TY  - THES
A1  - Schilcher, Felix
T1  - Regulation of the nurse-forager transition in honeybees (\(Apis\) \(mellifera\))
T1  - Regulation des Ammen–Sammlerinnen-Übergangs in Honigbienen (\(Apis\) \(mellifera\))
N2  - Honeybees are among the few animals that rely on eusociality to survive. While the
task of queen and drones is only reproduction, all other tasks are accomplished by sterile
female worker bees. Different tasks are mostly divided by worker bees of different ages
(temporal polyethism). Young honeybees perform tasks inside the hive like cleaning and
nursing. Older honeybees work at the periphery of the nest and fulfill tasks like guarding
the hive entrance. The oldest honeybees eventually leave the hive to forage for resources
until they die. However, uncontrollable circumstances might force the colony to adapt or
perish. For example, the introduced Varroa destructor mite or the deformed wing virus
might erase a lot of in-hive bees. On the other hand, environmental events might kill a
lot of foragers, leaving the colony with no new food intake. Therefore, adaptability of
task allocation must be a priority for a honeybee colony.
In my dissertation, I employed a wide range of behavioral, molecular biological and analytical techniques to unravel the underlying molecular and physiological mechanisms of
the honeybee division of labor, especially in conjunction with honeybee malnourishment.
The genes AmOARα1, AmTAR1, Amfor and vitellogenin have long been implied to
be important for the transition from in-hive tasks to foraging. I have studied in detail
expression of all of these genes during the transition from nursing to foraging to understand how their expression patterns change during this important phase of life. My focus
lay on gene expression in the honeybee brain and fat body. I found an increase in the
AmOARα1 and the Amforα mRNA expression with the transition from in-hive tasks to
foraging and a decrease in expression of the other genes in both tissues. Interestingly,
I found the opposite pattern of the AmOARα1 and AmTAR1 mRNA expression in the
honeybee fat body during orientation flights. Furthermore, I closely observed juvenile
hormone titers and triglyceride levels during this crucial time. Juvenile hormone titers
increased with the transition from in-hive tasks to foraging and triglyceride levels decreased.
Furthermore, in-hive bees and foragers also differ on a behavioral and physiological level.
For example, foragers are more responsive towards light and sucrose. I proposed that
modulation via biogenic amines, especially via octopamine and tyramine, can increase
or decrease the responsiveness of honeybees. For that purpose, in-hive bees and foragers were injected with both biogenic amines and the receptor response was quantified
1
using electroretinography. In addition, I studied the behavioral response of the bees to
light using a phototaxis assay. Injecting octopamine increased the receptor response and
tyramine decreased it. Also, both groups of honeybees showed an increased phototactic
response when injected with octopamine and a decreased response when injected with
tyramine, independent of locomotion.
Additionally, nutrition has long been implied to be a driver for division of labor. Undernourished honeybees are known to speed up their transition to foragers, possibly to
cope with the missing resources. Furthermore, larval undernourishment has also been
implied to speed up the transition from in-hive bees to foragers, due to increasing levels
of juvenile hormone titers in adult honeybees after larval starvation. Therefore, I reared
honeybees in-vitro to compare the hatched adult bees of starved and overfed larvae to
bees reared under the standard in-vitro rearing diet. However, first I had to investigate
whether the in-vitro rearing method affects adult honeybees.
I showed effects of in-vitro rearing on behavior, with in-vitro reared honeybees foraging
earlier and for a shorter time than hive reared honeybees. Yet, nursing behavior was
unaffected.
Afterwards, I investigated the effects of different larval diets on adult honeybee workers.
I found no effects of malnourishment on behavioral or physiological factors besides a
difference in weight. Honeybee weight increased with increasing amounts of larval food,
but the effect seemed to vanish after a week.
These results show the complexity and adaptability of the honeybee division of labor.
They show the importance of the biogenic amines octopamine and tyramine and of the
corresponding receptors AmOARα1 and AmTAR1 in modulating the transition from inhive bees to foragers. Furthermore, they show that in-vitro rearing has no effects on
nursing behavior, but that it speeds up the transition from nursing to foraging, showing
strong similarities to effects of larval pollen undernourishment. However, larval malnourishment showed almost no effects on honeybee task allocation or physiology. It seems
that larval malnourishment can be easily compensated during the early lifetime of adult
honeybees.
N2  - Honigbienen gehören zu den wenigen Spezies, die in eusozialen Gemeinschaften leben.
Die eierlegende Königin und die männlichen Drohnen dienen nur der Fortpflanzung. Alle
anderen Arbeiten von den sterilen Arbeiterinnen ausgeführt werden. Die Arbeitsteilung
wird meistens anhand des Alters der Bienen organisiert. Junge Arbeiterinnen bleiben im
Inneren der Kolonie und führen beispielsweise Putzarbeiten und Ammentätigkeiten aus.
Mit zunehmendem Alter verlagern sich ihre Tätigkeiten immer mehr in Richtung des
Nestausgangs wo sie, unteranderem als Wächterbienen, den Stockeingang bewachen.
Die ältesten Honigbienen verlassen das Nest, um Honig, Pollen, Wasser oder Propolis
zu sammeln, bis sie am Ende sterben.
Allerdings können unvorhersehbare Ereignisse dazu führen, dass sich die Kolonie anpassen muss, um nicht unterzugehen. Krankheiten wie der Flügeldeformationsvirus oder
die, durch den Menschen eingeführte, Varroa destructor Milbe können auf einen Schlag
eine große Zahl an Bienen auslöschen. Des Weiteren können beispielsweise starke Unwetter dafür sorgen, dass etliche Sammlerinnen auf ihrem Sammelflug sterben und die
Kolonie ohne neuen Nektar oder Pollen zurückgelassen wird. Es liegt auf der Hand, dass
eine starre Arbeitsverteilung nicht ausreicht, um solchen Umständen entgegenzuwirken
und, dass eine gewisse Flexibilität notwendig ist.
