichte es, symbiontenfreie Ameisen zu erzeugen, die über einen längeren Zeitraum weiterlebten, ohne ihre Symbionten zu regenerieren. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es erstmals, die intrazellulären Bakterien intakt aus dem sie umgebenden Mitteldarmgewebe zu isolieren. Somit konnten gereinigte Symbionten für Kultivierungs- und Infektionsversuche verwendet werden. Diese Versuche die mit Hilfe von Bakteriennährmedien und Insektenzelllinien durchgeführt wurden, zeigten jedoch sehr deutlich, dass es nicht möglich ist, die Camponotus-Symbionten außerhalb ihrer Wirte zu kultivieren.
N2  - This thesis deals with the characterization of intracellular endosymbiotic bacteria in the midgut of carpenter ants (Camponotus spp.). Sequences of the 16S rDNA of the symbionts and the mitochondrial cytochrome oxidase subunit I (COI) were used for phylogenetic analyses, respectively. These investigations led to new insights concerning the transmission pathway and the phylogenetic classification of the Camponotusendosymbionts. The following results were obtained by extensive analysis of thirteen different Camponotus species. The intracellular bacteria of these species form a distinct lineage in the gamma-subclass of the Proteobacteria. Within the Camponotus symbionts three subclusters are apparent, in which the strains are more related to each other than to the members of the other subclusters. The taxa closest related to the antsymbionts are the symbiotic bacteria of the genus Wigglesworthia and Buchnera. The rrs genes of the Camponotusendosymbionts contain putative intervening sequences (IVS). Their 16S rDNA apparently is not located upstream of the 23S rDNA, and the 16S and 23Sgenes seem to be organized in different transcription units. This genetic characteristic was already described for the symbionts of the genus Buchnera. Similar to the endosymbionts, the phylogenetic relationship of the host ants could be arranged into three clusters with increasingly closer relationship. The direct comparison of the phylogenetic trees of the endosymbiotic bacteria and the ants revealed a nearly similar branching pattern. The exception is C. castaneus, which can not be related to any other species on the basis of the COI analysis. Nevertheless, both trees showed very significant congruence suggesting parallel evolution of symbiotic bacteria and host ant species. These phylogenetic investigations provided the justification for proposing a new taxon in the gamma-subclass of the Proteobacteria: "Candidatus Blochmannia spp". By light- and electronmicroscopical studies I investigated the mode of transmission of the endosymbionts and their location in adult individuals. These studies showed that the bacteria are localized in specialized cells, so-called mycetocytes. These cells are intercalated between the epithelial cells of the midgut. The mycetocytes lack vesicles and microvilli. Camponotusendosymbionts have not been detected in spermathecae of queens or in the testes of males, but they were found intracellularly in oocytes of queens and workers. This strongly indicates a maternal transmission of the bacteria. Using in situ hybridization with species specific probes, the endosymbiotic bacteria could be detected in eggs and larvae. With these experiments it was possible to study the spatial arrangements of the symbionts during embryogenesis. In the egg-stage the symbionts form a ball. In larval stages 1-3 a migration of bacteria into the meso- and ectoderm was observed. In larval stage 4 the symbionts were accumulated in the midgut epithelium, like in adult individuals. Symbionts could only be detected in the mycetocytes of the gut. Ants treated with antibiotics were free of symbionts, and could be maintained to a long time period (more than 12 weeks) without regenerating their bacteria. In these studies we were able to isolate the symbionts out of the midgut epithelial successfully. These isolated microorganisms were used for cultivation and infection experiments. Using different culture mediums and insect cells we showed, that it is impossible to cultivate the Camponotus symbionts outside their host organisms.
