TY - THES A1 - Schmitt, Thomas T1 - Communication in the hymenoptera : chemistry, ecology and evolution T1 - Kommunikation bei Hymenopteren - Chemie, Ökologie und Evolution N2 - Insects exhibit complex systems of communication with chemical signalling being the most important mode. Although there are many studies on chemical communication in insects, the evolution of chemical signals is not well understood. Due to the conflict of interests between individuals, different selective pressures might act on sender and receiver. In this thesis I investigate different types of communication where either the sender, the receiver or both parties yield benefits. These studies were conducted with one digger wasp species, honeybees, one chrysidid wasp, and three ant species. Senders might benefit by exploiting existing preferences of receivers. Such sensory exploitation might influence the evolution of male signals that are designed to attract females. The sex pheromone of male European beewolves Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae) might have evolved according to the sensory exploitation hypothesis. A three-step scenario is supported by our studies. First, a major component of the honeybee alarm pheromone, (Z)-11-eicosen-1-ol, is also found on the cuticles and in the air surrounding foraging honeybees. Second, it could be shown, that (Z)-11- eicosen-1-ol plays a crucial role as kairomone for prey identification of honeybees by beewolf females. Third, a reanalysis of the beewolf male sex pheromone shows a remarkable similarity of compounds between the pheromone and the honeybee cuticle, besides the co-occurrence of (Z)-11-eisosen-ol. The majority of the cuticular hydrocarbons of honeybees occur also in the headspace of foraging workers. These results strongly support the hypothesis that beewolf males evolved a pheromone that exploits the females’ pre-existing sensory sensitivity. In addition, the male sex pheromone shows a significantly higher similarity among brothers than among non-related individuals, which might enable beewolf females to discriminate against brothers and avoid detrimental effects of breeding. Together with the studies on the possible sensory exploitation this result shows that both, male and female beewolves probably gain more benefits than costs from the pheromone communication and, thus, the communication system as a whole can be regarded as cooperative. To maintain the reproductive division of labour in eusocial colonies, queens have to signal their presence and fecundity. In the ant Camponotus floridanus (Hymenoptera, Formicidae) queens mark their own eggs with a distinctive pattern of cuticular hydrocarbons. Two different hypotheses have been developed. One suggests a form of worker manipulation by the queen. The alternative hypothesis assumes a cooperative signal that provides information on the condition of the queen. The results of our investigation clearly favour the latter hypothesis. Chemical mimicry is a form of non-cooperative communication that benefits predominantly the sender. We provided conclusive evidence that the cockoo wasp, Hedychrum rutilans (Hymenoptera, Chrysididae), the primary brood parasitoid of Philanthus triangulum, evades recognition by beewolf females most probably by chemical mimicry of the odour of its host. Furthermore, the adaptation of the chemical signature in the social ant parasite Protomognathus americanus (Hymenoptera, Formicidae) to its Leptothorax (Hymenoptera, Formicidae) hosts was investigated. Although this parasite is principally adapted to its hosts’ cuticular hydrocarbon profile, there are still pronounced differences between the profiles of parasites and hosts. This might be explained by the trade-off, which the parasites faces when confronted locally with two host species with different cuticular hydrocarbon profiles. Non-cooperative communication in the sense that only receivers benefit was discovered in the exploitation of honeybees volatile cuticular hydrocarbons by beewolf females. By using emitted (Z)-11-eicosen-1-ol as a kairomone, the receiver, the beewolf female, yields the benefits and the sender, the honeybee prey, bears all the costs. The results of these studies contribute to the understanding of the evolution of cooperative and non-cooperative communication with chemical signals taking into account differential benefits for sender and/or receiver. N2 - Insekten weisen ein komplexes System der Kommunikation auf, wobei chemische Signale die wichtigste Rolle spielen. Obwohl viele Studien über chemische Kommunikation an Insekten durchgeführt wurden, ist die Evolution von chemischen Signalen nicht gut verstanden. Aufgrund von Interessenkonflikten wirken unterschiedliche Selektionsdrücke auf Sender und Empfänger. In dieser Dissertation untersuchte ich verschiedene Typen von