In meiner Dissertation habe ich eine weitreichende Anzahl an verhaltensbiologischen und
molekularbiologischen Techniken verwendet, um die molekularen und physiologischen
Mechanismen der Arbeitsteilung bei Honigbienen aufzuklären, vor allem im Bezug auf
den Übergang von Ammenbienen zu Sammlerinnen.
Es ist seit langer Zeit bekannt, dass die Gene AmOARα1, AmTAR1, Amfor und Vitellogenin beim Übergang von Ammenbienen zu Sammlerinnen von zentraler Bedeutung
sind. Deshalb habe ich die Expression dieser Gene, sowohl im Gehirn als auch im Fettkörper, in genau diesem Zusammenhang betrachtet und die unterschiedlichen Veränderungen der Expressionsmuster während dieser wichtigen Phase im Leben einer Honigbiene
analysiert.
Ich konnte zeigen, dass sowohl die mRNA Expression des AmOARα1 und des Amforα
beim Übergang von Ammenbienen zu Sammlerinnen anstieg, während die Expression der
anderen Kandidatengene im gleichen Zeitraum sowohl im Gehirn als auch im Fettkörper
abfiel. Interessanterweise zeigten die Expressionsmuster des AmOARα1 und des Am3
TAR1, während der Orientierungsflüge, genau in die entgegengesetzte Richtung.
Zusätzlich habe ich mir bei denselben Bienen auch den Juvenilhormongehalt in der Hämolymphe und die Menge an Triglyceriden im Fettkörper angeschaut. Der Juvenilhormongehalt nahm schlagartig zu, als die Bienen mit dem Sammeln begannen. Die Menge
an Triglyceriden nahm allerdings von Ammenbienen, über Bienen während des Orientierungsfluges zu Sammlerinnen konstant ab.
Des Weiteren war bereits bekannt, dass sich Ammenbienen und Sammlerinnen nicht
nur auf genetischer, sondern auch auf verhaltensbiologischer und physiologischer Ebene
voneinander unterscheiden. Zum Beispiel sind Sammlerinnen empfindlicher für Licht und
Saccharose. Ich stellte die Hypothese auf, dass die Empfindlichkeit von Honigbienen für
solche Schwellen durch biogene Amine, insbesondere Oktopamin und Tyramin, moduliert
werden kann. Oktopamin sollte die Empfindlichkeit von Bienen erhöhen, wohingegen
Tyramin diese verringern sollte.
Hierfür injizierte ich Stockbienen und Sammlerinnen beide biogenen Amine und analysierte
die Rezeptorantwort mit einem Elektroretinogramm (ERG) und die Lichtempfindlichkeit
in einer Phototaxisarena.
Oktopamininjektion führte dazu, dass die Rezeptorantwort im ERG erhöht wurde und
dass beide Gruppen eine erhöhte Lichtempfindlichkeit aufwiesen. Tyramin hatte in beiden Experimenten genau den gegenteiligen Effekt.
Allerdings kann der Ammen-Sammlerinnen-Übergang nicht nur durch biogene Amine
moduliert werden, auch die Ernährung hat einen großen Einfluss. Zum Beispiel fangen
unterernährte Honigbienen eher an zu sammeln als satte Honigbienen. Des Weiteren
sollte auch die larvale Unterernährung bereits einen Einfluss auf die spätere Arbeitsteilung haben, da man bei Arbeiterinnen, die im Larvenstadium bereits unterernährt
waren, eine erhöhte Menge an Juvenilhormon festgestellt hatte. Dies sieht man auch
beim Übergang von Ammenbienen zu Sammlerinnen.
Deshalb nutzte ich eine Methode zur artifiziellen Aufzucht von Honigbienen, um die Standarddiät, die diese normalerweise erhalten, zu variieren. Allerdings musste ich zuerst den
Effekt der in-vitro Aufzucht auf im Stock aufgezogene Honigbienen untersuchen.
Ich konnte zeigen, dass die artifizielle Aufzucht das Sammelverhalten erwachsener Honigbienen signifikant beeinflusste, während das Ammenverhalten der in-vitro aufgezogenen
Bienen nicht beeinflusst wurde. Artifiziell aufgezogene Honigbienen begannen, im Vergleich zu normalen Bienen, früher zu sammeln und sammelten für eine kürzere Zeit.
Danach zog ich unterernährte, normal ernährte und überfütterte Honigbienen in-vitro
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auf. Ich fand Unterschiede im Gewicht zwischen den Behandlungsgruppen. Unterernährte Bienen waren die leichtesten und überfütterte Bienen wogen am meisten. Dieser
Unterschied verschwand aber über die Zeit. Des Weiteren konnte ich keinen Einfluss der
Ernährung auf das Ammenverhalten oder das Sammelverhalten zeigen.
Dieser Ergebnisse zeigen sowohl die Komplexität als auch das Anpassungsvermögen der
Arbeitsteilung von Honigbienen. Sie zeigen, dass sowohl die beiden biogenen Amine Oktopamin und Tyramin, als auch die dazugehörigen Rezeptoren AmOARα1 und AmTAR1
bei der Modulation des Ammen-Sammlerinnen-Übergangs eine große Rolle spielen. Des
Weiteren zeigen die Ergebnisse des Vergleichs von artifiziell und im Stock aufgezogenen Bienen, starke Gemeinsamkeiten zu einer larvalen Unterernährung mit Pollen. Jedoch scheint eine allgemeine larvale Unterernährung kaum einen Effekt auf den AmmenSammlerinnen-Übergang zu haben. Diese scheint während der ersten Lebenstage von
Honigbienen relativ leicht kompensiert werden zu können.
