Evolution of colony characteristics in the harvester ant genus Pogonomyrmex

Evolution von Kolonie-Charakteristika in der Ernteameisen-Gattung Pogonomyrmex

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-14324
  • The genus Pogonomyrmex is predisposed for analyzing the evolution of ant colony characteristics in general and the sociogenetic structure in particular, due to the renowned biology of several species and the diversity of mating frequency and queen number. This variation in the sociogenetic structure of colonies produces a high variance in intracolonial relatedness which can be a major component driving the evolution of various colony characteristics. To exactly determine the variability of the intracolonial relatedness in the genus PogonomyrmexThe genus Pogonomyrmex is predisposed for analyzing the evolution of ant colony characteristics in general and the sociogenetic structure in particular, due to the renowned biology of several species and the diversity of mating frequency and queen number. This variation in the sociogenetic structure of colonies produces a high variance in intracolonial relatedness which can be a major component driving the evolution of various colony characteristics. To exactly determine the variability of the intracolonial relatedness in the genus Pogonomyrmex both were analyzed, the number of matrilines and patrilines, in selected members of Pogonomyrmex, namely P. (sensu stricto) rugosus, P. (sensu stricto) badius and P. (Ephebomyrmex) pima using DNA fingerprint techniques. The evolution of these colony characteristics were tried to be explained within a phylogenetic framework. For that purpose we constructed a gene-tree of 39 species of the genus Pogonomyrmex. The taxon sampling covered about 83 % of the North American species and 43 % of the South American species. Effective multiple mating of queens was confirmed for P. rugosus (me=4.1) and P. badius (me=6.7). Additionally, both species are monogynous. These results corroborate behavioral observations of multiple mating for these species. Multiple mating is now known from 9 Pogonomyrmex species (behavioral evidence for 3 species – genetic evidence for 6 species). However, in P. (E.) pima all queens that were analyzed were single mated (me=1.0). Therefore, multiple mating may have either evolved early during the evolution of the genus Pogonomyrmex and has subsequently been lost in the subgenus Ephebomyrmex (plesiomorphic hypothesis), or it has first been evolved in the subgenus Pogonomyrmex sensu stricto (apomorphic hypothesis). In P. huachucanus, a species basal to the North- American sensu stricto complex, smaller effective mating number of queens compared to its sensu stricto relatives (J. Gadau and C.-P. Strehl, unpublished) probably do mirror a change from monandry to polyandry during the evolution of more advanced sensu stricto species, which would support the apomorphic hypothesis. The intracolonial relatedness in P. (E.) pima is however rather low. This is probably the result of multiple reproducing queens (polygyny). Polygyny is also documented for at least four other species of the subgenus Ephebomyrex, but so far P. (E.) pima is the only species with genetic evidence. It might be that there was an evolutionary trade-off within the subgenus Ephebomyrmex between polyandry and polygyny. Therefore, both subgenera retained a high intracolonial genetic diversity. This high genetic diversity might be one cause for the success and radiation of the genus Pogonomyrmex in arid environments. Evolution might have favored high genetic diversity of Pogonomyrmex colonies, because it helps colonies to improve their colonial organization and efficiency in performing external tasks. At least in P. badius a link between patrilines and physical polyethism was found, indicative of an improvement of colonial organization via polyandry. Furthermore, the documented extreme levels of polyandry might help P. badius females to overcome the possibility of inbreeding due to restricted dispersal. Restricted dispersal is also found in P. (E.) pima due to wingless, intermorphic queens. However, in P. (E.) pima inbreeding is probably prevented by outcrossing via males because no significant inbreeding is found. In the presented gene trees the subgenus Pogonomyrmex Ephebomyrmex was separated from the subgenus Pogonomyrmex sensu stricto. Therefore, P. Ephebomyrmex might be elevated to generic status, also due to its distinct morphological and life history characters. Nevertheless, for a precise taxonomic revision a broader complement of species has to be applied. Regularly a low number of unrelated workers was found in P. rugosus colonies, which probably stem from brood raids between mature and founding colonies. It is well known that most founding colonies are destroyed by neighboring conspecific mature colonies, but so far it was assumed that the brood of these colonies was also destroyed. This often neglected aspect might be an important fitness token for mature colonies.show moreshow less
