TY  - THES
A1  - Mitesser, Oliver
T1  - The evolution of insect life history strategies in a social context
T1  - Die Evolution von Lebenslaufstrategien bei Insekten in sozialem Kontext
N2  - This thesis extends the classical theoretical work of Macevicz and Oster (1976, expanded by Oster and Wilson, 1978) on adaptive life history strategies in social insects. It focuses on the evolution of dynamic behavioural patterns (reproduction and activity) as a consequence of optimal allocation of energy and time resources. Mathematical modelling is based on detailed empirical observations in the model species Lasioglossum malachurum (Halictidae; Hymenoptera). The main topics are field observations, optimisation models for eusocial life histories, temporal variation in life history decisions, and annual colony cycles of eusocial insects.
N2  - Diese Dissertation entwickelt die klassische theoretische Arbeit von Macevicz und Oster (1976, erweitert von Oster und Wilson, 1978) zu adaptiven Lebenslaufstrategien bei sozialen Insekten fort. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Evolution von dynamischen Verhaltensmustern (Reproduktion und Aktivität) als Resultat optimaler Allokation von Energie- und Zeitressourcen. Die mathematische Modellierung erfolgt auf Basis detaillierter Beobachtungsdaten zum Koloniezyklus der Furchenbiene Lasioglossum malachurum (Halictidae; Hymenoptera). Zentrale Themenbereiche sind Freilandbeobachtungen, Optimierungsmodelle für eusoziale Lebenslaufstrategien, zeitliche Variabilität bei Lebenslaufentscheidungen und der jährliche Koloniezyklus eusozialer Insekten.
KW  - Schmalbienen
KW  - Insektenstaat
KW  - Lebensdauer
KW  - Evolution
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Evolution
KW  - Lebenslaufstrategien
KW  - soziale Insekten
KW  - mathematische Modellierung
KW  - Halictidae
KW  - evolution
KW  - life history strategy
KW  - social insects
KW  - mathematical model
KW  - Halictidae
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-22576
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pils, Birgit
T1  - Insights into the evolution of protein domains give rise to improvements of function prediction
T1  - Untersuchung der Evolution von Proteindomänen führt zu Neuerungen in ihrer Funktionsvorhersage
N2  - The growing number of uncharacterised sequences in public databases has turned the prediction of protein function into a challenging research field. Traditional annotation methods are often error-prone due to the small subset of proteins with experimentally verified function. Goal of this thesis was to analyse the function and evolution of protein domains in order to understand molecular processes in the cell. The focus was on signalling domains of little understood function, as well as on functional sites of protein domains in general. Glucosaminidases (GlcNAcases) represent key enzymes in signal transduction pathways. Together with glucosamine transferases, they serve as molecular switches, similar to kinases and phosphatases. Little was known about the molecular function and structure of the GlcNAcases. In this thesis, the GlcNAcases were identified as remote homologues of N-acetyltransferases. By comparing the homologous sequences, I was able to predict functional sites of the GlcNAcase family and to identify the GlcNAcases as the first family member of the acetyltransferase superfamily with a distinct catalytic mechanism, which is not involved in the transfer of acetyl groups. In a similar approach, the sensor domain of a plant hormone receptor was studied. I was able to predict putative ligand-binding sites by comparing evolutionary constraints in functionally diverged subfamilies. Most of the putative ligand-binding sites have been experimentally confirmed in the meantime. Due to the importance of enzymes involved in cellular signalling, it seems impossible to find substitutions of catalytic amino acids that turn them catalytically inactive. Nevertheless, by scanning catalytic positions of the protein tyrosine phosphatase families, I found many inactive domains among single domain and tandem domain phosphatases in metazoan proteomes. In addition, I found that inactive phosphatases are conserved throughout evolution, which led to the question about the function of these catalytically inactive phosphatase domains. An analysis of evolutionary site rates of amino acid substitutions revealed a cluster of conserved residues in the apparently redundant domain of tandem phosphatases. This putative regulatory center might be responsible for the experimentally verified dimerization of the active and inactive domain in order to control the catalytic activity of the active phosphatase domain. Moreover, I detected a subgroup of inactive phosphatases, which presumably functions in substrate recognition, based on different evolutionary site rates within the phosphatase family. The characterization of these new regulatory modules in the phosphatase family raised the question whether inactivation of enzymes is a more general evolutionary mechanism to enlarge signalling pathways and whether inactive domains are also found in other enzyme families. A large-scale analysis of substitutions at catalytic positions of enzymatic domains was performed in this work. I identified many domains with inactivating substitutions in various enzyme families. Signalling domains harbour a particular high occurrence of catalytically inactive domains indicating that these domains have evolved to modulate existing regulatory pathways. Furthermore, it was shown that inactivation of enzymes by single substitutions happened multiple times independently in evolution. The surprising variability of amino acids at catalytic positions was decisive for a subsequent analysis of the diversity of functional sites in general. Using functional residues extracted from structural complexes I could show that functional sites of protein domains do not only vary in their type of amino acid but also in their structural location within the domain. In the process of evolution, protein domains have arisen from duplication events and subsequently adapted to new binding partners and developed new functions, which is reflected in the high variability of functional sites. However, great differences exist between domain families. The analysis demonstrated that functional sites of nuclear domains are more conserved than functional sites of extracellular domains. Furthermore, the type of ligand influences the degree of conservation, for example ion binding sites are more conserved than peptide binding sites. The work presented in this thesis has led to the detection of functional sites in various protein domains involved in signalling pathways and it has resulted in insights into the molecular function of those domains. In addition, properties of functional sites of protein domains were revealed. This knowledge can be used in the future to improve the prediction of protein function and to identify functional sites of proteins.