Kommunikation, bei denen entweder der Sender, der Empfänger oder beide von der Kommunikation profitieren. Als Modellorganismen wurden eine Grabwespenart (Crabronidae), Honigbienen (Apidae), eine Goldwespenart (Chrysididae) und drei Ameisenarten (Formicidae) studiert. Sender können von der Ausnutzung existierender Präferenzen der Empfänger profitieren. Eine solche Ausnutzung kann die Evolution von Männchensignalen beeinflussen, die entwickelt wurden, um Weibchen anzulocken. Solch eine „sensory exploitation“ könnte die Evolution des Sexualpheromons von Männchen des Europäischen Bienenwolfs Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae) beeinflußt haben. Unsere Studien unterstützen das folgende Drei-Stufen-Szenario: Erstens, eine Hauptkomponente aus dem Honigbienenalarmpheromon, das (Z)-11- Eicosen-1-ol, wurde auf der Kutikula und in der Umgebungsluft furagierender Honigbienen nachgewiesen. Zweitens konnte gezeigt werden, daß (Z)-11-Eicosen-1-ol eine wichtige Rolle als Kairomon bei der Identifizierung der Honigbiene als Beute durch Bienenwolfweibchen spielt. Schließlich zeigte eine detaillierte chemische Analyse des Bienenwolfmännchenpheromons, daß außer dem Auftreten von (Z)-11- Eicosen-1-ol weitere bemerkenswerte Übereinstimmungen zwischen dem Pheromon und der Honigbienenkutikula auftreten. Die meisten der kutikulären Substanzen der Honigbiene finden sich auch in der Umgebungsluft furagierender Honigbienen. Diese Ergebnisse bestätigen, daß bei der Evolution des Pheromons der Bienenwolfmännchen bereits existierende sensorische Fähigkeiten der Weibchen eine wichtige Rolle spielten und somit die „sensory exploitation“ Hypothese unterstützt wird. Das Sexualpheromon der Bienenwolfmännchen zeigt außerdem eine signifikant größere Ähnlichkeit zwischen Brüdern im Vergleich zu nicht verwandten Individuen. Dies könnte den Bienenwolfweibchen ermöglichen, bei der Paarung gegen Brüder zu diskriminieren und damit einen nachteiligen Effekt der Inzucht bei Nachkommen zu vermeiden. Dieses Ergebnis zeigt zusammen mit den Studien zur möglichen „sensory exploitation“, daß Männchen und Weibchen wahrscheinlich mehr Nutzen als Kosten aus diesem Kommunikationssystem erzielen und deshalb das System insgesamt als kooperativ betrachtet werden kann. Um die reproduktive Arbeitsteilung in eusozialen Kolonien aufrecht zu erhalten, müssen Königinnen ihre Anwesendheit und Fekundität signalisieren. Bei der Ameisenart Camponotus floridanus (Hymenoptera, Formicidae) markieren die Königinnen ihre eigenen Eier mit einem unverwechselbaren kutikulären Kohlenwasserstoffmuster. Zwei unterschiedliche Hypothesen, die diese Form der Kommunikation erklären, wurden formuliert. Eine Hypothese schlägt eine Manipulation von Arbeiterinnen durch die Königin vor. Eine Alternativhypothese geht von einem kooperativen Signal aus, das Informationen über den Zustand der Königin übermittelt. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen stützen eindeutig letztere Hypothese. Chemische Mimikry ist eine Form von nicht-kooperativer Kommunikation, von der ausschließlich der Sender profitiert. Die Goldwespe, Hedychrum rutilans (Hymenoptera, Chrysididae), der wichtigste Brutparasitoid von Philanthus triangulum, entgeht der Entdeckung durch das Bienenwolfweibchen wahrscheinlich durch Imitierung des Geruchs seines Wirtes. Weiterhin wurde die Anpassung der chemischen Signatur des sozialen Ameisenparasiten Protomognathus americanus (Hymenoptera, Formicidae) an seine Leptothorax Wirtsarten untersucht. Obwohl dieser Parasit prinzipiell an das kutikuläre Kohlenwasserstoffprofil seines Wirtes angepaßt ist, gibt es trotzdem ausgeprägt Unterschiede zwischen den Profilen des Parasits und seines Wirtes. Dies könnte durch einen „trade-off“ erklärt werden, dem die Parasiten ausgesetzt sind, wenn sie lokal mit zwei Wirtsarten mit unterschiedlichen kutikulären Kohlenwasserstoffprofilen konfrontiert werden. Nicht-kooperative Kommunikation im Sinne, daß nur der Empfänger profitiert, wurde bei der Ausnutzung der flüchtigen kutikulären Kohlenwasserstoffen der Honigbiene durch seinen Prädator, das Bienenwolfweibchen, gezeigt. Durch die Nutzung von (Z)- 11-Eicosen-1-ol als Kairomon profitiert nur der Empfänger, das Bienenwolfweibchen, wohingegen der Sender, die Honigbiene (Beute), alle Kosten trägt. Die Ergebnisse dieser Studien tragen zu einem besseren Verständnis der Evolution von kooperativer und nicht-kooperativer Kommunikation mit chemischen Signalen unter Berücksichtigung des unterschiedlichen Nutzens für Sender und/oder Empfänger bei. KW - Hautflügler KW - Chemische Kommunikation KW - Pheromone KW - kutikuläre Kohlenwasserstoffe KW - chemische Kommunikation KW - Hymenopteren KW - pheromones KW - cuticular hydrocarbons KW - chemical communication KW - Hymenoptera Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11267 ER - TY - JOUR