KW  - Biene
KW  - juvenile hormone
KW  - nurse bee
KW  - forager
KW  - division of labor
KW  - malnourishment
KW  - diet
KW  - bee
KW  - honeybee
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-289352
ER  - 
TY  - THES
A1  - Değirmenci [née Pölloth], Laura
T1  - Sugar perception and sugar receptor function in the honeybee (\(Apis\) \(mellifera\))
T1  - Zuckerwahrnehmung und Zuckerrezeptorfunktion in der Honigbiene  (\(Apis\) \(mellifera\))
N2  - In the eusocial insect honeybee (Apis mellifera), many sterile worker bees live together with a reproductive queen in a colony. All tasks of the colony are performed by the workers, undergoing age-dependent division of labor. Beginning as hive bees, they take on tasks inside the hive such as cleaning or the producing of larval food, later developing into foragers. With that, the perception of sweetness plays a crucial role for all honeybees whether they are sitting on the honey stores in the hive or foraging for food. Their ability to sense sweetness is undoubtedly necessary to develop and evaluate food sources. Many of the behavioral decisions in honeybees are based on sugar perception, either on an individual level for ingestion, or for social behavior such as the impulse to collect or process nectar. In this context, honeybees show a complex spectrum of abilities to perceive sweetness on many levels. They are able to perceive at least seven types of sugars and decide to collect them for the colony. Further, they seem to distinguish between these sugars or at least show clear preferences when collecting them. Additionally, the perception of sugar is not rigid in honeybees. For instance, their responsiveness towards sugar changes during the transition from in-hive bees (e.g. nurses) to foraging and is linked to the division of labor. Other direct or immediate factors changing responsiveness to sugars are stress, starvation or underlying factors, such as genotype. 
Interestingly, the complexity in their sugar perception is in stark contrast to the fact that honeybees seem to have only three predicted sugar receptors. 
In this work, we were able to characterize the three known sugar receptors (AmGr1, AmGr2 and AmGr3) of the honeybee fully and comprehensively in oocytes (Manuscript II, Chapter 3 and Manuscript III, Chapter 4). We could show that AmGr1 is a broad sugar receptor reacting to sucrose, glucose, maltose, melezitose and trehalose (which is the honeybees’ main blood sugar), but not fructose. AmGr2 acts as its co-receptor altering AmGr1’s specificity, AmGr3 is a specific fructose receptor and we proved the heterodimerization of all receptors. With my studies, I was able to reproduce and compare the ligand specificity of the sugar receptors in vivo by generating receptor mutants with CRISPR/Cas9. With this thesis, I was able to define AmGr1 and AmGr3 as the honeybees’ basis receptors already capable to detect all sugars of its known taste spectrum.
In the expression analysis of my doctoral thesis (Manuscript I, Chapter 2) I demonstrated that both basis receptors are expressed in the antennae and the brain of nurse bees and foragers. This thesis assumes that AmGr3 (like the Drosophila homologue) functions as a sensor for fructose, which might be the satiety signal, while AmGr1 can sense trehalose as the main blood sugar in the brain. Both receptors show a reduced expression in the brain of foragers when compared with nurse bees. These results may reflect the higher concentrated diet of nurse bees in the hive. The higher number of receptors in the brain may allow nurse bees to perceive hunger earlier and to consume the food their sitting on. Forager bees have to be more persistent to hunger, when they are foraging, and food is not so accessible. The findings of reduced expression of the fructose receptor AmGr3 in the antennae of nurse bees are congruent with my other result that nurse bees are also less responsive to fructose at the antennae when compared to foragers (Manuscript I, Chapter 2). This is possible, since nurse bees sit more likely on ripe honey which contains not only higher levels of sugars but also monosaccharides (such as fructose), while foragers have to evaluate less-concentrated nectar. 
My investigations of the expression of AmGr1 in the antennae of honeybees found no differences between nurse bees and foragers, although foragers are more responsive to the respective sugar sucrose (Manuscript I, Chapter 2). Considering my finding that AmGr2 is the co-receptor of AmGr1, it can be assumed that AmGr1 and the mediated sucrose taste might not be directly controlled by its expression, but indirectly by its co-receptor. My thesis therefore clearly shows that sugar perception is associated with division of labor in honeybees and appears to be directly or indirectly regulated via expression. 
The comparison with a characterization study using other bee breeds and thus an alternative protein sequence of AmGr1 shows that co-expression of different AmGr1 versions with AmGr2 alters the sugar response differently. Therefore, this thesis provides first important indications that alternative splicing could also represent an important regulatory mechanism for sugar perception in honeybees.
Further, I found out that the bitter compound quinine lowers the reward quality in learning experiments for honeybees (Manuscript IV, Chapter 5). So far, no bitter receptor has been found in the genome of honeybees and this thesis strongly assumes that bitter substances such as quinine inhibit sugar receptors in honeybees. With this finding, my work includes other molecules as possible regulatory mechanism in the honeybee sugar perception as well. We showed that the inhibitory effect is lower for fructose compared to sucrose. Considering that sugar signals might be processed as differently attractive in honeybees, this thesis concludes that the sugar receptor inhibition via quinine in honeybees might depend on the receptor (or its co-receptor), is concentration-dependent and based on the salience or attractiveness and concentration of the sugar present. 
With my thesis, I was able to expand the knowledge on honeybee’s sugar perception and formulate a complex, comprehensive overview. Thereby, I demonstrated the multidimensional mechanism that regulates the sugar receptors and thus the sugar perception of honeybees. With this work, I defined AmGr1 and AmGr3 as the basis of sugar perception and enlarged these components to the co-receptor AmGr2 and the possible splice variants of AmGr1. I further demonstrated how those sugar receptor components function, interact and that they are clearly involved in the division of labor in honeybees. In summary, my thesis describes the mechanisms that enable honeybees to perceive sugar in a complex way, even though they inhere a limited number of sugar receptors. My data strongly suggest that honeybees overall might not only differentiate sugars and their diet by their general sweetness (as expected with only one main sugar receptor). The found sugar receptor mechanisms and their interplay further suggest that honeybees might be able to discriminate directly between monosaccharides and disaccharides or sugar molecules and with that their diet (honey and nectar).