KW  - Rossameise
KW  - Mitteldarm
KW  - Endosymbiont
KW  - Endosymbionten
KW  - Ameisen
KW  - Blochmannia
KW  - Camponotus
KW  - Symbionten
KW  - Bakterien
KW  - Insekten
KW  - Hymenoptera
KW  - endosymbionts
KW  - ants
KW  - Blochmannia
KW  - Camponotus
KW  - symbionts
KW  - bacteria
KW  - insects
KW  - hymenoptera
Y1  - 2000
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-1940
ER  - 
TY  - THES
A1  - Geissler, Oliver
T1  - Der Informationsfluss bei der Futtersuche von Ameisen : Spezielle Kommunikationsstrategien von Blattschneiderameisen und nektarsammelnden Ameisen
T1  - The flow of information during foraging in ants: special communication strategies in leaf-cutting ants and nectar feeding ants
N2  - Die komplexen Aktivitätsmuster während der Futtersuche bei Ameisen sind kein Resultat einer einfachen Selbstorganisation mit starren Regeln sind, sondern diese Regeln werden vielmehr permanent durch den Informationsaustausch zwischen den Arbeiterinnen modifiziert. Die Furagierökologie hat vor allem einen Einfluss auf die Rekrutierungsstrategie der Tiere. Blattschneiderameisen furagieren an großen und stabilen Nahrungsressourcen auf diese sie nach dem Auffinden sofort stark rekrutieren. Camponotus rufipes besucht hingegen Futterquellen, die in ihrer Ergiebigkeit schlecht vorhersagbar sind. Daher steigern die Tiere ihre Rekrutierungsintensität erst nachdem sie sich durch mehrmaliges Aufsuchen der Futterquelle von deren Beständigkeit überzeugt haben.
N2  - The complex foraging activity patterns performed by ant colonies during foraging are not the result of numerous simple stimulus-response behaviours based on fixed decision rules. On the contrary, the decision rules are modified continuously by the information flow between workers. The foraging ecology has a strong impact on the recruitment strategies used by the ants. Leaf-cutting ants forage at long-term ad libitum food sources. Therefore, when food patches once found, the scouts show immediately intense recruiting behaviour. In contrast Camponotus rufipes visit small food patches, which are unpredictable in their profitability. Therefore the animals increase the recruitment activity not until the reliability of the site was tested by being able to perform several successful foraging bouts.
KW  - Nahrungserwerb
KW  - Ameisen
KW  - Organisation
KW  - Rückkopplung
KW  - ants
KW  - foraging
KW  - organisation
KW  - feedback
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-28878
ER  - 
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
ER  - 
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
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Floren, Andreas
A1  - von Rintelen, Thomas
A1  - Herbert, Paul D. N.
A1  - de Araujo, Bruno Cancian
A1  - Schmidt, Stefan
A1  - Balke, Michael
A1  - Narakusumo, Raden Pramesa
A1  - Peggie, Djunijanti
A1  - Ubaidillah, Rosichon
A1  - von Rintelen, Kristina
A1  - Müller, Tobias
T1  - Integrative ecological and molecular analysis indicate high diversity and strict elevational separation of canopy beetles in tropical mountain forests
JF  - Scientific Reports
N2  - Tropical mountain forests contribute disproportionately to terrestrial biodiversity but little is known about insect diversity in the canopy and how it is distributed between tree species. We sampled tree-specific arthropod communities from 28 trees by canopy fogging and analysed beetle communities which were first morphotyped and then identified by their DNA barcodes. Our results show that communities from forests at 1100 and 1700 m a.s.l. are almost completely distinct. Diversity was much lower in the upper forest while community structure changed from many rare, less abundant species to communities with a pronounced dominance structure. We also found significantly higher beta-diversity between trees at the lower than higher elevation forest where community similarity was high. Comparisons on tree species found at both elevations reinforced these results. There was little species overlap between sites indicating limited elevational ranges. Furthermore, we exploited the advantage of DNA barcodes to patterns of haplotype diversity in some of the commoner species. Our results support the advantage of fogging and DNA barcodes for community studies and underline the need for comprehensive research aimed at the preservation of these last remaining pristine forests.
