TY  - THES
A1  - Mildner, Stephanie
T1  - Temporal organization in \(Camponotus\) \(ants\):  endogenous clocks and zeitgebers responsible for synchronization of task-related circadian rhythms in foragers and nurses
T1  - Zeitliche Organisation bei Camponotus-Ameisen:  innere Uhren und die verantwortlichen Zeitgeber für die Synchronisation von Aufgaben-bezogenen circadianen Rhythmen von Fourageuren und Brutpflegerinnen
N2  - The rotation of the earth around its axis causes recurring and predictable changes in the environment. To anticipate those changes and adapt their physiology and behavior accordingly, most organisms possess an endogenous clock. The presence of such a clock has been demonstrated for several ant species including Camponotus ants, but its involvement in the scheduling of daily activities within and outside the ant nest is fairly unknown. Timing of individual behaviors and synchronization among individuals is needed to generate a coordinated collective response and to maintain colony function. The aim of this thesis was to investigate the presence of a circadian clock in different worker castes, and to determine the daily timing of their behavioral tasks within the colonies of two nectar-collecting Camponotus species.
In chapter I, I describe the general temporal organization of work throughout the worker life in the species Camponotus rufipes. Continuous tracking of behavioral activity of individually- marked workers for up to 11 weeks in subcolonies revealed an age-dependent division of labor between interior and exterior workers. After eclosion, the fairly immobile young ants were frequently nurtured by older nurses, yet they started nursing the brood themselves within the first 48 hours of their life. Only 60% of workers switched to foraging at an age range of one to two weeks, likely because of the reduced needs within the small scale of the subcolonies. Not only the transition rates varied between subcolonies, but also the time courses of the task sequences between workers did, emphasizing the timed allocation of workers to different tasks in response to colony needs. 
Most of the observed foragers were present outside the nest only during the night, indicating a distinct timing of this behavioral activity on a daily level as well. As food availability, humidity and temperature levels were kept constant throughout the day, the preference for nocturnal activity seems to be endogenous and characteristic for C. rufipes. The subsequent monitoring of locomotor activity of workers taken from the subcolonies revealed the presence of a functional endogenous clock already in one-day old ants. As some nurses displayed activity rhythms in phase with the foraging rhythm, a synchronization of these in-nest workers by social interactions with exterior workers can be hypothesized.
Do both castes use their endogenous clock to schedule their daily activities within the colony? In chapter II, I analyzed behavioral activity of C. rufipes foragers and nurses within the social context continuously for 24 hours. As time-restricted access to food sources may be one factor affecting daily activities of ants under natural conditions, I confronted subcolonies with either daily pulses of food availability or ad libitum feeding. Under nighttime and ad libitum feeding, behavioral activity of foragers outside the nest was predominantly nocturnal, confirming the results from the simple counting of exterior workers done in chapter I. Foragers switched to diurnality during daytime feeding, demonstrating the flexible and adaptive timing of a daily behavior. Because they synchronized their activity with the short times of food availability, these workers showed high levels of inactivity. Nurses, in contrast, were active all around the clock independent of the feeding regime, spending their active time largely with feeding and licking the brood. After the feeding pulses, however, a short bout of activity was observed in nurses. During this time period, both castes increasingly interacted via trophallaxis within the nest. With this form of social zeitgeber, exterior workers were able to entrain in-nest workers, a phenomenon observed already in chapter I. Under the subsequent monitoring of locomotor activity under LD conditions the rhythmic workers of both castes were uniformly nocturnal independent of the feeding regime. This endogenous activity pattern displayed by both worker castes in isolation was modified in the social context in adaption to task demands.