N2  - Beim dem eusozialen Insekt Honigbiene (Apis mellifera) leben tausende sterile Arbeitsbienen zusammen mit einer fortpflanzungsfähigen Königin in einem Volk. Alle Aufgaben in der Kolonie werden von diesen Arbeiterinnen erledigt, während sie eine altersabhängige Arbeitsteilung durchlaufen. Als Stockbienen beginnend übernehmen sie Aufgaben im Stock wie die Reinigung oder die Produktion von Larvenfutter und entwickeln sich später zu Sammlerinnen. Das Wahrnehmung von Süße spielt für alle Honigbienen eine entscheidende Rolle, egal ob sie auf den Honigvorräten im Stock sitzen oder nach Nahrung suchen. Ihre Fähigkeit Süße zu wahrzunehmen ist zweifellos notwendig, um Nahrungsquellen zu identifizieren und zu bewerten. Viele der Verhaltensentscheidungen bei Honigbienen basieren auf ihrer Zuckerwahrnehmung, entweder auf individueller Ebene für die Nahrungsaufnahme oder für soziales Verhalten wie beispielsweise das Sammeln oder Verarbeiten von Nektar. Honigbienen zeigen auf vielen Ebenen ein komplexes Spektrum bei der Wahrnehmung von Süße. Sie können mindestens sieben Zuckerarten wahrnehmen und sammeln diese für ihren Stock. Darüber hinaus scheinen sie zwischen diesen Zuckern unterscheiden zu können oder zeigen zumindest klare Präferenzen beim Sammeln. Außerdem ist die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen nicht starr. Ihre Zuckerwahrnehmung ändert sich, wenn sie von einer Stockbiene (z. B. Ammen) zum Nahrungssammeln außerhalb des Stockes übergehen, und ist somit mit ihrer Arbeitsteilung verbunden. Andere direkte oder unmittelbare Faktoren, die die Reaktion auf Zucker verändern, sind Stress, Hunger oder zugrunde liegende Faktoren wie der Genotyp.
Interessanterweise steht die Komplexität der Zuckerwahrnehmung in starkem Kontrast zu der Tatsache, dass Honigbienen bisher anscheinend nur drei mögliche Zuckerrezeptoren haben.
In dieser Arbeit konnten wir die drei bekannten Honigbienenzuckerrezeptoren (AmGr1, AmGr2 und AmGr3) in Xenopus-Oozyten vollständig und umfassend charakterisieren (Manuscript II, Chapter 3 und Manuscript III, Chapter 4). Wir konnten zeigen, dass AmGr1 ein breitdetektierender Zuckerrezeptor ist, der auf Saccharose, Glukose, Maltose, Melezitose und Trehalose (der Hauptblutzucker bei Honigbienen), aber nicht auf Fruktose reagiert. AmGr2 fungiert als ein Co-Rezeptor, der die Spezifität von AmGr1 verändert. AmGr3 ist ein spezifischer Fruktoserezeptor und wir haben die Heterodimerisierung der Rezeptoren überprüft. Mit meinen Studien konnte ich die gefundene Ligandenspezifität der Zuckerrezeptoren in vivo reproduzieren und vergleichen, indem ich Rezeptormutanten mit CRISPR/Cas9 generierte. Dabei konnte ich AmGr1 und AmGr3 als die Basisrezeptoren von Honigbienen definieren, die bereits alle Zucker ihres bekannten Geschmacksspektrums detektieren können.
In der Expressionsanalyse meiner Doktorarbeit (Manuscript I, Chapter 2) konnte ich zeigen, dass beide Basisrezeptoren in den Antennen und im Gehirn von Ammenbienen und Sammlerinnen exprimiert werden. Diese Arbeit geht davon aus, dass AmGr3 (wie das Homologe in Drosophila) als Sensor für Fruktose fungiert, die das Sättigungssignal sein könnte, während AmGr1 Trehalose als Hauptblutzucker im Gehirn wahrnehmen kann. Beide Rezeptoren zeigen eine reduzierte Expression im Gehirn von Sammlerinnen im Vergleich zu Ammenbienen. Diese Ergebnisse könnten die höher konzentrierte Ernährung der Ammenbienen im Stock widerspiegeln. Die höhere Anzahl an Rezeptoren im Gehirn könnte es den Ammenbienen ermöglichen frühzeitiger Hunger wahrzunehmen und die Nahrung, auf der sie sitzen aufzunehmen. Sammelbienen dagegen müssen beim Sammeln und dem reduzierten Nahrungsangebot ausdauernder sein. Die gemessene reduzierte Expression des Fruktoserezeptors AmGr3 in den Antennen von Ammenbienen entsprechen meinen anderen Ergebnissen, wonach Ammenbienen im Vergleich zu Sammelbienen an den Antennen auch weniger empfindlich auf Fruktose reagieren (Manuscript I, Chapter 2). Dies ist möglich, da Ammenbienen eher auf reifem Honig sitzen, der nicht nur einen höheren Zuckergehalt, sondern auch vermehrt Monosaccharide (wie Fructose) enthält, während Sammelbienen weniger konzentrierten Nektar bewerten müssen.
Meine Untersuchungen zur Expression von AmGr1 in den Antennen von Honigbienen ergaben keine Unterschiede zwischen Ammenbienen und Sammlerinnen, obwohl Sammlerinnen empfindlicher auf den entsprechenden Zucker Saccharose reagieren. Angesichts unserer Ergebnisse, dass AmGr2 der Co-Rezeptor von AmGr1 ist, kann die Hypothese aufgestellt werden, dass AmGr1 und der vermittelte Saccharose-Geschmack möglicherweise nicht direkt durch seine Expression, sondern indirekt durch seinen Co-Rezeptor reguliert werden. Meine Dissertation zeigt somit deutlich, dass die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen mit Arbeitsteilung verbunden ist und direkt oder indirekt über die Expression geregelt zu werden scheint.