KW  - beta-diversity
KW  - community data
KW  - gradients
KW  - insects
KW  - hypthesis
KW  - evolution
KW  - passes
KW  - ants
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230565
VL  - 10
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Römer, Daniela
A1  - Roces, Flavio
T1  - Nest Enlargement in Leaf-Cutting Ants: Relocated Brood and Fungus Trigger the Excavation of New Chambers
N2  - During colony growth, leaf-cutting ants enlarge their nests by excavating tunnels and chambers housing their fungus gardens and brood. Workers are expected to excavate new nest chambers at locations across the soil profile that offer suitable environmental conditions for brood and fungus rearing. It is an open question whether new chambers are excavated in advance, or will emerge around brood or fungus initially relocated to a suitable site in a previously-excavated tunnel. In the laboratory, we investigated the mechanisms underlying the excavation of new nest chambers in the leaf-cutting ant Acromyrmex lundi. Specifically, we asked whether workers relocate brood and fungus to suitable nest locations, and to what extent the relocated items trigger the excavation of a nest chamber and influence its shape. When brood and fungus were exposed to unfavorable environmental conditions, either low temperatures or low humidity, both were relocated, but ants clearly preferred to relocate the brood first. Workers relocated fungus to places containing brood, demonstrating that subsequent fungus relocation spatially follows the brood deposition. In addition, more ants aggregated at sites containing brood. When presented with a choice between two otherwise identical digging sites, but one containing brood, ants' excavation activity was higher at this site, and the shape of the excavated cavity was more rounded and chamber-like. The presence of fungus also led to the excavation of rounder shapes, with higher excavation activity at the site that also contained brood. We argue that during colony growth, workers preferentially relocate brood to suitable locations along a tunnel, and that relocated brood spatially guides fungus relocation and leads to increased digging activity around them. We suggest that nest chambers are not excavated in advance, but emerge through a self-organized process resulting from the aggregation of workers and their density-dependent digging behavior around the relocated brood and fungus.
KW  - fungi
KW  - ants
KW  - fungal structure
KW  - fungal pathogens
KW  - foraging
KW  - humidity
KW  - pupae
KW  - fungal diseases
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-112860
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mody, Karsten
T1  - Patterns of arthropod distribution and determinants of arthropod assemblage composition in a natural West African savannah
T1  - Verteilungsmuster von Arthropoden und zugrunde liegende Bestimmungsfaktoren in einer naturnahen westafrikanischen Savanne
N2  - This study investigated patterns of arthropod community organisation and the processes structuring these communities on a range of different tree species in a natural West African savannah (Comoé National Park, Côte d'Ivoire). It described and analysed patterns of arthropod distribution on the level of whole communities, on the level of multiple-species interactions, and on the level of individual insect species. Community samples were obtained by applying (i) canopy fogging for mature individuals of three tree species (Anogeissus leiocarpa, Burkea africana, Crossopteryx febrifuga) and (ii) a modified beating technique allowing to sample the complete arthropod communities of the respective study plants for medium-sized (up to 3 m) individuals of two other species (Combretum fragrans, Pseudocedrela kotschyi). General information on ant-plant interactions was retrieved from ant community comparisons of the mature savannah trees. In addition, ant-ant, ant-plant and ant-herbivore interactions were studied in more detail considering the ant assemblages on the myrmecophilic tree Pseudocedrela kotschyi. Herbivore-plant interactions were investigated on a multiple-species level (interrelationships between herbivores and Pseudocedrela trees) and on a species level (detailed studies of interrelationships between herbivorous beetles and caterpillars and the host tree Combretum fragrans). The studies on individual herbivore species were complemented by a study on an abundant ant species, clarifying not only the relationship between host plant and associated animal but allowing also to look at interactive (competitive) aspects of community organisation. The study demonstrated for the first time that (i) the structure of beetle communities on tropical trees can be strongly dependent on the host tree species, (ii) individual trees can host specific arthropod communities whose characteristic structure is stable over years and is strongly determined by the individual tree's attributes, (iii) ants can express a pronounced fidelity to single leaves as foraging area and can thereby determine distribution patterns of other ants, (iv) intraspecifically variable palatability of plants for insect herbivores can be stable over years and can influence the distribution of herbivores that can distinguish between individual hosts according to palatability and (v) intraspecific host plant change can positively affect fitness of herbivores if host plant quality is variable. In general, the present study contributes to our knowledge of anthropogenically unaltered processes affecting community assembly in a natural environment. The fundamental understanding of these processes is crucial for the identification of anthropogenic alterations and the establishment of sustainable management measures. The study points out the important role local factors can play for the distribution of organisms and thereby for community organisation. It emphasises the relevance of small scale heterogeneity of the abiotic and biotic environment to biodiversity and the need to consider these factors for development of effective conservation and restoration strategies.