N2  - Durch den rasanten Anstieg unbekannter Proteinsequenzen in öffentlichen Datenbanken ist die Vorhersage der Proteinfunktion zu einem herausfordernden Forschungsgebiet geworden. Herkömmliche Annotationsmethoden sind häufig fehlerhaft, da nur einem kleinen Teil der Proteine experimentell eine Funktion zugewiesen werden konnte. Ziel der hier vorliegenden Arbeit war es, die Funktion und Evolution von Proteindomänen in Hinblick auf die molekularen Vorgänge innerhalb der Zelle zu untersuchen. Der Schwerpunkt lag auf Signaldomänen mit unbekannter Funktion und auf funktionell wichtigen Positionen in Domänen. Glucosaminidasen (GlcNAcasen) spielen eine wichtige Rolle in Signaltransduktionswegen. Zusammen mit den Glucosamintransferasen dienen sie als molekulare Schalter, ähnlich den Kinasen und Phosphatasen, jedoch war sehr wenig über ihre molekulare Funktion, sowie über ihre Struktur bekannt. In dieser Studie wurde die entfernte Verwandtschaft der GlcNAcasen zu den Acetyltransferasen gezeigt. Durch den Vergleich von homologen Sequenzen konnte ich funktionelle Positionen vorhersagen und die GLcNAcasen als erstes Mitglied der Acetyltransferasen-Superfamilie mit einem neuen katalytischen Mechanismus identifizieren, der nicht den Transfer von Acetylgruppen vermittelt. In einem ähnlichen Ansatz wurde die Sensordomäne eines Hormonrezeptors aus Pflanzen untersucht. Dabei konnte ich durch den Vergleich von evolutiven Zwängen in funktionell unterschiedlichen Subfamilien Liganden-bindende Positionen bestimmen. Die meisten dieser Vorhersagen wurden inzwischen experimentell bestätigt. Aufgrund der entscheidenden Bedeutung von enzymatischen Domänen in Signaltransduktionsprozessen erscheint es unmöglich, Substitutionen von katalytischen Aminosäuren zu finden, die die Domäne inaktivieren würden. Dennoch habe ich in einer Analyse der katalytischen Positionen in der Proteintyrosinphosphatase-Familie viele inaktive Domänen in Einzel- und Tandem-Domänen-Phosphatasen in den Proteomen von Metazoa gefunden. Ich habe zusätzlich beobachtet, dass die inaktiven Domänen in der Evolution konserviert sind, was die Frage aufwirft, welche Funktion diese katalytisch inaktiven Domänen haben. Eine Analyse der Evolutionsraten von Aminosäuresubstitutionen identifizierte eine Ansammlung von konservierten Positionen in der scheinbar überflüssigen inaktiven Domäne von Tandemphosphatasen. Dieser möglicherweise regulatorische Bereich könnte für die Dimerisierung der aktiven und inaktiven Domäne verantwortlich sein, welche experimentell nachgewiesen wurde, sowie für die Regulation der katalytischen Aktivität der Phosphatasedomäne. Außerdem habe ich durch die unterschiedlichen Evolutionsraten eine Untergruppe der inaktiven Phosphatasen entdeckt, die wahrscheinlich an der Substraterkennung beteiligt ist. Die Charakterisierung dieser neuen regulatorischen Module in der Phosphatase- Familie führte zu der Frage, ob die Inaktivierung von Enzymen ein allgemeiner Mechanismus in der Evolution ist, um Signaltransduktionswege zu erweitern, und ob es auch in anderen Enzymfamilien inaktive Domänen gibt. Dazu wurde eine umfassende Analyse durchgeführt, um Substitutionen an katalytischen Positionen in enzymatischen Domänen zu untersuchen. Ich habe in vielen Domänen aus unterschiedlichen Enzymfamilien inaktivierende Substitutionen gefunden. Einen besonders hohen Anteil an katalytisch inaktiven Domänen gibt es in Signaldomänen, was zeigt, daß diese Domänen entstanden sind, um existierende regulatorische Netze zu modifizieren. Es konnte ferner gezeigt werden, daß die Inaktivierung von Enzymen durch einzelne Subsitutionen mehrmals unabhängig voneinander in der Evolution stattgefunden hat. Die Variabilität von Aminosäuren an katalytischen Positionen war ausschlaggebend für eine anschließende, allgemeinere Analyse von funktionellen Positionen. Mit Hilfe von funktionellen Positionen, die aus strukturellen Komplexen extrahiert wurden, konnte ich zeigen, dass funktionelle Positionen nicht nur in der Aminosäure, sondern auch in ihrer Lokalisation innerhalb der Struktur variieren. Im Laufe der Evolution haben sich Domänen aus Duplikationsprozessen gebildet, sich neuen Bindungspartnern angepasst und neue Funktionen entwickelt, was sich nun in der hohen Variabilität ihrer funktionellen Positionen widerspiegelt. Dennoch gibt es große Unterschiede zwischen Domänenfamilien. Die Analyse hat gezeigt, dass funktionelle Positionen von nuklearen Domänen viel stärker konserviert sind, als jene von extrazellulären Domänen. Die hier vorgestellte Studie beschreibt funktionelle Positionen in verschiedenen an Signaltransduktionswegen beteiligten Proteindomänen und liefert Einblicke in ihre molekulare Funktion. Außerdem wurden Eigenschaften von funktionell wichtigen Positionen aufgezeigt. Diese Erkenntnisse können in Zukunft zur Optimierung der Vorhersage von Proteinfunktionen und zur Identifikation von funktionellen Positionen genutzt werden.
KW  - Domäne <Biochemie>
KW  - Funktion
KW  - Bioinformatik
KW  - Protein
KW  - Domäne
KW  - Funktionelle Positionen
KW  - Bioinformatik
KW  - Evolution
KW  - Protein
KW  - Domain
KW  - Functional Sites
KW  - Bioinformatics
KW  - Evolution
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16805
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herzner, Gudrun
T1  - Evolution of the pheromone communication system in the European Beewolf Philanthus triangulum F. (Hymenoptera: Crabronidae)
T1  - Die Evolution des Pheromonkommunikationssystems des Europäischen Bienenwolfs Philanthus triangulum F. (Hymenoptera: Crabronidae)
N2  - Darwin’s theory of sexual selection explains the evolution of flamboyant male traits through female choice. It does not, however, address the question why males typically court and females choose. This asymmetry is now thought to be the result of the dichotomy in reproductive expenditures: Females invest primarily in parental care and males invest predominantly in mate attraction or competition. Based on this view, several hypotheses for the origin and maintenance of female preferences have been proposed. They include the classical sexual selection models, i.e. female choice for direct and indirect benefits as well as the more recent concepts of female choice for genetic compatibility and receiver bias models. The complementary choice scenario assumes that females choose mates with regard to genetic compatibility. The receiver bias concept views male traits and female preferences within the framework of communication theory and encompasses various more or less distinct models, two of which are sensory exploitation and sensory trap. Both models postulate that male signals evolved in response to pre-existing perceptual biases of females. The sensory trap hypothesis additionally emphasizes that pre-existing female preferences for certain cues evolved in non-sexual contexts, like e.g. foraging. Males that mimic these cues and elicit a favourable out-of-context response by females may increase their reproductive success. This thesis examines the evolution of the pheromone communication in the European Beewolf Philanthus triangulum. Beewolf females are specialized hunters of honeybees and provision their progeny with paralyzed prey. Male beewolves establish and scent mark territories with a pheromone from a head gland to court females. The concordant occurrence of the otherwise rare alcohol (Z)-11-eicosen-1-ol in the male pheromone and in the alarm pheromone of honeybees, the exclusive prey of the females, suggests a sensory trap process as an explanation for the evolution of the male pheromone in P. triangulum. According to this hypothesis, we tested three predictions: First, foraging honeybees should emit eicosenol. Via chemical analysis we could show that honeybee workers in fact smell of eicosenol during foraging. The occurrence of eicosenol on the cuticle and in the headspace of honeybees is a new finding. Second, beewolf females should use eicosenol as a cue for prey detection or identification. Using behavioural assays, we demonstrated that prey recognition in beewolf females is accomplished by olfactory cues and that eicosenol is an essential cue in this process. The sensory sensitivity of beewolf females to eicosenol must be extremely high, since they perceive the trace amounts present in the head space of honeybees. This sensitivity may be due to specialized olfactory receptors on the antennae of beewolf females. An inventory of the flagellar sensilla of both sexes showed that females carry one type of sensillum that is missing in males, the large sensillum basiconicum. This chemo-sensitive sensillum most likely plays a role in prey recognition. The third prediction is that beewolf males incorporate bee-like substances, including eicosenol, into their pheromone, and possibly catch females in a sensory trap. A reanalysis of the male pheromone revealed, among others, eicosenol and several alkanes and alkenes as pheromonal compounds. Our own analyses of the chemical profiles of honeybee workers and beewolf pheromone disclosed a surprisingly strong resemblance between the two. Eight of the eleven substances of the male pheromone are also present on the cuticle and in the headspace of honeybees. Notwithstanding this similarity, the male pheromone does not function as a sensory trap for females. Nevertheless, the extensive congruence between the odour bouquets of the females’ prey and the male pheromone strongly suggests that the male signal evolved to exploit a pre-existing female sensory bias towards bee odour, and, thus represents a case of sensory exploitation. In addition to the above described scenario concerning mostly the ‘design’ of the male pheromone, we addressed possible indirect benefits female beewolves may gain by basing their mating decisions on signal ‘content’. We show that the pheromone of male beewolves varies between families and may, thus, contain information about the degree of relatedness between the female and a potential mate. Females could use this information to choose genetically complementary males to avoid inbreeding and the production of infertile diploid sons. Collectively, our results provide strong evidence for a receiver bias process in the evolution of the male pheromone of P. triangulum. They further indicate that the pheromone composition may subsequently have been influenced by other natural or sexual selection pressures, like e.g. complementary female choice.