A1 - Morschhäuser, Joachim A1 - Ramírez-Zavala, Bernardo A1 - Weyler, Michael A1 - Gildor, Tsvia A1 - Schmauch, Christian A1 - Kornitzer, Daniel A1 - Arkowitz, Robert T1 - Activation of the Cph1-Dependent MAP Kinase Signaling Pathway Induces White-Opaque Switching in Candida albicans JF - PLoS Pathogens N2 - Depending on the environmental conditions, the pathogenic yeast Candida albicans can undergo different developmental programs, which are controlled by dedicated transcription factors and upstream signaling pathways. C. albicans strains that are homozygous at the mating type locus can switch from the normal yeast form (white) to an elongated cell type (opaque), which is the mating-competent form of this fungus. Both white and opaque cells use the Ste11-Hst7-Cek1/Cek2 MAP kinase signaling pathway to react to the presence of mating pheromone. However, while opaque cells employ the transcription factor Cph1 to induce the mating response, white cells recruit a different downstream transcription factor, Tec1, to promote the formation of a biofilm that facilitates mating of opaque cells in the population. The switch from the white to the opaque cell form is itself induced by environmental signals that result in the upregulation of the transcription factor Wor1, the master regulator of white-opaque switching. To get insight into the upstream signaling pathways controlling the switch, we expressed all C. albicans protein kinases from a tetracycline-inducible promoter in a switching-competent strain. Screening of this library of strains showed that a hyperactive form of Ste11 lacking its N-terminal domain (Ste11ΔN467) efficiently stimulated white cells to switch to the opaque phase, a behavior that did not occur in response to pheromone. Ste11ΔN467-induced switching specifically required the downstream MAP kinase Cek1 and its target transcription factor Cph1, but not Cek2 and Tec1, and forced expression of Cph1 also promoted white-opaque switching in a Wor1-dependent manner. Therefore, depending on the activation mechanism, components of the pheromone-responsive MAP kinase pathway can be reconnected to stimulate an alternative developmental program, switching of white cells to the mating-competent opaque phase. KW - biofilms KW - candida albicans KW - library screening KW - pheromones KW - protein expressions KW - protein kinase signaling cascade KW - regulator genes KW - transcription factors Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-97281 ER - TY - JOUR A1 - Strube-Bloss, Martin F. A1 - Brown, Austin A1 - Spaethe, Johannes A1 - Schmitt, Thomas A1 - Rössler, Wolfgang T1 - Extracting the Behaviorally Relevant Stimulus: Unique Neural Representation of Farnesol, a Component of the Recruitment Pheromone of Bombus terrestris JF - PLoS One N2 - To trigger innate behavior, sensory neural networks are pre-tuned to extract biologically relevant stimuli. Many male-female or insect-plant interactions depend on this phenomenon. Especially communication among individuals within social groups depends on innate behaviors. One example is the efficient recruitment of nest mates by successful bumblebee foragers. Returning foragers release a recruitment pheromone in the nest while they perform a ‘dance’ behavior to activate unemployed nest mates. A major component of this pheromone is the sesquiterpenoid farnesol. How farnesol is processed and perceived by the olfactory system, has not yet been identified. It is much likely that processing farnesol involves an innate mechanism for the extraction of relevant information to trigger a fast and reliable behavioral response. To test this hypothesis, we used population response analyses of 100 antennal lobe (AL) neurons recorded in alive bumblebee workers under repeated stimulation with four behaviorally different, but chemically related odorants (geraniol, citronellol, citronellal and farnesol). The analysis identified a unique neural representation of the recruitment pheromone component compared to the other odorants that are predominantly emitted by flowers. The farnesol induced population activity in the AL allowed a reliable separation of farnesol from all other chemically related odor stimuli we tested. We conclude that the farnesol induced population activity may reflect a predetermined representation within the AL-neural network allowing efficient and fast extraction of a behaviorally relevant stimulus. Furthermore, the results show that population response analyses of multiple single AL-units may provide a powerful tool to identify distinct representations of behaviorally relevant odors. KW - instinct KW - plant-insect interactions KW - pheromones KW - bumblebees KW - odorants KW - principal component analysis KW - neurons KW - action potentials Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125875 VL - 10 IS - 9 ER -