Der Vergleich mit einer anderen Charakterisierungsstudie, durchgeführt an anderen Bienenrassen und damit einer alternativen Proteinsequenz von AmGr1, zeigt, dass die Co-Expression verschiedener AmGr1-Varianten mit AmGr2 die Zuckerantwort unterschiedlich verändert. Daher liefert diese Arbeit erste wichtige Hinweise darauf, dass alternatives Spleißen auch bei Honigbienen einen wichtigen Regulationsmechanismus für die Zuckerwahrnehmung darstellen könnte. 
Des Weiteren habe ich herausgefunden, dass der Bitterstoff Chinin die Qualität der Belohnung in Lernexperimenten für Honigbienen senkt (Manuscript IV, Chapter 5). Bisher wurde kein Bitterrezeptor im Genom von Honigbienen gefunden und diese Arbeit deutet darauf hin, dass Bitterstoffe wie Chinin Zuckerrezeptoren in Honigbienen hemmen. Mit dieser Erkenntnis schließt meine Dissertation auch andere Moleküle als mögliche Regulationsmechanismen in die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene ein. Wir haben gezeigt, dass die hemmende Wirkung bei Fruktose im Vergleich zu Saccharose geringer ist. Unter der Berücksichtigung, dass Zuckersignale bei Honigbienen möglicherweise unterschiedlich attraktiv verarbeitet werden, kommt meine Arbeit zu dem Schluss, dass die Hemmung der Zuckerrezeptoren durch Chinin bei Honigbienen abhängig ist von der verwendeten Konzentration, der Bedeutung bzw. Attraktivität des Zuckers und seiner Konzentration.
Mit meiner Doktorarbeit konnte ich das Wissen über die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene insgesamt erweitern und einen komplexen, umfassenden Überblick formulieren. Ich konnte den mehrdimensionalen Mechanismus aufzeigen, der die Zuckerrezeptoren und damit die Zuckerwahrnehmung von Honigbienen reguliert. Ich konnte AmGr1 und AmGr3 als Basis der Zuckerwahrnehmung definieren und diese Komponenten auf den Co-Rezeptor AmGr2 und die möglichen Spleißvarianten von AmGr1 erweitern. Ich habe außerdem gezeigt, wie diese Zuckerrezeptorkomponenten funktionieren, interagieren, und dass sie eindeutig an der Arbeitsteilung bei Honigbienen beteiligt sind. Zusammenfassend beschreibt meine Dissertation die Mechanismen, die es Honigbienen ermöglichen, Zucker auf komplexe Weise wahrzunehmen, selbst wenn sie eine begrenzte Anzahl von Zuckerrezeptoren besitzen. Meine Daten deuten stark darauf hin, dass Honigbienen Zucker und ihre Nahrung nicht nur aufgrund ihrer generellen Süße unterscheiden können (wie dies mit nur einem Hauptzuckerrezeptor zu erwarten wäre).
Die gefundenen Zuckerrezeptormechanismen und deren Zusammenspiel legen nahe, dass Honigbienen möglicherweise direkt zwischen Monosacchariden und Disacchariden bzw. Zuckermolekülen und damit zwischen ihrer Nahrung (Honig und Nektar) unterscheiden können.
KW  - Biene
KW  - Apis mellifera
KW  - responsiveness
KW  - honeybee
KW  - sugar receptor
KW  - sugar perception (fructose, sucrose)
KW  - AmGr1, AmGr2, AmGr3
KW  - PER
KW  - division of labor
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - bitter taste
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-321873
ER  - 
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  - Scholl, Christina
T1  - Cellular and molecular mechanisms contributing to behavioral transitions and learning in the honeybee
T1  - Zelluläre und molekulare Mechanismen, die zu Verhaltensänderungen und Lernen in der Honigbiene beitragen
N2  - The honeybee Apis mellifera is a social insect well known for its complex behavior and the ability to learn tasks associated with central place foraging, such as visual navigation or to learn and remember odor-reward associations. Although its brain is smaller than 1mm² with only 8.2 x 105 neurons compared to ~ 20 x 109 in humans, bees still show amazing social, cognitive and learning skills. They express an age – related division of labor with nurse bees staying inside the hive and performing tasks like caring for the brood or cleaning, and foragers who collect food and water outside the hive. This challenges foragers with new responsibilities like sophisticated navigation skills to find and remember food sources, drastic changes in the sensory environment and to communicate new information to other bees. Associated with this plasticity of the behavior, the brain and especially the mushroom bodies (MBs) - sensory integration and association centers involved in learning and memory formation – undergo massive structural and functional neuronal alterations. Related to this background my thesis on one hand focuses on neuronal plasticity and underlying molecular mechanisms in the MBs that accompany the nurse – forager transition. 
In the first part I investigated an endogenous and an internal factor that may contribute to the nurse - forager phenotype plasticity and the correlating changes in neuronal network in the MBs: sensory exposure (light) and juvenile hormone (JH). Young bees were precociously exposed to light and subsequently synaptic complexes (microglomeruli, MG) in the MBs or respectively hemolymph juvenile hormone (JH) levels were quantified. The results show that light input indeed triggered a significant decrease in MG density, and mass spectrometry JH detection revealed an increase in JH titer. Interestingly light stimulation in young bees (presumably nurse bees) triggered changes in MG density and JH levels comparable to natural foragers. This indicates that both sensory stimuli as well as the endocrine system may play a part in preparing bees for the behavioral transition to foraging.
Considering a connection between the JH levels and synaptic remodeling I used gene knockdown to disturb JH pathways and artificially increase the JH level. Even though the knockdown was successful, the results show that MG densities remained unchanged, showing no direct effect of JH on synaptic restructuring.
