Authors:	Stoldt, Marah
Title:	The molecular basis of behavioural and life-history strategies and parasite-host coevolution in ants
Online publication date:	30-Nov-2022
Year of first publication:	2022
Language:	english
Abstract:	In fluktuierenden, aber vorhersehbaren Umgebungen stellt die phänotypische Plastizität eine wichtige Strategie für einen Organismus dar, um sich an diese Schwankungen anzupassen. In Kolonien sozialer Insekten kann Plastizität, insbesondere bei Verhaltensmerkmalen, das Überleben einer Kolonie sicherstellen, wenn sich das soziale Umfeld ändert. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn eine Königin oder ein großer Teil der Arbeiterinnen verloren geht oder wenn eine Kolonie von Parasiten befallen wird. Phänotypische Plastizität kann zwar zur erfolgreichen Abwehr von Parasiten beitragen, sie kann aber auch von Parasiten zu ihrem eigenen Vorteil ausgenutzt werden. In der folgenden Dissertation untersuche ich am Beispiel von Ameisen der Gattung Temnothorax den Einfluss des sozialen Umfelds auf die Genexpression, insbesondere im Gehirn, dem Zentrum der Verhaltenskontrolle. Darüber hinaus nutze ich vergleichende Transkriptomanalysen, um zu klären, ob phänotypische Plastizität eine treibende Kraft in der Evolution des Sozialparasitismus bei Ameisen sein könnte und ob Endoparasiten in der Lage sind, die Genexpression von plastischen, kastenspezifischen Gene zu verändern, um deren Übertragung zu erleichtern. Meine Arbeit zeigt, dass experimentelle Manipulationen des sozialen Umfelds nicht nur das Verhalten, sondern vor allem die Genexpression im Gehirn beeinflussen, und dass die Funktion dieser Gene Aufschluss über andere biologische Merkmale, einschließlich Veränderungen der Immunität, geben kann (Kapitel 1 und 2). Ebenso wirkte sich die Anwesenheit sozialer Parasiten sowohl auf der Populations- als auch auf Kolonieebene spezifisch auf das Transkriptom des Arbeiterinnengehirns aus, was zeigt, dass es den Parasiten nicht vollständig gelingt, ihre Wirte zu täuschen (Kapitel 4 und 5). Als Nächstes untersuchte ich, ob Sozialparasiten und ihre Wirte homologe Gene für dieselben Verhaltensweisen, Kasten, Geschlechter und Entwicklungsstadien Zusammenfassung 2 verwenden, was die Evolution des Sozialparasitismus vermutlich erleichtert hätte (Kapitel 3, 6 und 7). Meine Ergebnisse legen nahe, dass vergleichbaren Phänotypen von Sozialparasiten und ihren Wirten trotz ihrer engen phylogenetischen Verwandtschaft unterschiedliche Gene zugrunde liegen. Schließlich zeige ich in Kapitel 8, dass die verlängerte Lebensdauer von Temnothorax-Ameisen, die mit einer Bandwurmzestode infiziert sind, nicht durch die Expression von Genen mit plastischer Expression zustande kommt, die typischerweise in Königinnen überexprimiert werden. Insgesamt zeigen meine Ergebnisse, dass sich Verhaltensplastizität als Reaktion auf Veränderungen in der sozialen Umwelt direkt in der Genexpression widerspiegelt und dass die hier untersuchten Parasiten jedoch diese Plastizität ihrer Wirte nicht zu nutzen scheinen. In fluctuating but predictable environments, phenotypic plasticity represents an important strategy for an organism to adapt to these fluctuations. In colonies of social insects, plasticity, especially in behavioural traits, can ensure the survival of a colony when the social environment changes. This is the case, for example, when a queen or a large proportion of workers are lost or when a colony is attacked by parasites. However, while phenotypic plasticity can contribute to successfully defending against parasites, it can also be exploited by parasites to their own advantage. In the following thesis by using ants of the genus Temnothorax as models, I investigate the influence of the social environment on gene expression, particularly in the brain, the centre of behavioural control. In addition, I make use of comparative transcriptomics to investigate whether phenotypic plasticity is a driving force in the evolution of social parasitism in ants and whether endoparasites are able to alter gene expression of plastic, caste-specific genes to facilitate transmission. My work demonstrates that experimental manipulations of the social environment affect not only behaviour but, more importantly, gene expression in the brain, and that the function of these genes can provide information about other life-history traits, including changes in immunity (Chapters 1 and 2). Similarly, the presence of social parasites, either at the population or colony level, specifically affected the transcriptomic signature in the worker’s brain, demonstrating that parasites do not completely succeed in deceiving their hosts (Chapters 4 and 5). Next, I investigated whether social parasites and their hosts share homologous genes for the same behaviours, castes, sexes, and developmental stages, which would likely have facilitated the evolution of social parasitism (Chapters 3, 6, and 7). My results suggest that different genes underlie comparable phenotypes of social parasites and their hosts despite their close phylogenetic relationship. Finally, I show in Chapter 8 that the Summary 6 extended lifespan of Temnothorax ants infected with a tapeworm cestode is not realized through the expression of genes with variable expression, typically overexpressed in queens. Overall, my results show that behavioural plasticity in response to changes in the social environment is directly reflected in gene expression and that the parasites studied here, however, do not appear to exploit this plasticity in their hosts.
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-7791
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-b7c78f0f-19e6-448f-9107-53e502d331a97
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-ND
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
Extent:	322 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen