Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-1982
Authors: Beros, Sara
Title: Multidimensional effects of a manipulative helminth in its social host
Online publication date: 13-Jun-2019
Language: english
Abstract: Parasiten haben in Anpassung an ihre ausbeuterische Lebensweise faszinierende Ausbeutungstrategien entwickelt. Um die Übertragung von Wirt zu Wirt sicherzustellen, müssen gewisse Parasiten bestimmte Eigenschaften ihrer Wirte verändern. Beispielsweise werden Zwischenwirte häufig so verändert, dass sie Endwirten leichter zur Beute fallen. Das Phänomen der sogenannten Wirtsmanipulation ist auch in sozialen Insekten, u. a. in Ameisen, zu beobachten. Ameisen kommen weltweit vor und leben in hochkomplexen, sozialen Gemeinschaften, wodurch sie vielen, unterschiedlichen Parasiten optimale Bedingungen zum Überleben und zur Ausbreitung bieten. Dennoch besitzen auch soziale Insekten eine Reihe ausgeklügelter Verteidigungsstrategien, um sich und ihre Nestmitglieder zu schützen. Diese Dissertation behandelt und fasst die phänotypischen Veränderungen zusammen, die in der Ameise Temnothorax nylanderi durch einen manipulativen Bandwurm ausgelöst werden. Der Bandwurm Anomotaenia brevis nutzt die Ameise als Zwischenwirt, kann sich aber nur in Vögeln sexuell fortpflanzen. Untersucht wurde wie sich das Verhalten, physiologische Eigenschaften, das Transkriptom, sowie der Lebenszyklus ändern. Neben infizierten Ameisen, sind die gleichen Aspekte auch in uninfizierten Nest- und Artgenossinnen untersucht wurden, um einen besseren Einblick über die indirekten Auswirkungen von Parasiten in sozialen Gruppen zu bekommen. Meine Untersuchungen zeigen, dass infizierte Ameisen verstärkt inaktiv und in ihrem Fluchtverhalten beeinträchtigt sind, was sie zu einer leichten Beute für insektenfressende Vögel machen könnte (Kapitel 1 & 4). Die Infektion ist mit der Runterregulierung mehrerer Muskelgene assoziiert, wobei eine deutliche Muskelatrophie auf phänotypischer Ebene zu beobachten ist. Ebenfalls sind Gene, die mit Langlebigkeit in Zusammenhang gebracht werden, unterschiedlich exprimiert (Kapitel 3). Infizierte Arbeiterinnen werden nicht von ihren Nestgenossinnen verstoßen oder isoliert, sondern erhalten die beste Versorgung in der sozialen Gemeinschaft. Letzteres und die veränderte Expression potentieller Langlebigkeitsgene könnten die außergewöhnlich lange Lebensdauer von infizierten Arbeiterinnen erklären (Kapitel 1 & 5). Obwohl infizierte Ameisen sehr wahrscheinlich die ältesten Arbeiterinnen im Nest darstellen, zeigen sie auf physiologischer Ebene eine hohe Ähnlichkeit zu jungen Brutpflegerinnen: beide sind korpulent und fertil, haben einen ähnlichen Metabolismus und ähnliche chemische Erkennungsprofile (Kapitel 2; 4 & 5). Während infizierte Arbeiterinnen vom sozialen Engagement ihrer Schwestern scheinbar profitieren, haben letztere ein stark verkürztes Überleben (Kapitel 1 & 5). Zudem sind gesunde Nestgenossinen gegenüber Eindringlingen weniger aggressiv, was darauf hindeutet, dass parasitierte Kolonien in ihrer Verteidigung geschwächt sind (Kapitel 1). Diese Arbeit deckt auf, dass der Bandwurm A. brevis das Verhaltensrepertoire seiner Wirtsameise reduziert und die Lebensdauer verlängert. Da das Überleben des Parasiten und dessen Übertragung zum Endwirt unweigerlich vom Überleben und Verhalten des Zwischenwirts, also der Ameise, abhängt, könnten einige Veränderungen adaptiv für den Parasiten sein. Zukünftige Studien sollten nun den kausalen Beweis liefern, dass der Parasit einen direkten Einfluss auf den Phänotypen der Ameise nimmt. Vorläufige Ergebnisse einer proteomischen Untersuchung zeigen, dass eine Vielzahl an parasitischen Proteinen in der Hämolymphe der Wirtsameise zirkulieren, und sehr wahrscheinlich am Manipulationsprozess beteiligt sind.
Parasites have evolved fascinating exploitation strategies. Host manipulation refers to the ability of parasites to alter their host’s phenotypes to their own advantage and is a widespread phenomenon of ecological and evolutionary importance. The success of trophically-transmitted parasites, which sequentially exploit multiple host species, largely depends on their ability to turn their hosts into easy prey. Parasites of social species exploit two hosts – the host organism which they directly infect, and the group to which the infected individual belongs. Social insects, in particular ants, are favourable hosts for various parasites including those capable of manipulation. While the insect’s social lifestyle and high abundance offers parasites the possibility to establish and spread among group members, parasites also face a plethora of sophisticated defence strategies. In this dissertation, I investigated the parasite-induced alterations on the individual and colony-level focussing on ants of Temnothorax nylanderi. Workers of this species are parasitically exploited as intermediate hosts by the trophically-transmitted tapeworm Anomotaenia brevis. I studied behavioural, physiological, life-history and transcriptomic changes in tapeworm-infected ant workers and their nestmates. In detail, I found that tapeworm-infected ants are mainly inactive and impaired in their anti-predatory response (Chapter 1 & 4). Several muscle genes are downregulated upon infection and tapeworm-infected workers indeed suffer from muscle atrophy. Besides, multiple genes linked to longevity are differently expressed in tapeworm-infected workers (Chapter 3). Tapeworm-infected workers are tolerated by their nestmates and receive even more social care than the queen (Chapter 1 & 5). Intensive care combined with differently expression of longevity genes presumably enables tapeworm-infected workers to extend their lifespan (Chapter 1 & 5). In fact, I show that tapeworm-infected workers can live up to the old age of queens, which can live in this species up to two decades (Chapter 5). Surprisingly, old, tapeworm-infected workers resemble young nurses in many physiological aspects. Both are corpulent and fertile, and have similar metabolic rates and chemical profiles (Chapter 2; 4 & 5). While the increased social investment primarily benefits the infected individual, it comes at the cost to the colony. Uninfected nestmates invest a lot of time and energy into the well-being of their sick sisters, but live shorter lives than conspecifics from unparasitized colonies and are less aggressive towards enemies, which could potentially harm the entire group as their defence behaviours are reduced (Chapter 1 & 5). In conclusion, I demonstrate that the tapeworm A. brevis reduces the behavioural repertoire of its individual host ant and increases its lifespan. I propose that these alterations possibly contribute to the tapeworm’s survival and facilitate its transmission to definitive hosts, by taking advantage of the social lifestyle of its ant host. Future studies have to provide causative evidence that directly links the parasite to the observed changes. First indications suggest that A. brevis secretes proteins into its host haemolymph, of which one or more substances could be involved in the manipulation process.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1982
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000028154
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 131 Seiten
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