Chapter III focuses on the potential factors causing the observed plasticity of daily rhythms in the social context in the ant C. rufipes. As presence of brood and conspecifics are likely indicators of the social context, I tested the effect of these factors on the endogenous rhythms of otherwise isolated individuals. Even in foragers, the contact to brood triggered an arrhythmic activity pattern resembling the arrhythmic behavioral activity pattern seen in nurses within the social context. As indicated in chapter I and II, social interaction could be one crucial factor for the synchronization of in nest activities. When separate groups were entrained to phase-shifted light-dark-cycles and monitored afterwards under constant conditions in pairwise contact through a mesh partitioning, both individuals shifted parts of their activity towards the activity period of the conspecific. Both social cues modulated the endogenous rhythms of workers and contribute to the context dependent plasticity in ant colonies.
Although most nursing activities are executed arrhythmically throughout the day (chapter II), previous studies reported rhythmic translocation events of the brood in Camponotus nurses. As this behavior favors brood development, the timing of the translocations within the dark nest seems to be crucial. In chapter IV, I tracked translocation activity of all nurses within subcolonies of C. mus. Under the confirmed synchronized conditions of a LD-cycle, the daily pattern of brood relocation was based on the rhythmic, alternating activity of subpopulations with preferred translocation direction either to the warm or to the cold part of the temperature gradient at certain times of the day. Although the social interaction after pulse feeding had noticeable effects on the in-nest activity in C. rufipes (chapter I and II), it was not sufficient to synchronize the brood translocation rhythm of C. mus under constant darkness (e.g. when other zeitgebers were absent). The free-running translocation activity in some nurses demonstrated nevertheless the involvement of an endogenous clock in this behavior, which could be entrained under natural conditions by other potential non-photic zeitgebers like temperature and humidity cycles.
Daily cycling of temperature and humidity could not only be relevant for in-nest activities, but also for the foraging activity outside the nest. Chapter V focuses on the monitoring of field foraging rhythms in the sympatric species C. mus and C. rufipes in relation to abiotic factors. Although both species had comparable critical thermal limits in the laboratory, foragers in C. mus were strictly diurnal and therefore foraged under higher temperatures than the predominant nocturnal foragers in C. rufipes. Marking experiments in C. rufipes colonies with higher levels of diurnal activity revealed the presence of temporally specialized forager subpopulations. These results suggest the presence of temporal niches not only between the two Camponotus species, but as well between workers within colonies of the same species. 
In conclusion, the temporal organization in colonies of Camponotus ants involves not only the scheduling of tasks performed throughout the worker life, but also the precise timing of daily activities. The necessary endogenous clock is already functioning in all workers after eclosion. Whereas the light-dark cycle and food availability seem to be the prominent zeitgebers for foragers, nurses may rely more on non-photic zeitgeber like social interaction, temperature and humidity cycles.
N2  - Die Drehung der Erde um ihre eigene Achse erzeugt wiederkehrende und vorhersehbare Umweltschwankungen. Um diese Schwankungen zu antizipieren und Physiologie sowie Verhalten entsprechend anzupassen, besitzen fast alle Organismen eine innere Uhr. Bei einigen Ameisenarten, Camponotus Ameisen eingenommen, wurde die Präsenz einer inneren Uhr bereits bestätigt. Wie diese Uhr allerdings zur zeitlichen Abstimmung der Tagesaktivitäten innerhalb und außerhalb des Ameisennestes genutzt wird, war bis jetzt weitestgehend unbekannt. Für die Koordination einer kollektiven Verhaltensantwort und die Aufrechterhaltung der Kolonie ist dabei nicht nur die zeitliche Steuerung vom Verhalten Einzelner notwendig, sondern auch eine Synchronisation zwischen den Arbeiterinnen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die mögliche Präsenz einer inneren Uhr in verschiedenen Arbeiterkasten zu untersuchen, und die zeitliche Koordination von Tagesaktivitäten dieser Kasten innerhalb der Kolonien zweier Camponotus Ameisenarten zu bestimmen.
