University, Diss., 2006--Würzburg.

Würzburg, Univ., Diss., 2008. / Zsfassung in dt. Sprache.

A hitherto unresolved problem is how workers are prevented from reproducing in large insect societies. The queen informs about her fertility and health which ensures sufficient indirect fitness benefits for workers. In the ant Camponotus floridanus, I found such a signal located on eggs of highly fertile queens. Groups of workers were regularly provided with different sets of brood. Only in groups with queen eggs workers refrain from reproducing. Thus, the eggs seem to inform the workers about queen presence. The signal on queen eggs is presumably the same that enables workers to distinguish between queen and worker-laid eggs, latter are destroyed by workers. Queen and worker-laid eggs differ in their surface hydrocarbons in a similar way as fertile queens differ from workers in the composition of their cuticular hydrocarbons. When I transferred hydrocarbons from the queen cuticle to worker eggs the eggs were no longer destroyed, indicating that they now carry the signal. These hydrocarbons thus represent a queen signal that regulates worker reproduction in this species. But the signal is not present in all fertile queens. Founding queens with low egg-laying rates differ in the composition of cuticular hydrocarbons from queens with high productivity. Similar differences in the composition of surface hydrocarbons were present on their eggs. The queen signal develops along with an increasing fertility and age of the queen, and this is perceived by the workers. Eggs from founding queens were destroyed like worker eggs. This result shows that founding queens lack the appropriate signal. In these little colony foundations chemical communication of queen status may not be necessary to prevent workers from reproducing, since workers may benefit more from investing in colony growth and increased productivity of large colonies rather than from producing male eggs in incipient colonies. If the queen is missing or the productivity of the queen decreases, workers start laying eggs. There is some evidence from correlative studies that, under queenless conditions, worker police each other because of differences in individual odors as a sign of social status. It can be expressed as either aggressive inhibition of ovarian activity, workers with developed ovaries are attacked by nest-mates, or destruction by worker-laid eggs. I found that in C. floridanus workers, in contrast to known studies, police only by egg eating since they are able to discriminate queen- and worker-laid eggs. Workers with developed ovaries will never attacked by nest-mates. This is further supported by qualitative and quantitative differences in the cuticular hydrocarbon profile of queens and workers, whereas profiles of workers with and without developed ovaries show a high similarity. I conclude that workers discriminate worker eggs on the basis of their hydrocarbon profile, but they are not able to recognize egg-laying nest-mates. Improving our knowledge of the proximate mechanisms of the reproductive division of labor in evolutionary derived species like C. floridanus will help to understand the evolution of extreme reproductive altruism involving sterility as a characteristic feature of advanced eusocial systems. / Es ist eine bisher ungelöste Frage, wie Arbeiterinnen in großen Insektenkolonien von der Reproduktion abgehalten werden. Arbeiterinnen würden einen erheblichen Fitnessvorteil erlangen, falls die Königin über ihre Fertilität und ihren Gesundheitszustand informiert. Bei der Ameise Camponotus floridanus konnte auf den Eiern hochfertiler Königinnen so ein Signal gefunden werden. Gruppen von Arbeiterinnen wurden regelmäßig mit verschiedenen Brutansätzen versorgt. Aber nur in Gruppen, welche Eier der Königin erhielten, wurden die Arbeiterinnen von der Reproduktion abgehalten. Die Eier informieren demnach über die Anwesenheit der Königin. Das Signal der Königineier ermöglicht Arbeiterinnen offensichtlich auch zwischen Eiern von Königin und Arbeiterinnen zu unterscheiden, wobei letztere zerstört werden. Königin- und Arbeiterinneneier unterscheiden sich in ihren Oberflächenkohlenwasserstoffen auf ähnliche Weise wie sich die kutikulären Kohlenwasserstoffprofile von fertilen Königinnen und Arbeiterinnen unterscheiden. Wurden Kohlenwasserstoffe von der Kutikula der Königin auf Eier von Arbeiterinnen übertragen, schützten sie diese vor der Zerstörung. Dies zeigt, dass die Eier das Signal transportieren. Die Kohlenwasserstoffe stellen ein Königinsignal dar, welches die Reproduktion der Arbeiterinnen bei C. floridanus regelt. Allerdings kommt das Signal nicht