N2  - Darwins Theorie der Sexuellen Selektion deutet die Evolution übersteigerter Männchenmerkmale als Ergebnis der Weibchenwahl. Sie erklärt jedoch nicht, warum Männchen in der Regel um Weibchen werben und Weibchen unter den werbenden Männchen wählen. Man glaubt heute, daß dies auf eine Asymmetrie im reproduktiven Aufwand zwischen den Geschlechtern zurückzuführen ist: Weibchen investieren überwiegend in elterliche Fürsorge, Männchen v.a. in Balzsignale. Hierauf basierend wurden mehrere Hypothesen zur Evolution von Präferenzen bei weiblicher Partnerwahl vorgeschlagen. Dazu gehören die klassischen Modelle der Sexuellen Selektion, wie ‚direct’ und ‚indirect benefit’ sowie die neueren Konzepte der Weibchenwahl aufgrund genetischer Kompatibilität und die 'Receiver Bias' Modelle. Letztere betrachten Männchenmerkmale und Weibchenpräferenzen im Rahmen der Kommunikationstheorie und umfassen mehrere ähnliche Modelle wie z.B. 'Sensory Exploitation' und 'Sensory Trap'. Sie postulieren, daß das Design von Männchensignalen in Anpassung an existierende Präferenzen der Weibchen entsteht. Die 'Sensory Trap' Hypothese betont zudem, daß diese sensorischen Präferenzen der Weibchen für bestimmte Signale in einem der natürlichen Selektion unterliegenden (nicht sexuellen) Kontext entstanden, so z.B. zum Auffinden von Nahrung. Männchen imitieren diese Signale um vorteilhafte Reaktionen der Weibchen auszulösen und so ihren Reproduktionserfolg zu erhöhen. Die vorliegende Dissertation untersucht die Evolution der Pheromonkommunikation des Europäischen Bienenwolfs. Bienenwolfweibchen sind spezialisierte Jäger der Honigbiene und versorgen ihre Nachkommen mit gelähmter Beute. Bienenwolfmännchen etablieren Reviere und markieren diese mit einem Pheromon um Weibchen anzulocken. Das übereinstimmende Vorkommen des sonst sehr seltenen Alkohols (Z)-11-Eicosen-1-ol sowohl im Pheromon der Männchen als auch im Alarmpheromon der Honigbienen, der ausschließlichen Beute der Weibchen, deutete darauf hin, daß es sich bei dem Pheromon um eine 'Sensory Trap' für Weibchen handeln könnte. Entsprechend dieser Hypothese testeten wir drei Vorhersagen: Erstens, furagierende Honigbienen sollten nach Eicosenol riechen. Mit Hilfe chemischer Analysen konnten wir erstmals zeigen, daß Honigbienensammlerinnen nach Eicosenol riechen. Zweitens sollten Bienenwolfweibchen Eicosenol für die Identifikation ihrer Beute nutzen. Wie wir in unseren Verhaltenstests zeigen konnten, verlassen sich die Weibchen für die Beuteerkennung auf Duftsignale. Hierbei ist Eicosenol eine notwendige Komponente für die Identifizierung der Honigbienen. Die sensorische Empfindlichkeit der Weibchen für Eicosenol scheint extrem hoch zu sein, da sie diese nur in Spuren im Luftraum um Honigbienen vorhandene Substanz, wahrnehmen können. Die hohe sensorische Empfindlichkeit der Weibchen könnte durch spezialisierte olfaktorische Rezeptoren bedingt sein. Die Analyse der antennalen Sensillen zeigte, daß Weibchen einen Sensillentyp besitzen, der bei Männchen nicht vorkommt: die großen Sensilla basiconica. Diese chemosensitiven Sensillen könnten eine entscheidende Rolle bei der Beuteerkennung spielen. Die dritte Vorhersage ist, daß Bienenwolfmännchen die für Honigbienen typischen Substanzen, darunter auch Eicosenol, in ihr Pheromon integrieren, um Weibchen in einer 'Sensory Trap' zu fangen. Eine Neuanalyse des Männchenpheromons zeigte, u.a. Eicosenol und einige Alkane und Alkene als Pheromonbestandteile. Unsere Analysen zeigten eine überraschende Übereinstimmung der chemischen Profile von Honigbienen und Bienenwolfmännchen. Acht der elf Substanzen des Pheromons finden sich auch im Duft der Honigbiene. Trotz dieser erstaunlichen Ähnlichkeit fungiert das Männchenpheromon nicht als 'Sensory Trap' für Weibchen. Die ausgeprägte Kongruenz der Düfte von Weibchenbeute und Männchenpheromon deutet aber darauf hin, daß bei der Evolution des Männchenpheromons vermutlich eine bereits existierende sensorische Präferenz der Weibchen für Bienenduft ausgenutzt wurde, d.h. daß es sich dabei um 'Sensory Exploitation' handelt. Das oben beschriebene Szenario für die Evolution des Männchenpheromons betrifft hauptsächlich das Design des Männchensignals. Darüber hinaus haben wir den möglichen Informationsgehalt des Pheromons untersucht. Das Pheromonmuster variiert beim Europäischen Bienewolf mit der Familienzugehörigkeit. Das Pheromon könnte somit Information über den Verwandtschaftsgrad zwischen einem Weibchen und einem potentiellen Paarungspartner enthalten. Weibchen könnten diese Information nutzen um sich nur mit genetisch kompatiblen Männchen zu paaren und auf diese Weise Inzucht zu vermeiden. Die vorliegenden Ergebnisse liefern starke Evidenzen für einen 'Receiver Bias' Prozess bei der Evolution des Pheromons von P. triangulum. Sie deuten außerdem darauf hin, daß die Zusammensetzung des Pheromons in der Folge durch weitere Selektionsdrücke, wie z.B. Weibchenwahl für genetische Kompatibilität, beeinflusst wurde.
KW  - Philantus
KW  - Pheromon
KW  - Sexuelle Selektion
KW  - Evolution
KW  - Evolution
KW  - Pheromon
KW  - Sexuelle Selektion
KW  - Sensory Exploitation
KW  - Sensory Exploitation
KW  - Evolution
KW  - Pheromone
KW  - Sexual selection
KW  - Sensory exploitation
KW  - Sensory trap
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11651
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TY  - THES
A1  - Dornhaus, Anna
T1  - The role of communication in the foraging process of social bees
T1  - Die Rolle der Kommunikation beim Fouragieren von sozialen Bienen
N2  - In the various groups of social bees, different systems of communication about food sources occur. These communication systems are different solutions to a common problem of social insects: efficiently allocating the necessary number of workers first to the task of foraging and second to the most profitable food sources. The solution chosen by each species depends on the particular ecological circumstances as well as the evolutionary history of that species. For example, the outstanding difference between the bumble bee and the honey bee system is that honey bees can communicate the location of profitable food sources to nestmates, which bumble bees cannot. To identify possible selection pressures that could explain this difference, I have quantified the benefits of communicating location in honey bees. I show that these strongly depend on the habitat, and that communicating location might not benefit bees in temperate habitats. This could be due to the differing spatial distributions of resources in different habitats, in particular between temperate and tropical regions. These distributions may be the reason why the mostly temperate-living bumble bees have never evolved a communication system that allows them to transfer information on location of food sources, whereas most tropical social bees (all honey bees and many stingless bees) are able to recruit nestmates to specific points in their foraging range. Nevertheless, I show that in bumble bees the allocation of workers to foraging is also regulated by communication. Successful foragers distribute in the nest a pheromone which alerts other bees to the presence of food. This pheromone stems from a tergite gland, the function of which had not been identified previously. Usage of a pheromone in the nest to alert other individuals to forage has not been described in other social insects, and might constitute a new mode of communicating about food sources. The signal might be modulated depending on the quality of the food source. Bees in the nest sample the nectar that has been brought into the nest. Their decision whether to go out and forage depends not only on the pheromone signal, but also on the quality of the nectar they have sampled. In this way, foraging activity of a bumble bee colony is adjusted to foraging conditions, which means most bees are allocated to foraging only if high-quality food sources are available. In addition, foraging activity is adjusted to the amount of food already stored. In a colony with full honeypots, no new bees are allocated to foraging. These results help us understand how the allocation of workers to the task of food collection is regulated according to external and internal nest conditions in bumble bees.