In Kapitel I beschreibe ich die grundlegende zeitliche Organisation der Arbeitsteilung im Laufe des Arbeiterinnenlebens in der Art Camponotus rufipes. Mithilfe einer lückenlosen Verfolgung der Tagesaktivitäten von individuell markierten Tieren in Subkolonien über bis zu 11 Wochen konnte eine altersabhängige Arbeitsteilung zwischen Innen- und Außendienstarbeiterinnen nachgewiesen werden. Nach dem Schlüpfen wurden die eher unbeweglichen jungen Ameisen oft durch ältere Brutpflegerinnen versorgt, engagierten sich dann aber schon innerhalb der ersten 48 Stunden ihres Lebens selbst in der Brutpflege. Wahrscheinlich wegen der verminderten Notwendigkeit zur ausgedehnten Futtersuche innerhalb der kleinen Versuchskolonien wechselten nur 60% der Innendienstarbeiterinnen nach ein bis zwei Wochen zum Fouragieren außerhalb der Kolonie. Nicht nur variierte der Prozentsatz des Verhaltensübergangs von Brutpflegerin zur Sammlerin zwischen den Subkolonien, sondern auch innerhalb der Subkolonien unterschieden sich Arbeiterinnen im Zeitverlauf der Aufgabenfolge. Diese Ergebnisse betonen die gezielte, zeitliche Zuweisung von Arbeiterinnen zu einer bestimmten Arbeiterkaste je nach Bedarf der Kolonie. 
In diesem Experiment waren die Sammlerinnen vorwiegend nur während der Nachtphase außerhalb der Kolonie aktiv, was wiederum eine genaue zeitliche Koordination des Sammelverhaltens auf Tagesbasis zeigt. Da die Futterverfügbarkeit sowie Temperatur- und Luftfeuchte über den Tag hinweg konstant gehalten wurden, scheint die bevorzugte Nachtaktivität endogen und charakteristisch für C. rufipes zu sein. Durch das anschließende Monitoring der Lokomotoraktivität von Arbeiterinnen aus diesen Subkolonien konnte gezeigt werden, dass schon einen Tag alte Ameisen eine funktionierende innere Uhr besitzen. Der Aktivitätsrhythmus mancher Brutpflegerinnen war dabei in Phase mit dem Sammelrhythmus der Kolonie, weswegen man von einer Synchronisation dieser Inndienstarbeiterinnen durch soziale Interaktion mit Außendienstarbeiterinnen ausgehen kann.
Doch nutzen beide Kasten ihre innere Uhr auch, um ihre Tagesaktivitäten innerhalb der Kolonie zeitlich abzustimmen? In Kapitel II habe ich die Verhaltensaktivität von C. rufipes Futtersammlerinnen und Brutpflegerinnen in ihrem sozialen Umfeld kontinuierlich für 24 Stunden verfolgt. Da der beschränkte Zugriff zu Futterquellen einer der Faktoren sein könnte, der die Tagesaktivitäten von Ameisen in der Natur beeinflusst, wurden Subkolonien entweder nur pulsartig oder ad libitum gefüttert. Während der Nacht- und ad libitum Fütterung waren Sammlerinnen vorwiegend nachtaktiv, was die Ergebnisse der simplen Zählung von Außendiensttieren in Kapitel I bestätigt. Während der Tagesfütterung wurden die Sammlerinnen tagaktiv, was die flexible und adaptive zeitliche Anpassung dieses täglichen Verhaltens veranschaulicht. Unabhängig von der Fütterungszeit waren Brutpflegerinnen rund um die Uhr aktiv, wobei sie die größte Zeit mit Fütterung und Säuberung der Brut verbrachten. Jedoch konnte kurz nach den Fütterungspulsen ein kurzer Aktivitätsanstieg verzeichnet werden, welcher auf die erhöhte Interaktion durch Trophallaxis mit den Sammlerinnen zurückzuführen ist. Wie bereits schon in Kapitel I angedeutet, können Außendiensttiere mithilfe dieses sozialen Zeitgebers Arbeiterinnen im Nest synchronisieren. Im anschließenden Monitoring der Lokomotoraktivität unter Licht-Dunkel-Bedingungen waren alle rhythmischen Arbeiterinnen einheitlich nachtaktiv, unabhängig von der vorausgegangen Fütterungszeit. Damit werden die endogenen Aktivitätsmuster, die beide Kasten in Isolation zeigen, im sozialen Kontext in Anpassung an die speziellen Anforderungen an die Kasten modifiziert.