bei allen fertilen Königinnen vor. Gründungsköniginnen mit einer geringen Eiablagerate unterscheiden sich in der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe von Königinnen mit einer höheren Produktivität. Ähnliche Unterschiede in der Zusammensetzung der Oberflächenkohlenwasserstoffe finden sich ebenfalls auf den jeweiligen Eiern. Das Königinsignal gewinnt an Stärke mit zunehmender Fertilität und Alter der Königin, was von den Arbeiterinnen erkannt wird. Eier von Gründungsköniginnen werden wie die Eier von Arbeiterinnen zerstört. Das Ergebnis zeigt, dass Gründungsköniginnen das betreffende Signal nicht besitzen. Um Arbeiterinnen von der Reproduktion abzuhalten, scheint es in kleinen Gründungskolonien nicht notwendig über den Zustand der Königin zu informieren. Arbeiterinnen in diesen Kolonien profitieren mehr von der Investition in das Koloniewachstum als von der Produktion von Männchen. Fehlt die Königin oder nimmt ihre Produktivität ab, dann beginnen Arbeiterinnen mit der Eiablage. Es gibt Belege aus anderen Studien, dass unter königinlosen Bedingungen Arbeiterinnen sich gegenseitig von der erfolgreichen Reproduktion abhalten (worker policing). Dabei orientieren sie sich am individuellen Geruch der Tiere je nach sozialem Status. Die Inhibierung der Ovarienaktivität erfolgt über Aggression, indem fertile Arbeiterinnen von ihren Nestgenossinnen attackiert werden, oder über die Zerstörung von Eiern. Arbeiterinnen von C. floridanus policen, im Gegensatz zu den bekannten Studien, nur durch Eifrass, da sie in der Lage sind Eier von Königin und Arbeiterinnen zu unterscheiden. Fertile Arbeiterinnen werden dagegen nie von Nestgenossinnen angegriffen. Dies wird unterstützt durch qualitative und quantitative Unterschiede im kutikulären Kohlenwasserstoffprofil zwischen Königin und Arbeiterinnen, während sich das Profil fertiler und infertiler Arbeiterinnen dagegen nicht unterscheidet. Arbeiterinnen nutzen demnach das Kohlenwasserstoffprofil um Eier zu unterscheiden, sind aber nicht in der Lage fertile Nestgenossinnen zu erkennen. Die Aufklärung der Regulationsmechanismen der reproduktiven Arbeitsteilung bei stark abgeleiteten Arten wie C. floridanus liefert einen Beitrag zum Verständnis, wieso es im Laufe der Evolution zur reproduktiven Degeneration von Arbeiterinnen gekommen ist, einem Charakteristikum hoch entwickelter eusozialer Systeme.

The evolutionary success of insects is believed to be at least partially facilitated by symbioses between insects and prokaryotes. Bacterial endosymbionts confer various fitness advantages to their hosts, for example by providing nutrients lacking from the insects’ diet thereby enabling the inhabitation of new ecological niches. The Florida carpenter ant Camponotus floridanus harbours endosymbiotic bacteria of the genus Blochmannia. These primary endosymbionts mainly reside in the cytoplasm of bacteriocytes, specialised cells interspersed into the midgut tissue, but they were also found in oocytes which allows their vertical transmission. The social lifestyle of C. floridanus may facilitate the rapid spread of infections amongst genetically closely related animals living in huge colonies. Therefore, the ants require an immune system to efficiently combat infections while maintaining a “chronic” infection with their endosymbionts. In order to investigate the immune repertoire of the ants, the Illumina sequencing method was used. The previously published genome sequence of C. floridanus was functionally re-annotated and 0.53% of C. floridanus proteins were assigned to the gene ontology (GO) term subcategory “immune system process”. Based on homology analyses, genes encoding 510 proteins with possible immune function were identified. These genes are involved in microbial recognition and immune signalling pathways but also in cellular defence mechanisms, such as phagocytosis and melanisation. The components of the major signalling pathways appear to be highly conserved and the analysis revealed an overall broad immune repertoire of the ants though the number of identified genes encoding pattern recognition receptors (PRRs) and antimicrobial peptides (AMPs) is comparatively low. Besides three genes coding for homologs of thioester-containing proteins (TEPs), which have been shown to act as opsonins promoting phagocytosis in other insects, six genes encoding the AMPs defesin-1 and defensin-2, hymenoptaecin, two tachystatin-like peptides and one crustin-like peptide are present in the ant genome. Although the low number of known AMPs in comparison to 13 AMPs in the honey bee Apis mellifera and 46 AMPs in the wasp Nasonia vitripennis may indicate a less potent immune system, measures