To find a potential mediator of structural synaptic plasticity I focused on the calcium-calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) in the second part of my thesis. CaMKII is a protein known to be involved in neuronal and behavioral plasticity and also plays an important part in structural plasticity reorganizing synapses. Therefore it is an interesting candidate for molecular mechanisms underlying MG reorganization in the MBs in the honeybee. Corresponding to the high abundance of CaMKII in the learning center in vertebrates (hippocampus), CaMKII was shown to be enriched in the MBs of the honeybee. Here I first investigated the function of CaMKII in learning and memory formation as from vertebrate work CaMKII is known to be associated with the strengthening of synaptic connections inducing long term potentiation and memory formation. The experimental approach included manipulating CaMKII function using 2 different inhibitors and a specific siRNA to create a CaMKII knockdown phenotype. Afterwards bees were subjected to classical olfactory conditioning which is known to induce stable long-term memory. All bees showed normal learning curves and an intact memory acquisition, short-term and mid-term memory (1 hour retention). However, in all cases long-term memory formation was significantly disrupted (24 and 72 hour retention). These results suggests the necessity of functional CaMKII in the MBs for the induction of both early and late phases of long-term memory in honeybees. The neuronal and molecular bases underlying long-term memory and the resulting plasticity in behavior is key to understanding higher brain function and phenotype plasticity. In this context CaMKII may be an important mediator inducing structural synaptic and neuronal changes in the MB synaptic network.
N2  - Die Honigbiene Apis mellifera ist ein soziales Insekt, das bekannt ist für sein komplexes Verhalten und seine Fähigkeiten, Aufgaben in Bezug auf zentrales Sammelverhalten, zum Beispiel visuelle Navigation oder die Assoziation Duft – Belohnung, zu lernen, ist. Obwohl das Bienengehirn kleiner als 1mm² ist und im Vergleich zum dem des Menschen mit ~ 20 x 109 Neuronen nur 8.2 x 105 Neurone besitzt, verfügen Bienen trotzdem über beeindruckende soziale, kognitive und Lernfähigkeiten. Sie praktizieren eine altersabhängige Arbeitsteilung mit Ammen, die im Stock bleiben und Aufgaben wie das Versorgen der Brut übernehmen, und Sammlerinnen, die außerhalb des Stockes Futter und Wasser suchen. Dies fordert die Sammlerinnen zu neuen Aufgaben heraus, zum Beispiel hochentwickelte Navigation, drastischen Änderungen der sensorischen Umwelt, Lernen neuer Assoziationen und die Vermittlung der neuen Informationen an andere Bienen. Diese phänotypische Plastizität geht mit stark strukturellen und funktionell neuronalen Veränderungen im Gehirn und vor allem in den Pilzkörpern – sensorische Integrierungszentren, die an Lernen und Gedächtnisbildung beteiligt sind – einher. Passend dazu liegt ein Schwerpunkt meiner Arbeit darauf, die neuronale Plastizität und die molekularen Mechanismen im Pilzkörper, die mit der Wandlung der Amme hin zur Sammlerin zusammen hängen, zu untersuchen.
Im ersten Teil werden ein endogener und ein interner Faktor, die zum Ammen - Sammlerinnen Übergang und den damit einhergehenden Änderungen im neuronalen Netzwerk beitragen könnten, untersucht: sensorische Input (Licht) und Juvenilhormon (JH). Junge Bienen wurden frühzeitig dem Licht ausgesetzt und anschließend synaptische Komplexe (Mikroglomeruli, MG) in den Pilzkörpern beziehungsweise JH aus der Hämolymphe quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss des Lichts tatsächlich eine plastische Verringerung der MG-Dichte auslöst und massenspektrometrische Messungen eine Zunahme an der JH-Menge in der Hämolymphe zeigen. Interessanterweise führt die Stimulation der jungen Ammen mit Licht zu Änderungen in der MG-Dichte und zu JH-Mengen, die vergleichbar sind mit den Werten bei natürlichen Sammlerinnen sind. Dies weist darauf hin, dass sowohl sensorische Stimuli als auch das Hormonsystem einen Beitrag zu der Vorbereitung der Bienen auf die bevorstehende Verhaltensänderung leisten.
Um eine Verbindung zwischen der JH-Menge und synaptischen Umstrukturierungen in Betracht zu ziehen, habe ich einen Gen-Knockdown eingesetzt, um JH-Signalwege zu manipulieren und dadurch die JH-Menge künstlich zu erhöhen. Obwohl der Knockdown erfolgreich war, zeigen die Ergebnisse keinen direkten Zusammenhang zwischen der JH-Menge und einer synaptischer Umgestaltung.
