Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3842
Authors: Alleman, Austin
Title: Genetic basis of behavior in Temnothorax ants
Online publication date: 3-Dec-2018
Language: english
Abstract: The transition to parasitism is a drastic lifestyle shift, characterized by rapid changes in gene structure, function, and expression. Combined with the co-evolutionary arms races common to parasite-host systems, recently-evolved or evolutionarily-'young' parasitic species represent an ideal system for elucidating the molecular underpinnings of parasite- and host-specific behavioral phenotypes. The repeated evolution of social parasitism and slavery among Temnothorax ants allows us to examine the molecular patterns characterizing the raiding phenotypes of slavemaking species within this taxon, as well as reciprocal host defensive phenotypes against their slavemakers. Previous studies of Temnothorax provide behavioral and chemical evidence for reciprocal adaptations between parasite and host, as well as diverging raiding strategies between slavemakers. Utilizing transcriptomics, gene expression, and selection analyses, we reveal that the slavemaker raiding phenotype and host response to these attacks are characterized largely by species-specific molecular patterns. Moreover, only a small number of genes share expression or selection patterns between slavemaking species. A number of candidate genes for slavemaker raiding behavior were identified, including Tyrpsin-7, Trypsin Inhibitor, and painless. Experimental down-regulation of Trypsin Inhibitor via RNAi resulted in an altered slave raiding pattern, shedding some light onto the role that single genes can play within complex behavioral phenotypes. Finally, an additional transcriptomic experiment investigated the molecular similarity between the externally-analogous slavemaker raiding recruitment and host tandem-running behavior of Temnothorax ants. We detected a number of genes differentially expressed in the brains of scouting and tandem-running individuals that are known to be involved in learning and memory formation in other insects. As such, our findings here reinforce previous conclusions: that molecular-specificity underlies externally similar behaviors. Taken together, the findings presented here suggest that Temnothorax slavemakers and hosts are on species-specific rather than convergent evolutionary trajectories, and that the evolution of social parasitism even among closely-related species may be reached in diverse ways.
Der Übergang zu einer parasitären Überlebensstrategie stellt eine drastische Veränderung der Lebensbedingungen dar und wird von Änderungen in der Struktur, Funktion und Expression von Genen in kürzester Zeit begleitet. In Kombination mit dem koevolutionären Wettrüsten, welches gewöhnlich zwischen Parasit und Wirt stattfindet, stellen - aus evolutionärer Perspektive - relativ junge Wirt-Parasit-Systeme ein hervorragendes Modell dar, um die oft komplexen molekularen Grundlagen von spezifischen Verhaltensphänotypen der Parasiten und Wirte zu verstehen. In Ameisenspezies des Genus Temnothorax ist sozialer Parasitismus mehrfach entstanden, was eine ideale Situation darstellt, um die molekularen Muster der Raubzug-Phänotypen der sklavenhaltenden Spezies sowie die Verteidigungsmuster der jeweiligen Wirte in dieser Speziesgruppe zu untersuchen. Bisherige Studien zu Temnothorax konnten zeigen, dass es wechselseitige chemische- und Verhaltensanpassungen in sowohl Parasiten als auch Wirten in diesem System gibt, sowie deutliche Unteschiede in den Raubzugstrategien der Sklavenhalter. Unter Verwendung von Transkriptoms-, Genexpressions- und Selektionsanalysen präsentieren wir hier Belege für Spezies-spezifische molukulare Muster als Grundlage für die verschiedenen Raubzug-Phänotypen der Sklavenhalter und Verteidigungsstrategien der Wirte. Dementsprechend finden sich nur wenige Gene, deren Expressions- und Selektionsmuster in den sklavenhaltenden Spezies identisch sind. Wir konnten mehrere Kandidatengene, die für das Raubzugverhalten mitverantwortlich sind, identifizieren; unter anderem Tyrpsin-7, Trypsin Inhibitor, und painless. Experimentelles Herunterregulieren des Trypsin Inhbitor Gens mittels RNAi brauchte ein verändertes Raubzugverhalten hervor, was auf Schlüsselrollen einzelner Gene in komplexen Verhaltensphänotypen hinweist. Eine weitere Transkriptomanalyse untersuchte mögliche Analogien in den molekularen Grundlagen für ähnliche Verhaltensmuster in Sklavenhaltern und Wirten, nämlich des Rekrutierens von Mitgliedern eines Raubzugs durch Skalvenhalter-Kundschafter, und dem Tandemlauf zu möglichen Neststätten oder Nahrungsquellen in den Wirten. Diese Untersuchungen weisen in jeder Spezies unterschiedliche, differenziell expremierte Gene im Gehirn von Raubzug-Kundschaftern und Wirt-Tandemläufern auf, welche in vergangen Stuiden mit Lernen und Gedächtnisbildung in Verbindung gebracht wurden. Diese Ergebnisse sind im Einklang unserer vorherigen Schlussfolgerungen, dass oberflächlich ähnlichen Verhaltensmustern unterschiedliche und Spezies-spezifische molekulare Muster zu Grunde liegen können. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen zusammenfassend, dass Sklavenhalter und Wirte im Genus Temnothorax nicht auf konvergenten, sondern Spezies-spezifischen Evolutionspfaden sind, und dass die Evolution von sozialem Parastismus auch in eng verwandten Spezies auf unabhängige und unterschiedliche Weise erfolgen kann.
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-3842
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000024073
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 141 Seiten
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