summarised as external or social immunity may enhance the immune repertoire of C. floridanus, as it was discussed for other social insects. Also, the hymenoptaecin multipeptide precursor protein may be processed to yield seven possibly bioactive peptides. In this work, two hymenoptaecin derived peptides were heterologously expressed and purified. The preliminary antimicrobial activity assays indicate varying bacteriostatic effects of different hymenoptaecin derived peptides against Escherichia coli D31 and Staphylococcus aureus which suggests a functional amplification of the immune response further increasing the antimicrobial potency of the ants. Furthermore, 257 genes were differentially expressed upon immune challenge of C. floridanus and most of the immune genes showing differential expression are involved in recognition of microbes or encode immune effectors rather than signalling components. Additionally, genes coding for proteins involved in storage and metabolism were downregulated upon immune challenge suggesting a trade-off between two energy-intensive processes in order to enhance effectiveness of the immune response. The analysis of gene expression via qRT-PCR was used for validation of the transcriptome data and revealed stage-specific immune gene regulation. Though the same tendencies of regulation were observed in larvae and adults, expression of several immune-related genes was generally more strongly induced in larvae. Immune gene expression levels depending on the developmental stage of C. floridanus are in agreement with observations in other insects and might suggest that animals from different stages revert to individual combinations of external and internal immunity upon infection. The haemolymph proteome of immune-challenged ants further established the immune-relevance of several proteins involved in classical immune signalling pathways, e.g. PRRs, extracellularly active proteases of the Toll signalling pathway and effector molecules such as AMPs, lysozymes and TEPs. Additionally, non-canonical proteins with putative immune function were enriched in immune-challenged haemolymph, e.g. Vitellogenins, NPC2-like proteins and Hemocytin. As known from previous studies, septic wounding also leads to the upregulation of genes involved in stress responses. In the haemolymph, proteins implicated in protein stabilisation and in the protection against oxidative stress and insecticides were enriched upon immune challenge. In order to identify additional putative immune effectors, haemolymph peptide samples from immune-challenged larvae and adults were analysed. The analysis in this work focussed on the identification of putative peptides produced via the secretory pathway as previously described for neuropeptides of C. floridanus. 567 regulated peptides derived from 39 proteins were identified in the larval haemolymph, whereas 342 regulated peptides derived from 13 proteins were found in the adult haemolymph. Most of the peptides are derived from hymenoptaecin or from putative uncharacterised proteins. One haemolymph peptide of immune-challenged larvae comprises the complete amino acid sequence of a predicted peptide derived from a Vitellogenin. Though the identified peptide lacks similarities to any known immune-related peptide, it is a suitable candidate for further functional analysis. To establish a stable infection with the endosymbionts, the bacteria have to be transmitted to the next generation of the ants. The vertical transmission of B. floridanus is guaranteed by bacterial infestation of oocytes. This work presents the first comprehensive and detailed description of the localisation of the bacterial endosymbionts in C. floridanus ovaries during oogenesis. Whereas the most apical part of the germarium, which contains the germ-line stem cells, is not infected by the bacteria, small somatic cells in the outer layers of each ovariole were found to be infected in the lower germarium. Only with the beginning of cystocyte differentiation, endosymbionts are exclusively transported from follicle cells into the growing oocytes, while nurse cells were never infected with B. floridanus. This infestation of the oocytes by bacteria very likely involves exocytosis-endocytosis processes between follicle cells and the oocytes. A previous study suggested a down-modulation of the immune response in the midgut tissue which may promote endosymbiont tolerance. Therefore, the expression of several potentially relevant immune genes was analysed in the ovarial tissue by qRT-PCR. The relatively low expression of genes involved in Toll and IMD signalling, and the high expression of genes encoding negative immune regulators, such as PGRP-LB, PGRP-SC2, and tollip, strongly suggest that a down-modulation of the immune response may also facilitate endosymbiont tolerance in the ovaries and thereby contribute to their vertical transmission. Overall, the present thesis improves the knowledge about the immune repertoire of C. floridanus and provides new candidates for further functional analyses. Moreover, the involvement of the host immune system in maintaining a “chronic” infection with symbiotic bacteria was confirmed and extended to the ovaries. / Der evolutionäre Erfolg von Insekten wird zumindest teilweise Symbiosen zwischen Insekten und Prokaryonten zugeschrieben. Dabei übertragen bakterielle Symbionten verschiedenste Fitnessvorteile an ihre Wirte. Beispielsweise ermöglicht die Bereitstellung von Nährstoffen, welche in der Nahrung des Insekts fehlen, die Erschließung neuer ökologischer Nischen. Die Florida Rossameise Camponotus floridanus trägt endosymbiontische Bakterien der Gattung Blochmannia. Diese primären Endosymbionten kommen hauptsächlich im Zytoplasma von spezialisierten Zellen des Mitteldarms, den sogenannten Bakteriozyten, vor. Blochmannien wurden aber auch in Oozyten und Eiern gefunden, was ihre vertikale Übertragung an Individuen der nächsten Generation ermöglicht. Als soziale Insekten leben C. floridanus in großen Kolonien von nah verwandten Individuen. Ihre Lebensweise begünstigt möglicherweise die schnelle Ausbreitung von Infektionen, weshalb erwartet werden müsste, dass die Ameisen ein effizientes Immunsystem besitzen. Gleichzeitig muss jedoch die „chronische“ Infektion mit den bakteriellen Symbionten aufrechterhalten werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das Immunrepertoire der Ameisen mittels Illumina Sequenzierung charakterisiert. Zunächst wurde das vor kurzem publizierte Genom von C. floridanus funktionell re-annotiert. Dabei wurden 0.53% der annotierten Proteine der GO-Unterkategorie “Prozesse des Immunsystems” zugeordnet. Basierend auf Homologieanalysen wurden Gene identifiziert, die für 510 Immunproteine kodieren. Die Genprodukte spielen eine Rolle bei der Erkennung von Mikroben und in den Signalwegen des Immunsystems, sind jedoch auch an Prozessen der zellulären Immunantwort, wie beispielsweise Phagozytose und Melanisierung, beteiligt. Dabei sind Komponenten der Hauptsignalwege hoch konserviert. Obwohl die Anzahl der identifizierten Proteine, die Fremdorganismen erkennen (PRRs), und die Anzahl an antimikrobiellen Peptiden (AMPs) vergleichsweise gering ist, verfügt C. floridanus insgesamt über ein umfangreiches Immunrepertoire. Neben drei Genen, die für Thioester-enthaltende Proteine (TEPs) kodieren und wie in anderen Insekten möglicherweise eine Rolle als Opsonine bei der Phagozytose spielen, wurden sechs AMP-Gene identifiziert. Diese kodieren für Defesin-1 und Defensin-2, Hymenoptaecin, zwei Tachystatin-ähnliche und ein Crustin-ähnliches Peptid. Die geringe Anzahl an bekannten AMPs im Vergleich zur Honigbiene Apis mellifera (13 AMPs) und Wespe Nasonia vitripennis (46 AMPs) könnte ein möglicherweise geringeres Potential des Immunsystems anzeigen. Allerdings könnten zusätzliche Maßnahmen, die unter dem Begriff „Soziale Immunität“ zusammengefasst werden, das Immunrepertoire von C. floridanus ergänzen, wie es schon für andere Insekten diskutiert wurde. Zudem könnten durch proteolytische Prozessierung des Hymenoptaecin Multipeptid Präkursormoleküls sieben mögliche antimikrobielle Peptide freigesetzt werden. Für die vorliegende Arbeit wurden zwei verschiedene dieser Hymenoptaecin Peptide heterolog exprimiert und aufgereinigt. Die vorläufige funktionelle Charakterisierung der Peptide zeigt, dass diese Peptide möglicherweise bakteriostatische Wirkung mit einem unterschiedlichen Wirkspektrum gegen Escherichia coli D31 und Staphylococcus aureus entfalten. Dies erlaubt die Annahme, dass die Expression des Hymenoptaecins zu einer funktionellen Amplifikation der Immunantwort führt und das Immunrepertoire der Ameisen erweitert. Nach Injektion von bakteriellem Material in die Ameisen wurde die Expression von 257 Genen reguliert. Viele dieser Gene kodieren für Proteine zur Erkennung von Pathogenen oder kodieren für Effektoren des Immunsystems. Komponenten der Signalwege zeigten dagegen kaum Veränderungen in ihrer Expression auf. Außerdem zeigten Gene, die für Speicherproteine oder Proteine des Metabolismus kodieren, generell eine geringere Expression nach Stimulierung des Immunsystems auf. Dies lässt einen Ausgleich zwischen zwei energieintensiven Prozessen vermuten, um eine effektive Immunantwort zu ermöglichen. Darüber hinaus zeigt die Validierung der Expressionsdaten mittels qRT-PCR eine