Um einen möglichen Vermittler von struktureller Plastizität zu finden, habe ich den Fokus im zweiten Teil meiner Arbeit auf die Calcium-Calmodulin-abhängige Protein-Kinase II (CaMKII) gerichtet. CaMKII ist ein Protein, das für seine Rolle sowohl in neuronaler und Verhaltensplastizität als auch in struktureller Plastizität bekannt ist. Daher ist es ein interessanter Kandidat, um molekulare Mechanismen zu untersuchen, die bei der MG-Umstrukturierung in den Pilzkörpern beteiligt sind. In Übereinstimmung mit dem hohen Vorkommen der CaMKII in Lernzentren in Vertebraten (Hippocampus) kommt CaMKII auch in hohem Maß in den Pilzkörpern der Biene vor. In dieser Arbeit habe ich zuerst die Funktion der CaMKII in Lernvorgängen und bei der Gedächtnisbildung untersucht, da bekannt ist, dass CaMKIII mit verstärkten synaptischen Verbindungen, die Langzeitpotenzierung und Gedächtnisbildung auslösen, in Zusammenhang gebracht wird. Der experimentelle Ansatz beinhaltet die Manipulation der CaMKII mit zwei verschiedenen Inhibitoren und einer spezifische siRNA, um einen CaMKII-Knockdown-Phänotyp zu erzeugen. Alle Substanzen wurden über den medialen Ocellartrakt injiziert, um zu gewährleisten, dass sie den Pilzkörper erreichen. Anschließend wurde eine klassische olfaktorische Konditionierung durchgeführt, die ein stabiles Langzeitgedächtnis induziert. Alle Bienen zeigten ein normales Lernverhalten, Kurzzeitgedächtnis und Mittelzeitgedächtnis (eine Stunde Speicherung) waren intakt. Jedoch war in allen Fällen das Langzeitgedächtnis beschädigt (24 und 72 Stunden Speicherung). Diese Ergebnisse legen nahe, dass CaMKII in den Pilzkörpern essentiell für das Auslösen von frühen und späten Formen des Langzeitgedächtnisses der Biene ist. Die neuronalen und molekularen Grundlagen des Langzeitgedächtnis sind der Schlüssel, um höhere Gehirnfunktionen und phänotypische Plastizität zu verstehen. CaMKII könnte ein wichtiger Vermittler sein, um strukturelle und neuronale synaptische Änderungen im Netzwerk des Pilzkörpers auszulösen.
KW  - Biene
KW  - honeybee
KW  - learning and memory
KW  - division of labor
KW  - Lernen
KW  - Molekularbiologie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115527
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weidenmüller, Anja
T1  - From individual behavior to collective structure
T1  - Von individuellem Verhalten zu kollektiven Strukturen
N2  - The social organization of insect colonies has long fascinated naturalists. One of the main features of colony organization is division of labor, whereby each member of the colony specializes in a subset of all tasks required for successful group functioning. The most striking aspect of division of labor is its plasticity: workers switch between tasks in response to external challenges and internal perturbations. The mechanisms underlying flexible division of labor are far from being understood. In order to comprehend how the behavior of individuals gives rise to flexible collective behavior, several questions need to be addressed: We need to know how individuals acquire information about their colony's current demand situation; how they then adjust their behavior according; and which mechanisms integrate dozens or thousands of insect into a higher-order unit. With these questions in mind I have examined two examples of collective and flexible behavior in social bees. First, I addressed the question how a honey bee colony controls its pollen collection. Pollen foraging in honey bees is precisely organized and carefully regulated according to the colony's needs. How this is achieved is unclear. I investigated how foragers acquire information about their colony's pollen need and how they then adjust their behavior. A detailed documentation of pollen foragers in the hive under different pollen need conditions revealed that individual foragers modulate their in-hive working tempo according to the actual pollen need of the colony: Pollen foragers slowed down and stayed in the hive longer when pollen need was low and spent less time in the hive between foraging trips when pollen need of their colony was high. The number of cells inspected before foragers unloaded their pollen load did not change and thus presumably did not serve as cue to pollen need. In contrast, the trophallactic experience of pollen foragers changed with pollen need conditions: trophallactic contacts were shorter when pollen need was high and the number and probability of having short trophallactic contacts increased when pollen need increased. Thus, my results have provided support for the hypothesis that trophallactic experience is one of the various information pathways used by pollen foragers to assess their colony's pollen need. The second example of collective behavior I have examined in this thesis is the control of nest climate in bumble bee colonies, a system differing from pollen collection in honey bees in that information about task need (nest climate parameters) is directly available to all workers. I have shown that an increase in CO2 concentration and temperature level elicits a fanning response whereas an increase in relative humidity does not. The fanning response to temperature and CO2 was graded; the number of fanning bees increased with stimulus intensity. Thus, my study has evidenced flexible colony level control of temperature and CO2. Further, I have shown that the proportion of total work force a colony invests into nest ventilation does not change with colony size. However, the dynamic of the colony response changes: larger colonies show a faster response to perturbations of their colony environment than smaller colonies. Thus, my study has revealed a size-dependent change in the flexible colony behavior underlying homeostasis. I have shown that the colony response to perturbations in nest climate is constituted by workers who differ in responsiveness. Following a brief review of current ideas and models of self-organization and response thresholds in insect colonies, I have presented the first detailed investigation of interindividual variability in the responsiveness of all workers involved in a collective behavior. My study has revealed that bumble bee workers evidence consistent responses to certain stimulus levels and differ in their response thresholds. Some consistently respond to low stimulus intensities, others consistently respond to high stimulus intensities. Workers are stimulus specialists rather than task specialists. Further, I have demonstrated that workers of a colony differ in two other parameters of responsiveness: response probability and fanning activity. Response threshold, response probability and fanning activity are independent parameters of individual behavior. Besides demonstrating and quantifying interindividual variability, my study has provided empirical support for the idea of specialization through reinforcement. Response thresholds of fanning bees decreased over successive trials. I have discussed the importance of interindividual variability for specialization and the collective control of nest climate and present a general discussion of self-organization and selection. This study contributes to our understanding of individual behavior and collective structure in social insects. A fascinating picture of social organization is beginning to emerge. In place of centralized systems of communication and information transmission, insect societies frequently employ mechanisms based upon self-organization. Self-organization promises to be an important and unifying principle in physical, chemical and biological systems.