  • Die Gattung Pogonomyrmex ist besonders gut geeignet, um die Evolution der Charakteristika von Ameisenkolonien allgemein zu untersuchen, und insbesondere deren soziogenetische Struktur, da die Biologie für einige ihrer Arten sehr gut bekannt ist, und eine Diversität an Paarungshäufigkeiten und Könniginnenzahlen vorkommt. Diese Variation in der soziogenetischen Struktur der Kolonien erzeugt eine hohe Varianz an Verwandschaftsgraden innerhalb von Kolonien, und kann eine Hauptkomponente darstellen, welche die Evolution verschiedensterDie Gattung Pogonomyrmex ist besonders gut geeignet, um die Evolution der Charakteristika von Ameisenkolonien allgemein zu untersuchen, und insbesondere deren soziogenetische Struktur, da die Biologie für einige ihrer Arten sehr gut bekannt ist, und eine Diversität an Paarungshäufigkeiten und Könniginnenzahlen vorkommt. Diese Variation in der soziogenetischen Struktur der Kolonien erzeugt eine hohe Varianz an Verwandschaftsgraden innerhalb von Kolonien, und kann eine Hauptkomponente darstellen, welche die Evolution verschiedenster Koloniecharakteristika vorantreibt. Um die Variabilität intrakolonialer Verwandschaftsgrade innerhalb der Gattung Pogonomyrmex genau zu bestimmen, wurde für ausgewählte Mitglieder der Gattung, nämlich für P. (sensu stricto) rugosus, P. (sensu stricto) badius and P. (Ephebomyrmex) pima, mit Hilfe der Technik des DNA-Fingerabdruckes die Anzahl an Matrilinien und Patrilinien bestimmt. Es wurde versucht die Evolution dieser Koloniecharakteristika vor dem Hintergrund einer Phylogenie zu erklären. Zu diesem Zweck wurde ein Gen-Stammbaum für 39 Arten der Gattung Pogonomyrmex erstellt. Die Artabdeckung betrug 83% bei den Nord-Amerikanischen, und 43% bei den Süd-Amerikanischen Arten. Effektive Mehrfachpaarung von Königinnen wurde für P. rugosus (me=4.1) und P. badius (me=6.7) bestätigt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass beide Arten monogyn sind. Diese Ergebnisse bestätigen Verhaltensbeobachtungen von Mehrfachpaarungen in diesen Arten. Mittlerweile ist Mehrfachpaarung in 9 Pogonomyrmex Arten bekannt (bei 3 Arten durch Verhaltensbeobachtungen – bei 6 Arten durch genetischen Nachweis). In P. (E.) pima hingegen waren alle der untersuchten Königinnen einfach gepaart (me=1.0). Daher könnte es sein, dass Mehrfachpaarung entweder früh in der Evolution der Gattung Pogonomyrmex entstand und nachträglich in der Untergattung Ephebomyrmex verloren wurde (Plesiomorphie-Hypothese), oder sie entstand zum ersten mal in der Untergattung Pogonomyrmex sensu stricto (Apomorphie-Hypothese). In P. huachucanus, einer Art, die basal zu dem Nord-Amerikanischen sensu stricto Komplex ist, könnten die im Vergleich zu ihren sensu stricto Verwandten geringeren effektiven Paarungshäufigkeiten der Königinnen (J. Gadau and C.-P. Strehl, unveröffentlicht) einen Wechsel von Monandrie zu Polyandrie im Verlauf der Entstehung der fortschrittlicheren sensu stricto Arten widerspiegeln, was die Apomorphie-Hypothese unterstützen würde. Die intrakolonialen Verwandtschaftsgrade sind dennoch in P. (E.) pima niedrig. Dies ist möglicherweise auf mehrere reproduktive Königinnen (Polygynie) zurückzuführen. Polygynie ist ebenfalls dokumentiert für mindestens vier weitere Arten der Untergattung Ephebomyrmex, mit genetischer Evidenz allerdings bisher nur für P. (E.) pima. Es könnte sein, dass es einen evolutionären Ausgleich (trade-off) zwischen Polyandrie und Polygynie innerhalb der Untergattung Ephebomyrmex gab, und daher beide Untergattungen eine hohe genetische Vielfalt innerhalb der Kolonien behielten. Diese hohe genetische Vielfalt könnte einer der Gründe sein für den Erfolg und die Radiation der Gattung Pogonomyrmex in Trockengebieten. Evolution könnte eine hohe genetische Vielfalt von Pogonomyrmex Kolonien begünstigt haben, da sie den Kolonien hilft die Organisation der Kolonie und die Effizienz mit der externe Aufgaben ausgeführt werden zu verbessern. Wenigstens in P. badius konnte eine Verknüpfung zwischen Patrilinien und physischem Polyethismus gefunden werden, was auf eine Verbesserung der Kolonieorganisation mit Hilfe von Polyandrie hindeutet. Darüber hinaus könnten die dargelegten extremen Polyandrie- Werte den P. badius-Weibchen helfen die Möglichkeit der Inzucht aufgrund eingeschränkter Ausbreitung zu bewältigen. Eine eingeschränkte Ausbreitung wird auch in P. (E.) pima durch flügellose, intermorphe Königinnen beobachtet. Jedoch wird bei P. (E.) pima die Inzucht durch Auskreuzen mittels Männchen möglicherweise verhindert, da keine signifikante Inzucht gefunden wurde. In den vorliegenden Gen-Stammbäumen war die Untergattung Pogonomyrmex Ephebomyrmex von der Untergattung Pogonomyrmex sensu stricto getrennt. Daher könnte es sein, dass P. Ephebomyrmex in den Status einer Gattung erhoben wird, auch aufgrund distinkter morphologischer und lebensgeschichtlicher Charaktere. Für eine präzise taxonomische Revision müsste allerdings eine breite Ergänzung an Arten vorgenommen werden. Es wurde in P. rugosus Kolonien normalerweise eine geringe Anzahl von unverwandten Arbeiterinnen vorgefunden, die möglicherweise aus Brutraub ausgewachsener Kolonien auf Gündungs-Kolonien stammen. Es ist allseits bekannt, dass die meisten Gründungskolonien von benachbarten, ausgewachsenen Kolonien der eigenen Art zerstört werden, aber es wurde bisher angenommen, dass die Brut dieser Kolonien ebenfalls zerstört wurde. Dieser oft vernachlässigte Aspekt könnte einen wichtigen Stärke-Bonus für ausgewachsene Kolonien darstellen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Christoph-Peter Strehl
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-14324
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2005/07/15
Language:English
Year of Completion:2005
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Koloniebildung; Phylogenie; Pogonomyrmex
Tag:Ephebomyrmex pima; Mehrfachpaarung; Phylogenie; Pogonomyrmex badius; Pogonomyrmex rugosus
Ephebomyrmex pima; Pogonomyrmex badius; Pogonomyrmex rugosus; phylogeny; polyandry
Release Date:2005/07/19
Advisor:PD Dr. Juergen Gadau