N2  - Innerhalb der sozialen Bienen tritt eine Vielzahl verschiedender Systeme zur Kommunikation über Futterquellen auf. Diese Kommunikationssysteme sind verschiedene Lösungen eines Problems, mit dem alle sozialen Insekten konfrontiert sind: wie lässt sich regulieren, daß die benötigte Anzahl an Arbeiterinnen der Aufgabe des Futtersammelns, und dazu möglichst den besten vorhandenen Futterquellen, zugeteilt wird? Die von einer Art gewählte Lösung hängt von den speziellen ökologischen Rahmenbedingungen, aber auch von der evolutionären Vorgeschichte dieser Art ab. Ein herausragender Unterschied zwischen Honigbienen und Hummeln beispielsweise ist, daß Honigbienen den Ort einer profitablen Futterquelle ihren Nestgenossinnen mitteilen können, was Hummeln nicht tun. Um Selektionsdrücke zu identifizieren, die diesen Unterschied bewirken könnten, habe ich den Nutzen einer solchen Kommunikation quantifiziert. Es zeigt sich, daß dieser Nutzen stark vom Habitat der Bienen abhängt, und daß Kommunikation über den Ort von Futterquellen in temperaten Habitaten unter Umständen keine Vorteile für Bienen bedeutet. Das könnte daran liegen, daß sich die räumliche Verteilung der Ressourcen zwischen Habitaten, und besonders zwischen temperaten Gebieten und den Tropen, unterscheidet. Dieser Umstand könnte der Grund dafür sein, daß die hauptsächlich in temperaten Regionen lebenden Hummeln nie eine Methode zur Kommunikation von Information über den Ort von Futterquellen evolviert haben, während die meisten tropischen sozialen Bienenarten (alle Honigbienen und viele stachellose Bienen) Nestgenossinnen zu bestimmten Orten rekrutieren können. Jedoch stellte sich in meinen Experimenten heraus, daß auch bei Hummeln die Zuordnung von Arbeiterinnen zur Aufgabe des Futtersammelns über Kommunikation reguliert wird. Erfolgreiche Sammlerinnen produzieren ein Pheromon, welches andere Hummeln auf die Präsenz einer Futterquelle aufmerksam macht. Dieses Pheromon stammt aus einer Tergaldrüse am Abdomen, deren Funktion bisher nicht bekannt war. Die Benutzung eines Pheromons zur Kommunikation über Futterquellen im Nest ist von anderen sozialen Insekten bisher nicht bekannt. Das Pheromonsignal wird vermutlich abhängig von der Qualität der Futterquelle moduliert. Hummeln im Nest kosten außerdem den neu eingetragenen Nektar. Ihre Entscheidung auszufliegen und zu sammeln ist sowohl vom Pheromonsignal als auch von der Qualität des von ihnen gekosteten Nektars abhängig. Die Sammelaktivität der Hummelkolonie wird damit an die Sammelbedingungen angepasst – nur wenn profitable Futterquellen vorhanden sind, werden viele Sammlerinnen aktiviert. Zusätzlich hängt die Sammelaktivität von der Vorratssituation im Stock ab. Sind die Honigtöpfe gefüllt, werden keine neuen Arbeiterinnen zum Sammeln aktiviert. Diese Ergebnisse helfen uns zu verstehen, wie bei Hummeln die Anzahl der aktiven Sammlerinnen je nach den Bedingungen innerhalb und außerhalb der Kolonie reguliert wird.
KW  - Hummel
KW  - Bienen <Familie>
KW  - Kommunikation
KW  - Nahrungserwerb
KW  - Evolution
KW  - Pheromon
KW  - Schwänzeltanz
KW  - Evolution
KW  - Rekrutierung
KW  - Hummeln
KW  - Bombus
KW  - Futtersammeln
KW  - foraging
KW  - recruitment
KW  - evolution
KW  - bumble bees
KW  - Bombus
KW  - waggle dance
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3468
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ng, Eva Yee Wah
T1  - How did Listeria monocytogenes become pathogenic?
T1  - Wie wurde Listeria monocytogenes pathogen ?
N2  - Listeriae are Gram positive, facultative, saprophytic bacteria capable of causing opportunistic infections in humans and animals. This thesis presents three separate lines of inquiries that can lead to the eventual convergence of a global view of Listeria as pathogen in the light of evolution, genomics, and function. First, we undertook to resolve the phylogeny of the genus Listeria with the goal of ascertaining insights into the evolution of pathogenic capability of its members. The phylogeny of Listeriae had not yet been clearly resolved due to a scarcity of phylogenetically informative characters within the 16S and 23S rRNA molecules. The genus Listeria contains six species: L. monocytogenes, L. ivanovii, L. innocua, L. seeligeri, L. welshimeri, and L. grayi; of these, L. monocytogenes and L. ivanovii are pathogenic. Pathogenicity is enabled by a 10-15Kb virulence gene cluster found in L. seeligeri, L. monocytogenes and L. ivanovii. The genetic contents of the virulence gene cluster loci, as well as some virulence-associated internalin loci were compared among the six species. Phylogenetic analysis based on a data set of nucleic acid sequences from prs, ldh, vclA, vclB, iap, 16S and 23S rRNA genes identified L. grayi as the ancestral branch of the genus. This is consistent with previous 16S and 23S rRNA findings. The remainder 5 species formed two groupings. One lineage represents L. monocytogenes and L. innocua, while the other contains L. welshimeri, L. ivanovii and L. seeligeri, with L. welshimeri forming the deepest branch within this group. Deletion breakpoints of the virulence gene cluster within L. innocua and L. welshimeri support the proposed tree. This implies that the virulence gene cluster was present in the common ancestor of L. monocytogenes, L. innocua, L. ivanovii, L. seeligeri and L. welshimeri; and that pathogenic capability has been lost in two separate events represented by L. innocua and L. welshimeri. Second, we attempted to reconstitute L. innocua of its deleted virulence gene cluster, in its original chromosomal location, from the L. monocytogenes 12 Kb virulence gene cluster. This turned out particularly difficult because of the limits of genetic tools presently available for the organism. The reconstitution was partially successful. The methods and approaches are presented, and all the components necessary to complete the constructs are at hand for both L. innocua and the parallel, positive control of L. monocytogenes mutant deleted of its virulence gene cluster. Third, the sequencing of the entire genome of L. monocytogenes EGDe was undertaken as part of an EU Consortium. Our lab was responsible for 10 per cent of the labor intensive gap-closure and annotation efforts, which I helped coordinate. General information and comparisons with sister species L. innocua and a close Gram positive relative Bacillus subtilis are presented in context. The areas I personally investigated, namely, sigma factors and stationary phase functions, are also presented. L. monocytogenes and L. innocua both possess surprisingly few sigma factors: SigA, SigB, SigH, SigL, and an extra-cytoplasmic function type sigma factor (SigECF). The stationary phase genes of L. monocytogenes is compared to the well-studied, complex, stationary phase networks of B. subtilis. This showed that while genetic competence functions may be operative in unknown circumstances, non-sporulating Listeria opted for very different approaches of regulation from B. subtilis. There is virtually no overlap of known, stationary phase genes between Listeria and Gram negative model organism E. coli.