N2  - In dieser Arbeit wurden die Arthropodengemeinschaften von fünf Baumarten in einer westafrikanischen Savanne (Comoé Nationalpark, Elfenbeinküste) untersucht. Die Zusammensetzung dieser Gemeinschaften sowie verschiedene Prozesse, die zur ihrer Strukturierung beitragen, wurden dabei auf drei verschiedenen Ebenen beschrieben und analysiert: auf der Ebene von Arthropodengemeinschaften (Gemeinschaftsniveau), auf der Ebene von Interaktionen zwischen mehreren Arthropodenarten (Interaktionsniveau) und auf der Ebene individueller Insektenarten (Artniveau). Die Erfassung der Arthropodengemeinschaften erfolgte zum einen durch Kronenbenebelung ("canopy fogging") ausgewachsener Bäume der drei Arten Anogeissus leiocarpa, Burkea africana und Crossopteryx febrifuga. Zum anderen wurde eine modifizierte Klopftechnik eingesetzt, die eine Erfassung von kompletten Arthropodengemeinschaften kleiner bis mittelgroßer (bis 3 m) Individuen der Baumarten Combretum fragrans und Pseudocedrela kotschyi ermöglichte. Eine genauere Analyse von Ameisengemeinschaften der adulten Savannenbäume lieferte generelle Informationen zu Ameisen-Pflanzen-Beziehungen. Zusätzlich wurden die Interaktionen zwischen Ameisen und Pflanzen sowie zwischen Ameisen und herbivoren Insekten anhand der mit dem myrmekophilen Savannenbaum Pseudocedrela kotschyi assoziierten Ameisengemeinschaften genauer untersucht. Die Wechselbeziehungen zwischen Herbivoren und Pflanzen wurden sowohl auf dem Interaktionsniveau (Beziehungen zwischen Herbivoren und Pseudocedrela-Bäumen) als auch auf der Ebene individueller Arten analysiert (detaillierte Untersuchungen zur Wechselbeziehung zwischen herbivoren Käfern und Raupen und ihrer Futterpflanze Combretum fragrans). Die an individuellen Herbivorenarten gewonnenen Erkenntnisse wurden durch eine Untersuchung einer häufig auf den Pseudocedrela-Bäumen anzutreffenden Ameisenart ergänzt. Diese Studie führte nicht nur zu einem besseren Verständnis der Wechselbeziehungen zwischen Wirtspflanze und assoziiertem Insekt, sondern ermöglichte es auch, interaktive (konkurrenzgesteuerte) Aspekte der Organisation von Arthropodengemeinschaften zu verstehen. Die vorgestellten Untersuchungen zeigten erstmals, dass (i) die Zusammensetzung von Käfergemeinschaften auf tropischen Bäumen stark von der Art der Wirtspflanze abhängig sein kann, (ii) individuelle Bäume spezifische Arthropodengemeinschaften beherbergen können, deren charakteristische Zusammensetzung über Jahre hinweg stabil ist und stark von den individuellen Baummerkmalen beeinflusst wird, (iii) Ameisen eine deutliche Ortstreue zu einzelnen Blättern als Fouragierbereich ausbilden können, und dadurch die Verteilungsmuster anderer Ameisen bestimmen können, (iv) individuelle Unterschiede artgleicher Pflanzen in ihrer Nahrungsqualität für herbivore Insekten über Jahre stabil sind und sich die Verteilung von bestimmten Herbivoren auf den Pflanzen dieser Nahrungsqualität anpasst, (v) ein Wechsel von artgleichen Wirtspflanzen die Fitness von Herbivoren positiv beeinflussen kann, wenn die Futterqualität der Wirtspflanzen sehr variabel ist. Insgesamt weist diese Studie besonders darauf hin, dass sehr kleinräumig wirkende, lokale Faktoren einen entscheidenden Einfluss auf die Verteilung von Organismen und die Zusammensetzung ökologischer Gemeinschaften ausüben. Sie betont die Relevanz einer kleinräumigen Umweltheterogenität für die Biodiversität eines Gebiets und verdeutlicht anhand erstmals festgestellter Zusammenhänge von Pflanzeneigenschaften und Arthropodenverteilung, dass die Heterogenität abiotischer und biotischer Umweltparameter bei der Entwicklung von nachhaltigen Management-Praktiken und von Naturschutz- und Restaurationskonzepten berücksichtigt werden muss.