N2  - Ein besonderes Merkmal sozialer Insekten ist die Arbeitsteilung. Die Mitglieder einer Kolonie führen jeweils unterschiedliche Arbeiten aus und wechseln, je nach Bedarfslage der Kolonie, flexibel zwischen den verschiedenen Tätigkeiten. Die Mechanismen dieser flexiblen Arbeitsteilung sind bislang weitgehend unverstanden. Wie erfahren einzelne Arbeiterinnen welche Tätigkeiten gerade notwendig sind? Nach welchen Regeln ändern sie ihr Verhalten, wenn sich die Anforderungen an die Kolonie ändern? Wie wird das Verhalten vieler Einzelindividuen so koordiniert, daß die Kolonie als Ganzes sinnvoll auf eine sich verändernde Umwelt reagieren kann? In der vorliegenden Arbeit bin ich diesen Fragen an zwei unterschiedlichen Systemen nachgegangen. Im ersten Kapitel dieser Arbeit untersuchte ich die Regulation des Pollensammelns bei Honigbienen. Pollen ist für Honigbienen eine wichtige Proteinquelle zur Aufzucht der Brut. Sowohl die Menge an Brut als auch die bereits im Stock vorhanden Menge an Pollen beeinflußt die Sammelaktivität. Bislang ist unklar, wie die Sammelbienen Information über den Pollenbedarf ihrer Kolonie erhalten und wie sie ihr Verhalten dementsprechend ändern. Meine Versuche zeigten, daß Pollensammlerinnen ihr Arbeitstempo der aktuellen Bedarfslage anpassen: Ist der Pollenbedarf der Kolonie hoch, verbringen sie wenig Zeit im Stock, ist ausreichend Pollen vorhanden, gehen sie ihrer Sammeltätigkeit langsamer nach. Während ihres Aufenthalts im Stock haben die Sammlerinnen eine Vielzahl trophallaktischer Kontakte mit anderen Bienen. Die Anzahl solcher Kontakte änderte sich mit dem Pollenbedarf der Kolonie: Bei hohem Pollenbedarf sind die trophallaktischen Kontakte kürzer und die Anzahl sehr kurzer Kontakte hoch. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, daß Änderungen in der trophallaktischen Erfahrung eine wichtige Informationsquelle über den aktuellen Pollenbedarf einer Kolonie darstellen. Das zweite Beispiel flexibler Arbeitsteilung, welches ich in dieser Arbeit untersucht habe, ist die Regulation des Nestklimas in Hummelkolonien. Dieses System unterscheidet sich von dem oben dargestellten grundlegend, da Information über Änderungen im Bedarf an Arbeitskraft jedem Koloniemitglied zugänglich ist. Jedes Koloniemitglied im Nest kann direkt erfahren wie sich das Nestklima ändert. Ich konnte zeigen, daß Hummelkolonien auf einen Temperaturanstieg und eine Zunahme der Kohlendioxidkonzentration im Nest mit Ventilationsverhalten reagieren. Einzelne Hummeln fächeln dabei mit ihren Flügeln und sorgen so für Evaporationskühlung bzw. eine verstärkte Belüftung des Nestes. Erhöhte Luftfeuchtigkeit löste diese Reaktion nicht aus. Die Anzahl fächelnder Hummeln war abhängig von den Temperatur/CO2 Werten, die Kolonie reagierte fein abgestimmt auf die aktuellen Bedingungen. Unabhängig von ihrer Größe investierten die untersuchten Kolonien einen bestimmten Anteil ihrer Arbeiterinnen in die Ventilation des Nestes. Große Kolonien unterschieden sich jedoch von kleinen Kolonien in ihrer Antwortgeschwindigkeit: Große Kolonien antworten schneller auf einen Temperatur / CO2 Anstieg als kleine. Die flexible und fein abgestimmte Kolonieantwort auf Veränderungen im Nestklima basiert auf dem Verhalten vieler Einzelindividuen. Im dritten Kapitel dieser Arbeit stellte ich aktuelle Ideen und Hypothesen zu Selbstorganisation und dem Einfluß interindividueller Variabilität auf Kolonieverhalten dar. Regulation des Nestklimas in Hummelkolonien ist ein ideales System um interindividuelle Variabilität und ihre Auswirkungen zu untersuchen. Ich konnte zum ersten Mal Unterschiede im Antwortverhalten aller an einem kollektiven Verhalten beteiligten Koloniemitglieder quantifizieren. Neben Unterschieden in Antwortschwellen, die in der Literatur zwar viel diskutiert, aber noch nie schlüssig nachgewiesen wurden, konnte ich zeigen, daß sich Arbeiterinnen einer Kolonie in zwei weiteren Parametern unterscheiden: Die Wahrscheinlichkeit auf einen Stimulus zu reagieren und die Dauer, mit der die Arbeiterinnen das Verhalten ausführen (Aktivität) ist zwischen Individuen unterschiedlich. Diese drei Parameter (Reaktionsschwelle, Antwortwahrscheinlichkeit und Aktivität) sind vermutlich unabhängige Parameter individuellen Verhaltens. Neben diesen interindividuellen Unterschieden konnte ich nachweisen, daß sich die Antwortschwellen verändern, je häufiger eine Hummel fächelt: Arbeiterinnen reagieren von Mal zu Mal auf niedrigere Stimulusintensitäten. Diese Ergebnisse sind für unser Verständnis von Arbeitsteilung und Spezialisierung bei sozialen Insekten von besonderer Bedeutung. In dieser Arbeit habe ich sowohl das Verhalten individueller Arbeiterinnen als auch die daraus resultierende kollektive Antwort der Kolonie untersucht. Es wird zunehmend deutlicher, daß dem faszinierenden Verhalten sozialer Insekten häufig nicht zentrale Informationsverarbeitung sondern Selbstorganisation zugrunde liegt.
KW  - Hummeln
KW  - Soziale Insekten
KW  - Thermoregulation
KW  - Arbeitsteilung
KW  - Bienenstaat
KW  - Pollen
KW  - Sammeln
KW  - Arbeitsteilung
KW  - Pollen
KW  - Nestklima
KW  - Thermoregultion
KW  - CO2
KW  - Antwortschwellen
KW  - Selbstorgansation
KW  - social organization
KW  - division of labor
KW  - pollen foraging
KW  - nest climate
KW  - thermoregulation
KW  - CO2
KW  - response threshold models
KW  - self-organization
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-2448
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