N2  - Listerien sind Gram-positive, fakultativ intrazelluläre, saprophytische Bakterien, die in der Lage sind, bei Mensch und Tier opportunistische Infektionen hervorzurufen. Die vorliegende Arbeit veranschaulicht drei unterschiedliche Versuchsansätze, die schließlich hinsichtlich Evolution, Genom- und Funktionsanalysen zur Konvergenz der globalen Sichtweise von Listeria als pathogener Mikroorganismus führen können. Zunächst wurden phylogenetische Analysen durchgeführt, die einen Einblick in die Evolution des pathogenen Potentials von Mitgliedern der Gattung Listeria geben sollten. Aufgrund mangelnder phylogenetischer Informationen bezüglich der 16S und 23S rRNAs war eine genaue phylogenetische Entschlüsselung der Gattung Listeria jedoch nicht möglich. Die Gattung Listeria umfaßt sechs verschiedene Spezies: L. monocytogenes, L. ivanovii, L. innocua, L. seeligeri, L. welshimeri und L. grayi, wobei L. monocytogenes und L. ivanovii zu den pathogenen Bakterien zählen. Die Pathogenität wird hierbei durch ein 10-15 kb großes Virulenzgencluster determiniert, das in L. monocytogenes, L. ivanovii sowie in L. seeligeri vorzufinden ist und neben einigen Virulenz-assoziierten Internalin-Genen zum genetischen Vergleich der sechs verschiedenen Spezies herangezogen wurde. Die im Rahmen der phylogenetischen Analysen untersuchten Nukleinsäuresequenzen der Gene prs, ldh, vclA, vclB, iap sowie die der 16S und 23S rRNA-Gene deuteten darauf hin, daß L. grayi dem gemeinsamen Vorläufer der Gattung Listeria am nächsten steht, was mit den bisher verfügbaren 16S und 23S rRNA-Daten übereinstimmt. Die verbleibenden fünf Spezies bilden zwei Gruppen, die sich zum einen aus L. monocytogenes und L. innocua und zum anderen aus L. welshimeri, L. ivanovii und L. seeligeri zusammensetzen. Die Positionen der im Virulenzgencluster von L. innocua und L. welshimeri identifizierten Deletionen bestätigen den hier vorgeschlagenen Stammbaum, was darauf hindeutet, daß im gemeinsamen Vorfahren von L. monocytogenes, L. innocua, L. ivanovii, L. seeligeri und L. welshimeri das Virulenzgencluster vorhanden war und daß das pathogene Potential in L. innocua bzw. in L. welshimeri durch zwei unabhängige Ereignisse verloren ging. Weiterhin wurde versucht, das 12 kb-Virulenzgencluster von L. monocytogenes in der ursprünglichen Lokalisation in das Chromosom der Spezies L. innocua, die eine Deletion des Virulenzgenclusters aufweist, zu integrieren. Dieser Ansatz erwies sich aufgrund der derzeit limitierten Methodik zur genetischen Manipultation dieses Organismus als sehr problematisch und führte bisher nur teilweise zum Erfolg. Die angewandten Strategien zur Klonierung der erforderlichen Konstrukte, die zur Erstellung der beschriebenen L. innocua-Mutante und einer L. monocytogenes-Mutante mit Deletion des Virulenzgenclusters erforderlich sind, werden vorgestellt. Der dritte Schwerpunkt der Arbeit befaßte sich mit der vollständigen Sequenzierung des Genoms von L. monocytogenes EGDe, die im Rahmen eines EU-Konsortiums durchgeführt wurde. Unser Labor war zu 10 Prozent an der Lückenschließung zwischen den Sequenz-Contigs sowie an der Annotierung beteiligt, für deren Koordinierung ich verantwortlich war. Vergleiche der Genomsequenzen von L. monocytogenes, L. innocua und dem verwandten Gram-positiven Bakterium Bacillus subtilis werden vorgestellt, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den Genen für Sigma-Faktoren und Stationärphase-Funktionen liegt. Sowohl L. monocytogenes und L. innocua enthalten mit SigA, SigB, SigH und einem extrazytoplasmatischen Sigma-Faktor, SigECF, überraschend wenige Sigma-Faktoren. Die Stationärphase-Gene von L. monocytogenes werden mit dem gut untersuchten, sehr komplexen Stationärphase-System von B. subtilis verglichen. Dies zeigte, daß, obwohl genetische Kompetenz unter nicht bekannten Umständen eine Rolle spielen könnten, in Listeria völlig unterschiedliche Mechanismen der Genregulation wirksam sind. Es ist keinerlei Überlappung mit den bekannten Stationärphase-Genen des Gram-negativen Modellorganismus Escherichia coli festzustellen.
KW  - Listeria monocytogenes
KW  - Virulenz
KW  - Evolution
KW  - Molekulargenetik
KW  - Pathogenität
KW  - Phylogenic
KW  - Genom
KW  - Listeria
KW  - Evolution von Pathogenen
KW  - Evolution von Virulenz
KW  - Phylogenie von Listeria
KW  - bakterielle Pathogenese
KW  - listeria
KW  - evolution of pathogens
KW  - evolution of virulence
KW  - phylogeny of listeria
KW  - bacterial pathogenesis
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-1752
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rüppell, Olav
T1  - Queen size dimorphism in ants
T1  - Königinnen Grössendimorphismus bei Ameisen
N2  - Many polymorphisms are linked to alternative reproductive strategies. In animals, this is particularly common in males. Ant queens are an important exception. The case of ant queen size dimorphisms has not been studied in sufficient detail, and thus this thesis aimed at elucidating causes and consequences of the different size of small (microgynous) and large (macrogynous)ant queens using the North American ant species Leptothorax rugatulus as a model system. Employing neutral genetic markers, no evidence for a taxonomically relevant separation of the gene pools of macrogynes and microgynes was found. Queens in polygynous colonies were highly related to each other, supporting the hypothesis that colonies with more than one queen commonly arise by secondary polygyny, i.e. by the adoption of daughter queens into their natal colonies. These results and conclusions are also true for the newly discovered queen size polymorphism in Leptothorax cf. andrei. Several lines of evidence favor the view that macrogynes predominantly found their colonies independently, while microgynes are specialized for dependent colony founding by readoption. Under natural conditions, mother and daughter size are highly correlated and this is also true for laboratory colonies. However, the size of developing queens is influenced by queens present in the colony. Comparing populations across the distribution range, it turns out that queen morphology (head width and ovariole number) is more differentiated among populations than worker morphology (coloration, multivariate size and shape), colony characteristics (queen and worker number per colony) or neutral genetic variation. Northern and southern populations differed consistently which indicates the possibility of two different species. The queen size dimorphism in L. rugatulus did neither influence the sex ratio produced by a colony, nor its ratio of workers to gynes. However, the sex ratio covaried strongly across populations with the average number of queens per colony in accordance with sex ratio theory. At the colony level, sex ratio could not be explained by current theory and a hypothesis at the colony-level was suggested. Furthermore, queen body size has no significant influence on the amount of reproductive skew among queens. Generally, the skew in L. rugatulus is low, and supports incomplete control models, rather than the classic skew models. In eight of fourteen mixed or microgynous colonies, the relative contributions of individual queens to workers, gynes and males were significantly different. This was mainly due to the fact that relative body size was negatively correlated with the ratio of gynes to workers produced. This supports the kin conflict over caste determination hypothesis which views microgyny as a selfish reproductive tactic.