Abhängigkeit der Expression mehrerer Gene vom Entwicklungsstadium der Ameisen auf. Generell wurden die gleichen Tendenzen in der Regulation der Expression dieser Gene nach Immunstimulierung beobachtet. Allerdings wurde die Expression mehrerer immunrelevanter Gene in Larven weit stärker induziert als in Adulten. Wie es auch schon für andere Insekten gezeigt wurde, scheinen C. floridanus Larven und Arbeiterinnen auf individuelle Kombinationen externer und interner Immunfaktoren zurückzugreifen. Die vorher beschriebenen Transkriptomdaten wurden durch die Charakterisierung des Hämolymph-Proteoms von C. floridanus nach Immunstimulation ergänzt, wodurch die Immunrelevanz vieler Faktoren auch auf Proteinebene bestätigt werden konnte. Beispielsweise wurden zahlreiche PRRs und extrazellulär aktive Proteasen des Toll-Signalwegs, aber auch Immuneffektoren wie AMPs, Lysozyme und TEPs in der Hämolymphe identifiziert. Zusätzlich führte die Immunstimulation in Larven und Adulten zur Anreicherung nicht-kanonischer Proteine mit möglicher Immunfunktion, beispielsweise Vitellogenine, NPC2-ähnliche Proteine und Hemocytin. Aus einer früheren Arbeit ist bekannt, dass septische Verwundungen zusätzlich die transkriptionelle Aktivierung von Genen der Stressantwort hervorrufen können. So wurden auch in der Hämolymphe Proteine entdeckt, die eine Rolle bei der Stabilisierung von Proteinen, und dem Schutz gegen oxidativen Stress und Insektizide spielen. Zur Identifizierung weiterer möglicher Peptideffektoren wurden Hämolymphpeptid-Proben von immunstimulierten Larven und Adulten analysiert. Der Fokus der Analyse lag dabei auf der Identifizierung von Peptiden, die auf dem sekretorischen Weg gebildet werden, wie es zuvor für Neuropeptide von C. floridanus beschrieben worden war. 567 differentiell regulierte Peptide, die von 39 Proteinen abstammen, wurden in Larvenhämolymphe identifiziert, wohingegen in der Hämolymphe von Adulttieren 342 derartige Peptide, die 13 Proteinen zugeordnet werden können, gefunden wurden. Die meisten dieser Peptide können Hymenoptaecin oder bisher noch nicht charakterisierte Proteinen zugeordnet werden. Jedoch wurde ein Peptid in larvaler Hämolymphe identifiziert, dessen Aminosäuresequenz vollständig mit der Sequenz eines vorhergesagten, von Vitellogenin stammenden Peptids übereinstimmt. Weil dieses Peptid keine Ähnlichkeiten zu anderen bereits charakterisierten antimikrobiellen Peptiden aufweist, stellt es einen geeigneten Kandidaten für weitere funktionelle Analysen dar. Die bakterielle Infektion von Oozyten ermöglicht die transovariale Übertragung von B. floridanus und ermöglicht damit die Etablierung einer stabilen Infektion in der nächsten Wirtsgeneration. Die vorliegende Arbeit beinhaltet die erste umfassende und detaillierte Beschreibung der Lokalisation bakterieller Endosymbionten in Ovarien von C. floridanus. Im apikalen Germarium, in welchem sich die Keimbahn-Stammzellen befinden, liegt noch keine bakterielle Infektion des Gewebes vor. In späteren Segmenten des Germariums jedoch können Blochmannien das erste Mal in kleinen somatischen Zellen der äußeren Schicht jeder Ovariole detektiert werden. Mit beginnender Zystozytendifferenzierung werden die Endosymbionten von Follikelzellen ausschließlich in die heranwachsenden Oozyten transportiert, wobei sehr wahrscheinlich Exozytose-Endozytose-Prozesse involviert sind. Nährzellen zeigen zu keinem Zeitpunkt während der Oogenese eine bakterielle Infektion auf. Da in einer früheren Studie vorgeschlagen wurde, dass eine signifikant reduzierte Anregung der Immunantwort im Mitteldarmgewebe zur Toleranz der Endosymbionten beitragen könnte, wurde auch die Expression ausgewählter Immungene in den Ovarien durch qRT-PCR untersucht. Die relativ geringe Expression von Genen des Toll- und des IMD-Signalwegs und die zusätzlich vergleichsweise starke Genexpression negativer Regulatoren des Immunsystems, wie PGRP-LB, PGRP-SC2 und tollip, sind Indikatoren einer reduzierten Immunantwort in den Ovarien von C. floridanus. Wie schon für den Mitteldarm der Tiere vorgeschlagen, könnte dies möglicherweise sowohl zur Toleranz von Blochmannia als auch zur vertikalen Übertragung der Endosymbionten beitragen. Die vorliegende Doktorarbeit erweitert das Wissen über das Immunrepertoire von C. floridanus und es konnten vielversprechende Kandidaten für weitere funktionelle Analysen von möglichen Immunfaktoren identifiziert werden. Darüber hinaus konnten weitere Hinweise auf die Bedeutung von Immunfaktoren der Ameisen bei der Toleranz gegenüber den symbiontischen Bakterien gefunden und auf die Ovarien der Tiere ausgeweitet werden.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in engl. Sprache.