Schwerpunkt des Kapitels III ist die Untersuchung der potentiellen Faktoren, die die gezeigte Plastizität der Tagesrhythmen bei Ameisen der Art C. rufipes bedingen. Da unter anderem das Vorhandensein von Brut und Artgenossinnen sozialen Kontext signalisieren können, wurde der Effekt dieser Faktoren auf die endogenen Rhythmen von ansonsten isolierten Individuen untersucht. Selbst in Sammlerinnen verursachte der Kontakt zu Brut ein arrhythmisches Aktivitätsmuster, welches dem Verhaltensmuster von Brutpflegerinnen innerhalb der Kolonie gleicht. Wie schon in Kapitel I und II deutlich wurde, könnten soziale Interaktionen einen wesentlichen Beitrag zur Synchronisation der Nestaktivitäten leisten. Dazu wurden Gruppen getrennt voneinander mit phasenverschobenen Licht-Dunkel-Zyklen entraint, und Tiere anschließend in paarweisem Kontakt durch ein Netzgitter aufgezeichnet. Beide Individuen verschoben einen Teil ihrer Aktivität in die Aktivitätsperiode des Partners. Damit modulierten beide getesteten sozialen Faktoren die endogenen Rhythmen der Arbeiterinnen, was letztendlich zur kontextabhängigen Plastizität der Rhythmen in Ameisenkolonien beiträgt.
Obwohl Brutpflegerinnen die meisten Verhaltensweisen arrhythmisch während des ganzen Tages ausüben (Kapitel II), zeigten vorangegangene Studien rhythmische Brutverlagerungen bei Brutpflegerinnen der Camponotus-Arten. Da dieses Verhalten die Brutentwicklung fördert, scheint das Timing der Verlagerungen innerhalb des ansonsten dunklen Nestes essentiell zu sein. In Kapitel IV verfolgte ich die Verlagerungsaktivität von allen Brutpflegerinnen in Subkolonien der Art C. mus. Unter den gesichert synchronisierten Bedingungen eines LD-Zykluses basierte das Brutverlagerungsmuster auf der rhythmischen, abwechselnden Aktivität von zwei Subpopulationen mit bevorzugter Verlagerungsrichtung in entweder den warmen oder kalten Bereich des Temperaturgradienten zu bestimmten Tageszeiten. Obwohl die soziale Interaktion nach Pulsfütterung einen deutlichen Einfluss auf die Nestaktivität bei C. rufipes hatte (Kapitel I und II), reichte diese Interaktion nicht aus um den Brutverlagerungsrhythmus bei C. mus innerhalb des dunklen Nests (d.h. unter Abwesenheit sonstiger Zeitgeber) zu synchronisieren. Nichtsdestotrotz zeigte der Freilauf der Brutverlagerungsrhythmen in einigen Brutpflegerinnen die Beteiligung einer inneren Uhr, welche durch anderweitige nicht-photische Zeitgeber wie Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen synchronisiert werden könnte.
Tageszyklen in Temperatur und Feuchtigkeit könnten nicht nur relevant sein für Aktivitäten innerhalb des Nests, sondern auch für die Fouragieraktivität außerhalb des Nests. In Kapitel V wurden Fouragierrhythmen im Freiland bei den sympatrisch vorkommenden Ameisenarten C. mus und C. rufipes in Abhängigkeit von abiotischen Faktoren betrachtet. Obwohl die beiden Arten unter Laborbedingungen ähnliche kritische Temperaturgrenzen aufzeigten, waren die Fourageure der Art C. mus strikt tagaktiv und sammelten deswegen unter höheren Temperaturen Futter als die vorwiegend nachtaktiven Fourageure der Art C. rufipes. Bei C. rufipes Kolonien mit erhöhter Tagaktivität wiesen Markierexperimente das Vorkommen von zeitlich spezialisierten Fourageur-Subpopulationen nach. Damit deuten die Ergebnisse nicht nur das Vorkommen von unterschiedlichen zeitlichen Nischen innerhalb der beiden Camponotus-Arten an, sondern auch zwischen Arbeiterinnen von Kolonien derselben Art. 