N2  - Viele Polymorphismen sind an alternative Reproduktionstaktiken gebunden. Bei Tieren ist dies bei Männchen besonders häufig. Ameisenköniginnen sind hier eine wichtige Ausname. Grössenpolymorphismen bei Ameisenköniginnen sind nur ungenügend studiert, und daher zielte diese Studie auf die Beleuchtung der Ursachen und Konsequenzen der unterschiedlichen Körpergrösse von kleinen (mikrogynen) und grossen (makrogynen) Ameisenköniginnen der Nordamerikanischen Art Leptothorax rugatulus. Mit neutralen genetischen Markern konnte keine taxonomisch relevante Trennung der Genpoole der Makro- und Mikrogynen gefunden werden. Königinnen in polygynen Kolonien waren untereinander hochverwandt, was die Hypothese bestätigt, dass Kolonien mit mehreren Königinnen durch sekundäre Polygynie, d.h. durch die Readoption von Töchtern, entstehen. Diese Ergebnisse konnten für den Königinnen-Grössenpolymorphismus bei Leptothorax cf. andrei (der neu entdeckt wurde) bestätigt werden. Unterschiedliche Evidenzen sprechen dafür, dass Makrogyne ihre Kolonien überwiegend unabhängig gründen, während Mikrogyne auf abhängige Reproduktion nach Readoption spezialisiert sind. Unter natürlichen Bedingungen ist die Grösse der Mutter mit der ihrer Töchter hochkorreliert, was auch unter konstanten Laborbedingungen gilt. Dennoch ist die Körpergrösse komplex determiniert, u.A. durch die Königinnen, die sich im Nest befinden. Ein Vergleich von Populationen des gesamten Verbreitungsgebietes erbrachte, dass die Königinnenmorphologie stärker differenziert ist, als die Morphologie der Arbeiterinnen, Koloniecharakteristika und neutrale genetische Marker. Die Populationen im Norden unterschieden sich konsistent von denen im Süden, so dass eine Aufspaltung in zwei Arten möglich scheint. Der Grössendimorphismus hatte keinen Einfluss auf das Geschlechterverhältnis, das von einer Kolonie produziert wurde. Letzteres jedoch war auf Populationsebene mit der mittleren Königinnenanzahl der Kolonien korreliert, wie von der entsprechenden Theorie vorausgesagt. Auf der Kolonieebene konnte das Geschlechtsverhältnis nicht durch die existierenden Theorien erklärt werden, und daher wurde eine neue Hypothese, basierend auf Kolonieselektion, wurde vorgeschlagen. Weiterhin, hatte die Variabilität der Königinnen-Körpergrösse keinen Einfluss auf das reproduktive Ungleichgewicht innerhalb von Kolonien. Generell war die Reproduktion gleichverteilt, und die Daten unterstützten Modelle, die auf unvollständiger Kontrolle basieren, als die klassischen Modelle. In acht der vierzehn gemischten oder mikrogynen untersuchten Kolonien waren die relativen Anteile einzelner Königinnen an der Arbeiterinnen-, Männchen- und Königinnen- Produktion signifikant unterschiedlich. Dies war hauptsächlich auf eine relative Überproduktion von Königinnen durch mikrogyne Mütter begründet. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese des Verwandtenkonflikts zur Kastendetermination, die Mikrogynie als egoistische reproduktive Taktik ansieht.
KW  - Ameisen
KW  - Leptothorax
KW  - Fortpflanzung
KW  - Körpergröße
KW  - Polymorphismus
KW  - Evolution
KW  - Evolution
KW  - Körpergrösse
KW  - Reproduktion
KW  - Polymorphismus
KW  - Reproduktiver Konflikt
KW  - Evolution
KW  - body size
KW  - reproduction
KW  - polymorphism
KW  - reproductive conflict
Y1  - 2000
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-1914
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schilder, Klaus
T1  - Safer without Sex?
T1  - Safer without Sex?
N2  - Highly eusocial insect societies, such as all known ants, are typically characterized by a reproductive division of labor between queens, who are inseminated and reproduce, and virgin workers, who engage in foraging, nest maintenance and brood care. In most species workers have little reproductive options left: They usually produce haploid males by arrhenotokous parthenogenesis, both in the queenright and queenless condition. In the phylogenetically primitive subfamily Ponerinae reproductive caste dimorphism is much less pronounced: Ovarian morphology is rather similar in queens and workers, which additionally retain a spermatheca. In many ponerine species workers mate and may have completely replaced the queen caste. This similarity in reproductive potential provides for the evolution of diverse reproductive systems. In addition, it increases the opportunity for reproductive conflicts among nestmates substantially. Only in a handful of ant species, including Platythyrea punctata, workers are also able to rear diploid female offspring from unfertilized eggs by thelytokous parthenogenesis. The small ponerine ant P. punctata (Smith) is the only New World member of the genus reaching as far north as the southern USA, with its center of distribution in Central America and the West Indies. P. punctata occurs in a range of forest habitats including subtropical hardwood forests as well as tropical rain forests. In addition to queens, gamergates and thelytokous workers co-occur in the same species. This remarkable complexity of reproductive strategies makes P. punctata unique within ants and provides an ideal model system for the investigation of reproductive conflicts within the female caste. Colonies are usually found in rotten branches on the forest floor but may also be present in higher strata. Colonies contained on average 60 workers, with a maximum colony size of 148 workers. Queens were present in only ten percent of the colonies collected from Florida, but completely absent both from the populations studied in Barbados and Puerto Rico. Males were generally rare. In addition, morphological intermediates between workers and queens (so-called intercastes) were found in 16 colonies collected in Florida. Their thorax morphology varied from an almost worker-like to an almost queen-like thorax structure. Queen and intercaste size, however, did not differ from those of workers. Although workers taken from colonies directly after collection from the field engaged in aggressive interactions, nestmate discrimination ceased in the laboratory suggesting that recognition cues used are derived from the environment. Only one of six queens dissected was found to be inseminated but not fertile. Instead, in most queenless colonies, a single uninseminated worker monopolized reproduction by means of thelytokous parthenogenesis. A single mated, reproductive worker (gamergate) was found dominating reproduction in the presence of an inseminated alate queen only in one of the Florida colonies. The regulation of reproduction was closely examined in ten experimental groups of virgin laboratory-reared workers, in which one worker typically dominated reproduction by thelytoky despite the presence of several individuals with elongated, developing ovaries. In each group only one worker was observed to oviposit. Conflict over reproduction was intense consisting of ritualized physical aggression between some nestmates including antennal boxing, biting, dragging, leap and immobilization behaviors. The average frequency of interactions was low. Aggressive interactions allowed to construct non-linear matrices of social rank. On average, only five workers were responsible for 90 percent of total agonistic interactions. In 80 percent of the groups the rate of agonistic interactions increased after the experimental removal of the reproductive worker. While antennal boxing and biting were the most frequent forms of agonistic behaviors both before and after the removal, biting and dragging increased significantly after the removal indicating that agonistic interactions increased in intensity. Once a worker obtains a high social status