Due to the earth´s rotation around itself and the sun, rhythmic daily and seasonal changes in illumination, temperature and many other environmental factors occur. Adaptation to these environmental rhythms presents a considerable advantage to survival. Thus, almost all living beings have developed a mechanism to time their behavior in accordance. This mechanism is the endogenous clock. If it fulfills the criteria of (1) entraining to zeitgebers (2) free-running behavior with a period of ~ 24 hours (3) temperature compensation, it is also referred to as “circadian clock”. Well-timed behavior is crucial for eusocial insects, which divide their tasks among different behavioral castes and need to respond to changes in the environment quickly and in an orchestrated fashion. Circadian rhythms have thus been studied and observed in many eusocial species, from ants to bees. The underlying mechanism of this clock is a molecular feedback loop that generates rhythmic changes in gene expression and protein levels with a phase length of approximately 24 hours. The properties of this feedback loop are well characterized in many insects, from the fruit fly Drosophila melanogaster, to the honeybee Apis mellifera. Though the basic principles and components of this loop are seem similar at first glance, there are important differences between the Drosophila feedback loop and that of hymenopteran insects, whose loop resembles the mammalian clock loop. The protein PERIOD (PER) is thought to be a part of the negative limb of the hymenopteran clock, partnering with CRYPTOCHROME (CRY). The anatomical location of the clock-related neurons and the PDF-network (a putative in- and output mediator of the clock) is also well characterized in Drosophila, the eusocial honeybee as well as the nocturnal cockroach Leucophea maderae. The circadian behavior, anatomy of the clock and its molecular underpinnings were studied in the carpenter ant Camponotus floridanus, a eusocial insect Locomotor activity recordings in social isolation proved that the majority of ants could entrain to different LD cycles, free-ran in constant darkness and had a temperature-compensated clock with a period slightly shorter than 24 hours. Most individuals proved to be nocturnal, but different types of activity like diurnality, crepuscularity, rhythmic activity during both phases of the LD, or arrhythmicity were also observed. The LD cycle had a slight influence on the distribution of these activities among individuals, with more diurnal ants at shorter light phases. The PDF-network of C. floridanus was revealed with the anti-PDH antibody, and partly resembled that of other eusocial or nocturnal insects. A comparison of minor and major worker brains, only revealed slight differences in the number of somata and fibers crossing the posterior midline. All in all, most PDF-structures that are conserved in other insects where found, with numerous fibers in the optic lobes, a putative accessory medulla, somata located near the proximal medulla and many fibers in the protocerebrum. A putative connection between the mushroom bodies, the optic lobes and the antennal lobes was found, indicating an influence of the clock on olfactory learning. Lastly, the location and intensity of PER-positive cell bodies at different times of a 24 hour day was established with an antibody raised against Apis mellifera PER. Four distinct clusters, which resemble those found in A. mellifera, were detected. The clusters could be grouped in dorsal and lateral neurons, and the PER-levels cycled in all examined clusters with peaks around lights on and lowest levels after lights off. In summary, first data on circadian behavior and the anatomy and workings of the clock of C. floridanus was obtained. Firstly, it´s behavior fulfills all criteria for the presence of a circadian clock. Secondly, the PDF-network is very similar to those of other insects. Lastly, the location of the PER cell bodies seems conserved among hymenoptera. Cycling of PER levels within 24 hours confirms the suspicion of its role in the circadian feedback loop. / Durch die Rotation der Erde um die Sonne, entstehen rhythmische, tägliche und saisonale Änderungen in der Beleuchtung, Temperatur und vielen anderen Umweltfaktoren. Die Anpassung an diese Umweltrhythmen stellt einen großen Überlebensvorteil dar. Deshalb haben fast alle bekannten Lebewesen einen Mechanismus zur Steuerung ihres Verhaltens in Relation zu diesen