Laura Değirmenci [née Pölloth]

• 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 senseIn 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).…
• 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 denBeim 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.…