it is maintained without the need for physical aggression. The replacement of reproductives by another worker did however not closely correlate with the new reproductive's prior social status. Age, however, had a profound influence on the individual rate of agonistic interactions that workers initiated. Especially younger adults (up to two month of age) and callows were responsible for the increase in observed aggression after the supersedure of the old reproductive. These individuals have a higher chance to become reproductive since older, foraging workers may not be able to develop their ovaries. Aggressions among older workers ceased with increasing age. Workers that already started to develop their ovaries should pose the greatest threat to any reproductive individual. Indeed, dissection of all experimental group revealed that aggression was significantly more often directed towards both individuals with undeveloped and developing ovaries as compared to workers that had degenerated ovaries. In all experimental groups reproductive dominance was achieved by callows or younger workers not older than four month. Age is a better predictor of reproductive dominance than social status as inferred from physical interactions. Since no overt conflict between genetical identical individuals is expected, in P. punctata the function of agonistic interactions in all-worker colonies, given the predominance of thelytokous parthenogenesis, remains unclear. Physical aggression could alternatively function to facilitate a smooth division of non-reproductive labor thereby increasing overall colony efficiency. Asexuality is often thought to constitute an evolutionary dead end as compared with sexual reproduction because genetic recombination is limited or nonexistent in parthenogenetic populations. Microsatellite markers were developed to investigate the consequences of thelytokous reproduction on the genetic structure of four natural populations of P. punctata. In the analysis of 314 workers taken from 51 colonies, low intraspecific levels of variation at all loci, expressed both as the number of alleles detected and heterozygosities observed, was detected. Surprisingly, there was almost no differentiation within populations. Populations rather had a clonal structure, with all individuals from all colonies usually sharing the same genotype. This low level of genotypic diversity reflects the predominance of thelytoky under natural conditions in four populations of P. punctata. In addition, the specificity of ten dinucleotide microsatellite loci developed for P. punctata was investigated in 29 ant species comprising four different subfamilies by cross-species amplification. Positive amplification was only obtained in a limited number of species indicating that sequences flanking the hypervariable region are often not sufficiently conserved to allow amplification, even within the same genus. The karyotype of P. punctata (2n = 84) is one of the highest chromosome numbers reported in ants so far. A first investigation did not show any indication of polyploidy, a phenomenon which has been reported to be associated with the occurrence of parthenogenesis. Thelytokous parthenogenesis does not appear to be a very common phenomenon in the Hymenoptera. It is patchily distributed and restricted to taxa at the distant tips of phylogenies. Within the Formicidae, thelytoky has been demonstrated only in four phylogenetically very distant species, including P. punctata. Despite its advantages, severe costs and constraints may have restricted its rapid evolution and persistence over time. The mechanisms of thelytokous parthenogenesis and its ecological correlates are reviewed for the known cases in the Hymenoptera. Investigating the occurrence of sexual reproduction in asexual lineages indicates that thelytokous parthenogenesis may not be irreversible. In P. punctata the occasional production of sexuals in some of the colonies may provide opportunity for outbreeding and genetic recombination. Thelytoky can thus function as a conditional reproductive strategy. Thelytoky in P. punctata possibly evolved as an adaptation to the risk of colony orphanage or the foundation of new colonies by fission. The current adaptive value of physical aggression and the production of sexuals in clonal populations, where relatedness asymmetries are virtually absent, however is less clear. Quite contrary, thelytoky could thereby serve as the stepping stone for the subsequent loss of the queen caste in P. punctata. Although P. punctata clearly fulfills all three conditions of eusociality, the evolution of thelytoky is interpreted as a first step in a secondary reverse social evolution towards a social system more primitive than eusociality.
N2  - Hoch eusoziale Insektenstaaten, einschließlich aller bekannten Ameisenarten, sind durch eine reproduktive Arbeitsteilung zwischen Königinnen, die begattet und reproduktiv aktiv sind, und Arbeiterinnen, die die Aufgaben des Fouragierens, der Nestkonstruktion und der Brutpflege übernehmen, gekennzeichnet. In den meisten Arten bleiben den Arbeiterinnen wenig reproduktive Optionen: Normalerweise zeugen sie haploide Männchen mittels arrhenotoker Parthenogenese, sowohl in königinnenlosen als auch in Kolonien mit Königinnen. In der phylogenetisch ursprünglichen Unterfamilie Ponerinae ist der Dimorphismus der reproduktiven Kasten weniger ausgeprägt: Die Morphologie der Ovarien von Königinnen und Arbeiterinnen, die noch über eine Spermatheka verfügen, ist vergleichsweise ähnlich. In vielen Arten der Ponerinen paaren sich die Arbeiterinnen und haben die Königin-Kaste komplett ersetzt. Die Ähnlichkeit im reproduktiven Potential ermöglichte die Evolution diverser reproduktiver Systeme. Zusätzlich erhöhte sie die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von reproduktiven Konflikten erheblich. Nur in wenigen Ameisenarten, Platythyrea punctata eingeschlossen, sind Arbeiterinnen zusätzlich in der Lage, aus unbefruchteten haploiden Eiern durch thelytoke Parthenogenese diploide weibliche Nachkommen zu produzieren. Die ponerine Ameise P. punctata (Smith) ist der einzige Vertreter der Gattung in den Neotropen, der bis in den Süden der USA verbreitet ist. Der Verbreitungsschwerpunkt liegt in Zentralamerika und dem karibischen Raum. P. punctata kommt in einer Vielzahl von Habitaten, die von subtropischen Hartholz-Wälder bis zu tropischen Regenwäldern reichen, vor. Zusätzlich zu Königinnen kommen sowohl Gamergaten als auch thelytoke Arbeiterinnen in der selben Art vor. Diese bemerkenswerte Komplexität von reproduktiven Systemen macht P. punctata innerhalb der Ameisen einzigartig und bietet ein ideales Modellsystem zum Studium von reproduktiven Konflikten innerhalb der weiblichen Kaste. Die Kolonien nisten für gewöhnlich in verrottenden Ästen auf dem Waldboden, siedeln wahrscheinlich aber auch in höheren Straten der Vegetation. Die Kolonien enthalten im Durchschnitt 60 Arbeiterinnen, die maximale Koloniegröße beträgt 148 Arbeiterinnen. Königinnen wurden in zehn Prozent der in Florida gesammelten Kolonien gefunden, fehlten jedoch völlig in den auf Barbados und Puerto Rico untersuchten Populationen. Männchen waren generell selten. Zusätzlich wurden in 16 Kolonien, die alle in Florida gesammelt wurden, sogenannte Interkasten, also morphologisch zwischen Königinnen und Arbeiterinnen intermediäre Tiere, gefunden. Die Morphologie des Thorax variierte von einer arbeiterinnenähnlichen bis zu einer fast königinnenähnlichen Struktur. Die Größe von Königinnen und von Interkasten unterschied sich jedoch nicht von der von Arbeiterinnen. Obwohl bei Arbeiterinnen, die aus direkt