Änderungen entwickelt. Dieser Mechanismus ist die innere Uhr, die auch als zirkadiane Uhr bezeichnet wird wenn sie die folgenden Kriterien erfüllt: (1) Entrainment auf Zeigeber (2) Freilaufendes Verhalten mit einer Periodenlänge von ungefähr 24 Stunden (3) Temperatur-Kompensation. Den korrekten Zeitpunkt für ein bestimmtes Verhalten einzuhalten ist äußerst wichtig für soziale Insekten. Sie verteilen ihre Aufgaben unter verschiedenen Verhaltens-Kasten und müssen in der Lage sein schnell und organisiert auf Umweltänderungen zu reagieren. Deshalb stellen sie interessante Objekte für das Studium circadianen Verhaltens dar, welches schon in vielen eusozialen Spezies wie Ameisen und Bienen beobachtet wurde. Der der inneren Uhr zugrunde liegende Mechanismus ist eine molekulare Rückkopplungsschleife, die rhythmische Veränderungen in der Expression von Genen und dem Akkumulationsniveau von Proteinen in einem 24 Stunden Zyklus hervorruft. Die Eigenschaften dieser Rückkopplungsschleife sind in vielen Organismen, von der Taufliege Drosophila melanogaster, bis zur Hongbiene Apis mellifera, bereits gut charakterisiert. Obwohl die Gemeinsamkeiten der zugrunde liegenden Prinzipien und Bestandteile stark auffallen, gibt es wichtige Unterschiede zwischen der Rückkopplungsschleife von Drosophila und der eher mammal organisierten Rückkopplungsschleifen hymenopterer Insekten. Das PERIOD (PER) Protein ist vermutlich ein Bestandteil des hemmenden Teils der Schleife und verbindet sich mit CRYPTOCHROME (CRY). Die anatomischen Eigenschaften der Uhrneurone und des PDF-Netzwerks (vermutlich der Ein- und Ausgang für Informationen im Uhrnetzwerk) sind ebenfalls in der Taufliege, eusozialen Honigbiene, sowie in der nachtaktiven Schabe Leucophea maderae sehr gut beschrieben. Die Rossameise Camponotus floridanus wurde hier als Studienobjekt verwendet, um zirkadianes Verhalten, die Anatomie der Uhr sowie die ihr zu Grunde liegenden molekularen Strukturen in einem weiteren eusozialen Organismus zu analysieren. Die Aufzeichnung von Lauf-Verhalten in sozialer Isolation bewies, dass der Großteil der Ameisen in der Lage ist auf verschiedene LD-Zyklen zu entrainen, freilaufendes Verhalten im Dunkeln aufweist und eine temperaturkompensierte Uhr mit einer Periodenlänge von etwa 24 Stunden besitzt. Die meisten Individuen waren nachtaktiv, aber es wurden auch andere Verhaltensmuster wie Tagaktivität, Dämmerungsaktivität, Rhythmische Aktivität während beiden LD Phasen sowie Arrhythmizität beobachtet. Der LD-Zyklus hatte einen leichten Einfluss auf die Verteilungsmuster dieser Aktivitätstypen. Mehr tagaktive Tiere wurden bei kurzen Lichtphasen beobachtet. Das PDF-Netzwerk in C. floridanus konnte mit Hilfe des anti-PDH Antikörpers sichtbar gemacht werden und ähnelte in Teilen dem anderer eusozialer oder nachtaktiver Insekten. Ein Vergleich zwischen den Gehirnen kleiner und großer Arbeiter zeigte nur geringe Unterschiede in der Anzahl von Zellkörpern und Fasern die die posteriore Mitte des Gehirns überschreiten. Im Gesamten konnte die Mehrzahl der zwischen den anderen Insektengehirnen konservierten PDF-Strukturen, wie viele Fasern in den optischen Loben, eine akzessorische Medulla, Zellkörper neben der proximalen Medulla und viele Verzweigungen im Protozerebrum, gefunden werden. Eine mögliche Verbindung zwischen den Pilzkörpern, optischen Loben und den Antennalloben wurde identifiziert und weist auf einen Einfluss der Uhr auf olfaktorisches Lernen hin. Zu guter letzte wurde mit Hilfe eines gegen Bienen-PER gerichteten Antikörpers die Lage und Intensität der PER-Zellkörper während mehrerer Zeitpunkte im Verlauf von 24 Stunden bestimmt. Vier abgegrenzte Gruppen von Zellkörpern, die den Gruppen in A. mellifera ähneln, konnten identifiziert werden. Diese Gruppen teilen sich in dorsale und laterale Neuronen und der Proteingehalt an PER oszilliert in allen untersuchten Gruppen, mit dem Höhepunkt bei Licht-an und dem Tiefpunkt kurz nach Licht-aus. Zusammenfassend ist zu sagen, dass erste Erkenntnisse über zirkadianes Verhalten, die Anatomie und die Grundlagen der inneren Uhr von C. floridanus gewonnen werden konnten. Erstens, erfüllt das Verhalten alle Kriterien für die Präsenz einer inneren Uhr. Zweitens, ist das PDF-Netzwerk ähnlich dem anderer Insekten. Letztens, scheint die Lage der PER-positiven Neurone innerhalb der Hymenopteren konserviert. Die Oszillation von PER bestätigt den Verdacht seiner Beteiligung an der Rückkopplungsschleife der inneren Uhr.