Zusammenfassend gesehen umspannt die zeitliche Organisation in Kolonien der Camponotus-Ameisen nicht nur die zeitliche Planung der Aufgaben, die über das Arbeiterinnenleben hinweg ausgeführt werden, sondern auch das genaue Terminierung von Tagesaktivitäten. Bereits nach dem Schlüpfen besitzen allen Arbeiterinnen eine funktionsfähige und für die zeitliche Organisation notwendige innere Uhr. Während der Licht-Dunkel-Zyklus und Futterverfügbarkeit die bedeutenden Zeitgeber für Fourageure zu sein scheinen, könnten Brutpflegerinnen eher auf nicht-photische Zeitgeber wie soziale Interaktion, Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen angewiesen sein.
KW  - circadian clocks
KW  - behavioral rhythms
KW  - Camponotus
KW  - zeitgeber
KW  - division of labor
KW  - temporal organization
KW  - zeitliche Organisation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149382
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  - 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  - Bohn, Holger Florian
T1  - Biomechanik von Insekten-Pflanzen-Interaktionen bei Nepenthes-Kannenpflanzen
T1  - Biomechanics of insect-plant interactions in Nepenthes pitcher plants
N2  - Interaktionen zwischen Insekten und Pflanzen können auf chemischen oder mechanischen Faktoren beruhen. Mechanische Faktoren spielen eine besonders wichtige Rolle bei den Fallen karnivorer Pflanzen. Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle mechanischer Faktoren in der Interaktion zwischen der Kannenpflanze Nepenthes bicalcarata und der Ameise Camponotus schmitzi aufzuklären, bei der Ameisen Gegenanpassungen zu spezialisierten pflanzlichen Fangstrukturen entwickelt haben. Im Rahmen meiner Arbeit habe ich mich mit den Fragen beschäftigt, 1) welche Kannenstrukturen und welche Mechanismen für den Fang von Arthropoden wichtig sind und 2) welche speziellen Anpassungen C. schmitzi-Ameisen für das Leben auf ihrer karnivoren Wirtspflanze besitzen. Bisher wurde angenommen, dass Nepenthes-Kannen Tiere mit Hilfe von rutschigen Wachskristallschichten fangen. Ich konnte zeigen, dass ein weiterer, bisher unbekannter Fangmechanismus existiert, welcher auf speziellen Oberflächeneigenschaften des Kannenrandes (Peristom) und "Insekten-Aquaplaning" basiert. Das Peristom besitzt eine regelmäßige Mikrostruktur, welche dafür sorgt, dass die Oberfläche vollständig mit Wasser benetzbar ist, so dass sie bei feuchter Witterung von homogenen Flüssigkeitsfilmen überzogen ist. Auf dem trockenen Peristom können Ameisen ohne Schwierigkeiten laufen und Nektar von den am inneren Peristomrand gelegenen Nektarien ernten. Wird die Oberfläche aber beispielsweise durch Regen nass, rutschen die meisten Tiere ab und stürzen in die Kanne. Messungen der Reibungskräfte von Weberameisen (Oecophylla smaragdina) auf dem Peristom von N. bicalcarata zeigten, dass Flüssigkeitsfilme auf der Oberfläche die Anhaftung der Haftorgane (Arolien) verhindern, und dass die Mikrostruktur des Peristoms auch den Einsatz der Krallen unterbindet. Versuche an Nepenthes alata zeigten darüber hinaus, dass dieser Fangmechanismus des