im Feld gesammelten Kolonien entnommen wurden, aggressive Interaktionen beobachtet wurden, lies diese Nestgenossinnenerkennung im Labor nach. Merkmale, die der Erkennung dienen, sind daher wahrscheinlich aus der Umwelt abgeleitet. Nur eine der sechs sezierten Königinnen war begattet, jedoch nicht reproduktiv tätig. Stattdessen monopolisierte in den meisten königinnenlosen Kolonien eine einzige, nicht-begattete Arbeiterin die Reproduktion mittels thelytoker Parthenogenese. Eine einzige begattete und reproduktiv aktive Arbeiterin (eine Gamergate) wurde in einer der Kolonien aus Florida, die außerdem eine begattete, geflügelte Königin enthielt, gefunden. Die Regulation der Reproduktion wurde im Detail in zehn experimentellen Gruppen, die aus im Labor geschlüpften, virginen Arbeiterinnen bestanden, untersucht. In diesen dominierte eine Arbeiterin in der Regel die Reproduktion durch Thelytokie, obwohl mehrere Arbeiterinnen elongierte, sich entwickelnde Ovarien besaßen. In jeder Gruppe legte nur eine Arbeiterin Eier. Konflikte um die Reproduktion waren intensiv und bestanden aus ritualisierter, physischer Aggression, wie heftigem Antennieren, Beißen, Zehren, Vorschnellen und Immobilisierung, zwischen einigen Nestgenossinnen. Die durchschnittliche Frequenz dieser Interaktionen war niedrig. Die aggressiven Interaktionen erlaubten die Konstruktion von nichtlinearen sozialen Rang-Matrizen. Im Durchschnitt waren nur fünf Arbeiterinnen für 90 Prozent der gesamten agonistischen Interaktionen verantwortlich. In 80 Prozent der Gruppen erhöhte sich die Rate agonistischer Interaktionen nach der experimentellen Entfernung der reproduktiven Arbeiterin. Während heftiges Antennieren und Beißen sowohl vor als auch nach der Entfernung die häufigsten Formen agonistischer Verhaltensweisen waren, erhöhte sich die Rate von Beißen und Zehren signifikant nach der Entfernung. Dies ist ein Anzeichen dafür, dass die Intensität der agonistischen Interaktionen zunahm. Sobald eine Arbeiterin einen hohen sozialen Rank eingenommen hat, wird dieser ohne weitere aggressive Interaktionen beigehalten. Der Ersatz des reproduktiven Tieres durch eine andere Arbeiterin korreliert jedoch nicht mit deren vorherigem sozialen Status. Das Alter hatte jedoch einen bedeutenden Einfluss auf die individuelle Rate agonistischer Interaktionen, die Arbeiterinnen initiierten. Besonders junge Arbeiterinnen, nicht älter als zwei Monate, und "callows" waren für den, nach der Ablösung der alten, reproduktiven Arbeiterin beobachteten, Anstieg der Aggression verantwortlich. Diese Arbeiterinnen haben eine größere Chance, selbst reproduktiv zu werden, da ältere, fouragierende Arbeiterinnen ihre Ovarien eventuell nicht mehr entwickeln können. Die Aggressionen zwischen älteren Arbeiterinnen nahmen mit zunehmendem Alter ab. Arbeiterinnen, deren Ovarien sich bereits in Entwicklung befinden, stellen die größte Bedrohung für jedes reproduktive Tier dar. Die Sektion aller experimentellen Gruppen ergab, dass Aggression, verglichen mit Tieren mit resorbierten Ovarien, signifikant häufiger gegen Arbeiterinnen gerichtet war, die unentwickelte oder sich bereits entwickelnde Ovarien besaßen. In allen Gruppen wurde die Reproduktion von callows oder jungen Arbeiterinnen, die nicht älter als vier Monate waren, übernommen. Das Alter hat daher eine größere Vorhersagekraft für die reproduktive Dominanz als der soziale, durch physische Interaktionen regulierte, Status. Da zwischen genetisch identischen Nestgenossinen, unter der Vorherrschaft von Thelytokie, kein offener Konflikt zu erwarten ist, bleibt die Funktion von agonistischen Interaktionen in Nur-Arbeiterinnen-Kolonien von P. punctata unklar. Alternativ könnte physische Aggression auch zur Schaffung einer reibungslosen nicht-reproduktiven Arbeitsteilung, und damit zur Erhöhung der Kolonieeffizienz, dienen. Asexuelle Fortpflanzung, im Vergleich zu sexueller Fortpflanzung, wird oft als evolutionäre Sackgasse gesehen, weil in parthenogenetischen Populationen genetische Rekombination limitiert oder nicht-existent ist. Mikrosatelliten-Marker wurden verwendet, um die Konsequenzen thelytoker Fortpflanzung für die genetische Populationsstruktur von vier natürlichen Populationen von P. punctata zu untersuchen. In der Analyse von 314 Arbeiterinnen aus 51 Kolonien wurde an allen Loci nur eine geringe intraspezifische Variabilität, sowohl nach der Anzahl der Allele als auch der beobachteten Heterozygozitäten, entdeckt. Überraschenderweise gab es innerhalb der Populationen fast keine genetischen Unterschiede. Die einzelnen Populationen wiesen eine klonale Struktur auf, in der alle Arbeiterinnen den selben Genotyp besaßen. Der geringe Grad an genotypischer Variabilität spiegelt die Vorherrschaft thelytoker Reproduktion bei P. punctata unter natürlichen Bedingungen wieder. Zusätzlich wurde die Spezifität von zehn, für P. punctata entwickelte, Dinukleotid-Mikrosatelliten in 29 Ameisenarten aus vier verschiedenen Unterfamilien durch Kreuzamplifikation untersucht. Positive Amplifikation ergab sich nur in wenigen Arten. Selbst innerhalb derselben Gattung sind die, die hypervariablen Regionen flankierenden Sequenzen, nicht ausreichend konserviert, um Amplifikation zuzulassen. Der Karyotyp von P. punctata (2n = 84) ist eine der höchsten Chromosomenanzahlen, die bislang bei Ameisen bekannt sind. Eine erste Untersuchung ergab keine Hinweise auf Polyploidie, die oft mit der Entstehung von Parthenogenese verbunden ist. Thelytoke Parthenogenese ist innerhalb der Hymenopteren kein sehr häufiges Phänomen. Sie tritt nur verstreut auf und ist auf Taxa an den äußersten Verzweigungen der Stammbäume beschränkt. Innerhalb der Formicidae ist Thelytoky unwidersprüchlich nur in vier Arten, P. punctata eingeschlossen, beschrieben. Ungeachtet der Vorteile können evolutionäre Kosten und Zwänge die schnelle Evolution und zeitliche Persistenz von Thelytokie verhindern. Die Mechanismen thelytoker Parthenogenese und ihre ökologischen Hintergründe werden für die bisher bekannten Fälle innerhalb der Hymenopteren diskutiert. Das Auftreten von sexueller Reproduktion in asexuellen Linien deutet darauf hin, dass Thelytokie nicht irreversible ist. In P. punctata kann das gelegentliche Auftreten von Geschlechtstieren dazu dienen, Auszucht und genetische Rekombination zuzulassen. Thelytokie kann daher als eine konditionelle reproduktive Strategie verstanden werden. Thelytoke Fortpflanzung bei P. punctata evolvierte möglicherweise als eine Anpassung an ein hohes Risiko des Verlustes der Königin oder als Anpassung an die Verbreitung durch Koloniespaltung. Der derzeitige adaptive Wert physischer Aggression und der Geschlechtstierproduktion in klonalen Populationen, die praktisch keine Verwandtschaftsasymmetrien aufweisen, ist dagegen weniger klar. Ganz im Gegenteil, Thelytokie kann als weiterer Schritt auf dem Weg zum entgültigen Verlust der Königinnen Kaste bei P. punctata dienen. Obwohl P. punctata alle drei Kriterien für Eusozialität erfüllt, wird die Evolution von thelytoker Parthenogenese als erster Schritt in einer sekundären, reversen sozialen Evolution hin zu einem einfacheren sozialen System, als es Eusozialität darstellt, interpretiert.
KW  - Ameisenstaat
KW  - Jungfernzeugung
KW  - Demökologie
KW  - Thelytokie
KW  - reproduktive Konkurrenz
KW  - Koloniestruktur
KW  - Interkasten
KW  - Mikrosatelliten
KW  - Populationsgenetik
KW  - soziale Insekten
KW  - Evolution
KW  - thelytoky
KW  - reproductive competition
KW  - colony structur
KW  - intercastes
KW  - microsatellites
KW  - population genetics
KW  - social insects
KW  - evolution
Y1  - 1999
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-1977
ER  -