KW  - Savanne
KW  - Baumkrone
KW  - Gliederfüßer
KW  - Arthropodengemeinschaft
KW  - Tier-Pflanze-Interaktionen
KW  - Ameisen
KW  - Diversität
KW  - Naturschutz
KW  - arthropod community
KW  - animal-plant interactions
KW  - ants
KW  - diversity
KW  - conservation
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-6202
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Mildner, Stephanie
A1  - Roces, Flavio
T1  - Plasticity of Daily Behavioral Rhythms in Foragers and Nurses of the Ant Camponotus rufipes: Influence of Social Context and Feeding Times
JF  - PLoS One
N2  - Daily activities within an ant colony need precise temporal organization, and an endogenous clock appears to be essential for such timing processes. A clock drives locomotor rhythms in isolated workers in a number of ant species, but its involvement in activities displayed in the social context is unknown. We compared locomotor rhythms in isolated individuals and behavioral rhythms in the social context of workers of the ant Camponotus rufipes. Both forager and nurse workers exhibited circadian rhythms in locomotor activity under constant conditions, indicating the involvement of an endogenous clock. Activity was mostly nocturnal and synchronized with the 12:12h light-dark-cycle. To evaluate whether rhythmicity was maintained in the social context and could be synchronized with non-photic zeitgebers such as feeding times, daily behavioral activities of single workers inside and outside the nest were quantified continuously over 24 hours in 1656 hours of video recordings. Food availability was limited to a short time window either at day or at night, thus mimicking natural conditions of temporally restricted food access. Most foragers showed circadian foraging behavior synchronized with food availability, either at day or nighttime. When isolated thereafter in single locomotor activity monitors, foragers mainly displayed arrhythmicity. Here, high mortality suggested potential stressful effects of the former restriction of food availability. In contrast, nurse workers showed high overall activity levels in the social context and performed their tasks all around the clock with no circadian pattern, likely to meet the needs of the brood. In isolation, the same individuals exhibited in turn strong rhythmic activity and nocturnality. Thus, endogenous activity rhythms were inhibited in the social context, and timing of daily behaviors was flexibly adapted to cope with task demands. As a similar socially-mediated plasticity in circadian rhythms was already shown in honey bees, the temporal organization in C. rufipes and honey bees appear to share similar basic features.
KW  - honey bees
KW  - biological locomotion
KW  - foraging
KW  - circadian rhythms
KW  - chronobiology
KW  - insects
KW  - nurses
KW  - ants
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-148010
VL  - 12
IS  - 1
ER  -