Peristoms auch für Nepenthes-Arten mit wachsbereifter Kanneninnenwand essentiell, und die Wachsschicht eher für die Retention gefangener Tiere wichtig ist. Zur Analyse der ökologischen Auswirkungen des "Aquaplaning"-Fangmechanismus habe ich die Peristomfeuchte von Nepenthes rafflesiana var. typica-Kannen zeitgleich mit meteorologischen Daten im Feld kontinuierlich aufgezeichnet und mit Experimenten zur Beurteilung der Fangeffizienz der Kannen kombiniert. Die Ergebnisse dieser Versuche zeigen, dass die Kannen abhängig vom Befeuchtungsgrad des Peristoms zeitweise sehr effiziente Fallen mit Fangraten von 80% sein können, während sie zu anderen Zeiten vollkommen ineffizient sind. Die Variation der Peristomfeuchte wird durch Regen, Kondensation und von den Peristomnektarien sezerniertem Nektar verursacht. Es ist zu vermuten, dass die nur zeitweise und unvorhersehbare Aktivierung der Nepenthes-Kannenfallen durch Nässe der Evolution von Vermeidungsstrategien bei Beutetieren entgegenwirkt. Im Rahmen der Untersuchungen, welche mechanischen Anpassungen C. schmitzi-Ameisen für das Leben auf N. bicalcarata besitzen habe ich mich auf die Fragen konzentriert, wie es den Ameisen gelingt den Peristom-Fangmechanismus zu umgehen und welche Anpassungen sie besitzen um in der Kannenflüssigkeit tauchend und schwimmend nach Nahrung zu suchen. Im Gegensatz zu generalistischen Arten stürzen C. schmitzi-Ameisen auf dem nassen Peristom nicht ab. Durch selektive Manipulation der tarsalen Haftstrukturen konnte ich demonstrieren, dass die Arolien für die Peristomlauffähigkeit der C. schmitzi-Ameisen eine wesentliche Rolle spielen. Für das Furagieren in der Kannenflüssigkeit verfügen C. schmitzi-Ameisen über ein sich wiederholendes, stereotypes Verhaltensmuster, welches aus einer Unterwasserlauf- und einer Oberflächenschwimmphase besteht. Meine Untersuchungen dieses Verhaltensmusters zeigten, dass die Ameisen am Ende der Unterwasserlaufphase mit Hilfe ihres stets vorhandenen Auftriebs zur Flüssigkeitsoberfläche aufsteigen. Dabei taucht ein Teil ihres Hinterleibs aus der Kannenflüssigkeit auf, was den Ameisen die Sauerstoffaufnahme aus der Luft ermöglicht. Nach dem Auftauchen schwimmen C. schmitzi-Ameisen mittels schneller Beinbewegungen an der Oberfläche der Kannenflüssigkeit. Dabei ähnelt die Bewegungskoordination ihrer Beine dem bei Ameisen für die Fortbewegung an Land typischen Dreifußgang. Ein Vergleich der Kinematik von schwimmenden und laufenden C. schmitzi-Ameisen hat gezeigt, dass schwimmende Ameisen ihre Beine in der Schlagphase mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit als in der Rückholphase bewegen, während dies bei den laufenden Tieren genau umgekehrt ist. Ferner strecken schwimmende Ameisen ihre Beine während der Schlagphase weiter aus als in der Rückholphase, wohingegen laufende Ameisen in beiden Bewegungsphasen vergleichbare Beinradien aufweisen. Dies lässt den Schluss zu, dass die Schwimmkinematik der C. schmitzi-Ameisen eine abgewandelte Form ihrer Laufkinematik darstellt, welche für die Erzeugung von Vortrieb im Wasser optimiert wurde.
N2  - Insect-plant interactions based on either chemical or mechanical factors, play a key role in nature. Mechanical factors are of particular importance for the animal traps of carnivorous plants. The aim of this study is to clarify the role of mechanical factors in the interaction between the pitcher plant Nepenthes bicalcarata and its ant partner, Camponotus schmitzi which has evolved counter adaptations against the specialised capture structures of the plant. This study investigates two questions, firstly, which of the pitchers' structures and which mechanisms are important for the capture of arthropods and secondly, what are the special adaptations that enable the C. schmitzi ants to live on their carnivorous host plant. It has so far been suggested, that Nepenthes pitchers capture prey by means of slippery epicuticular wax crystals. I was however able to show, that another, yet unknown capture mechanism exists. It is based on the special surface properties of the pitcher rim (peristome) and on the phenomenon of insect "aquaplaning". The peristome is characterized by a regular microstructure with radial ridges of smooth overlapping epidermal cells, which form a series of steps toward the pitcher interior. This surface is completely wettable by water, so that under humid weather conditions it is covered by homogenous liquid films. If the peristome is dry, ants can run freely on it and harvest nectar from the nectaries at the inner margin of the peristome. As soon as the peristome surface is wetted, for example by rain, it becomes extremely slippery for insects, so that most of the ant visitors are trapped. By measuring the friction forces of weaver ants (Oecophylla smaragdina) on the peristome of N. bicalcarata, I was able to show that the liquid films on the surface disrupt attachment for the soft adhesive pads (arolia) and that the surface topography impedes the use of claws. Experiments on Nepenthes alata demonstrated that the trapping mechanism of the peristome is also essential in Nepenthes species with waxy inner pitcher walls, indicating that the waxy surfaces are more important for the retention rather than the capture of prey. I investigated the ecological implications of the "aquaplaning" capture mechanism in Nepenthes rafflesiana var. typica by combining meteorological data and continuous field measurements of peristome wetness with experimental assessments of the pitchers’ capture efficiency. My results demonstrate that pitchers can be highly effective traps with capture rates as high as 80% but are completely ineffective at other times. These dramatic changes are due to the wetting conditions of the peristome. Variation of peristome wetness and thus the variation of capture efficiency is caused by rain, condensation, and nectar secreted from the peristome nectaries. I propose that the intermittent and unpredictable activation of Nepenthes pitcher traps prevents the evolution of avoidance strategies in prey animals. In the second part of my study I investigated the mechanical adaptations that the C. schmitzi possess in order to live on N. bicalcarata. I focused on two principal questions, how are the ants able to circumvent the peristome capture mechanism and what adaptations do they need in order to swim and dive in the digestive fluid. In contrast to generalist ants, C. schmitzi ants are capable of running on the wet peristome without difficulties. Through selective manipulation of tarsal attachment structures I was able to demonstrate, that the arolia are essential for the ants’ capability to run on the wet peristome. Whilst foraging in the pitcher fluid C. schmitzi ants show a repetitive stereotyped behaviour pattern, consisting of an underwater running and surface swimming phase. My analysis of this behaviour pattern showed that at the end of the underwater running phase the ants advance to the fluid surface with the aid of buoyancy. When reaching the surface film parts of the ants’ gaster and head emerge. I was able to show that while foraging in the pitcher fluid the emerging of the gaster is crucial for the respiration of the ants. After emersion the ants swim at the surface of the pitcher fluid using fast leg movements. Hence the leg coordination is similar to a tripod gait which is typical for their locomotion on land. A comparison between the kinematics of swimming and running C. schmitzi ants showed that whilst swimming, the angular velocity of their legs is higher in the stroke than in the recovery, whereas the opposite is true whilst running. Furthermore the swimming ants stretch their legs further in the stroke than in the recovery whereas the leg radius of running ants does not vary much throughout a step. It can be concluded that the swimming kinematics of C. schmitzi ants derives from the kinematics of their running and has been optimized for generating thrust in water.
KW  - Biomechanik
KW  - Kannenpflanze
KW  - Rossameise
KW  - Fleischfressende Pflanzen
KW  - Aquaplaning
KW  - Mikrostruktur
KW  - Symbiose
KW  - Kinematik
KW  - Insekten-Pflanzen-Interaktion
KW  - schwimmende Ameisen
KW  - insect-plant interactions
KW  - Camponotus
KW  - Nepenthes
KW  - capture mechanism
KW  - swimming ants
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26101
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  -