Cooperation is beneficial for social groups and is exemplified in its most sophisticated form in social insects. In particular, eusocial Hymenoptera, like ants and honey bees, exhibit a level of cooperation only rarely matched by other animals. To assure effective defense of group members, foes need to be recognized reliably. Ants use low-volatile, colony-specific profiles of cuticular hydrocarbons (colony odor) to discriminate colony members (nestmates) from foreign workers (non-nestmates). For colony recognition, it is assumed that multi-component colony odors are compared to a neuronal template, located in a so far unidentified part of the nervous system, where a mismatch results in aggression. Alternatively, a sensory filter in the periphery of the nervous system has been suggested to act as a template, causing specific anosmia to nestmate colony odor due to sensory adaptation and effectively blocking perception of nestmates. Colony odors are not stable, but change over time due to environmental influences. To adjust for this, the recognition system has to be constantly updated (template reformation). In this thesis, I provide evidence that template reformation can be induced artificially, by modifying the sensory experience of carpenter ants (Camponotus floridanus; Chapter 1). The results of the experiments showed that template reformation is a relatively slow process taking several hours and this contradicts the adaptation-based sensory filter hypothesis. This finding is supported by first in-vivo measurements describing the neuronal processes underlying template reformation (Chapter 5). Neurophysiological measurements were impeded at the beginning of this study by the lack of adequate technical means to present colony odors. In a behavioral assay, I showed that tactile interaction is not necessary for colony recognition, although colony odors are of very low volatility (Chapter 2). I developed a novel stimulation technique (dummy-delivered stimulation) and tested its suitability for neurophysiological experiments (Chapter 3). My experiments showed that dummy-delivered stimulation is especially advantageous for presentation of low-volatile odors. Colony odor concentration in headspace was further increased by moderately heating the dummies, and this allowed me to measure neuronal correlates of colony odors in the peripheral and the central nervous system using electroantennography and calcium imaging, respectively (Chapter 4). Nestmate and non-nestmate colony odor elicited strong neuronal responses in olfactory receptor neurons of the antenna and in the functional units of the first olfactory neuropile of the ant brain, the glomeruli of the antennal lobe (AL). My results show that ants are not anosmic to nestmate colony odor and this clearly invalidates the previously suggested sensory filter hypothesis. Advanced two-photon microscopy allowed me to investigate the neuronal representation of colony odors in different neuroanatomical compartments of the AL (Chapter 5). Although neuronal activity was distributed inhomogeneously, I did not find exclusive representation restricted to a single AL compartment. This result indicates that information about colony odors is processed in parallel, using the computational power of the whole AL network. In the AL, the patterns of glomerular activity (spatial activity patterns) were variable, even in response to repeated stimulation with the same colony odor (Chapter 4&5). This finding is surprising, as earlier studies indicated that spatial activity patterns in the AL reflect how an odor is perceived by an animal (odor quality). Under natural conditions, multi-component odors constitute varying and fluctuating stimuli, and most probably animals are generally faced with the problem that these elicit variable neuronal responses. Two-photon microscopy revealed that variability was higher in response to nestmate than to non-nestmate colony odor (Chapter 5), possibly reflecting plasticity of the AL network, which allows template reformation. Due to their high variability, spatial activity patterns in response to different colony odors were not sufficiently distinct to allow attribution of odor qualities like ‘friend’ or ‘foe’. This finding challenges our current notion of how odor quality of complex, multi-component odors is coded. Additional neuronal parameters, e.g. precise timing of neuronal activity, are most likely necessary to allow discrimination. The lower variability of activity patterns elicited by non-nestmate compared to nestmate colony odor might facilitate recognition of non-nestmates at the next level of the olfactory pathway. My research efforts made the colony recognition system accessible for direct neurophysiological investigations. My results show that ants can perceive their own nestmates. The neuronal representation of colony odors is distributed across AL compartments, indicating parallel processing. Surprisingly, the spatial activity patterns in response to colony are highly variable, raising the question how odor quality is coded in this system. The experimental advance presented in this thesis will be useful to gain further insights into how social insects discriminate friends and foes. Furthermore, my work will be beneficial for the research field of insect olfaction as colony recognition in social insects is an excellent model system to study the coding of odor quality and long-term memory mechanisms underlying recognition of complex, multi-component odors. / Kooperation innerhalb sozialer Gruppen ist vorteilhaft und zeigt sich bei sozialen Insekten in seiner am höchsten entwickelten Form. Besonders eusoziale Hymenopteren, wie Ameisen und Honigbienen, zeigen ein Maß an Kooperation, das nur selten von anderen Tierarten erreicht wird. Um eine effektive Verteidigung der Gruppenmitglieder sicher zu stellen, ist die zuverlässige Erkennung von Feinden unerlässlich. Ameisen verwenden schwerflüchtige, koloniespezifische Profile kutikulärer Kohlenwasserstoffe (Kolonieduft) zur Unterscheidung zwischen Gruppenmitgliedern (Nestgenossen) und fremden Arbeiterinnen (Nestfremdlinge). Man geht davon aus, dass die aus einer Vielzahl von Komponenten bestehenden Koloniedüfte zum Zweck der Kolonieerkennung mit einer neuronalen Schablone, welche sich an bisher unbestimmter Stelle im Nerven-system befindet, abgeglichen werden. Dabei führt eine Diskrepanz zwischen Schablone und Kolonieduft zu Aggression. Eine alternative Hypothese besagt, dass ein sensorischer Filter in der Peripherie des Nervensystems die Aufgabe einer neuronalen Schablone übernimmt. Dies würde mittels sensorischer Adaptation zu spezifischer Anosmie gegenüber Nestgenossen-Kolonieduft führen, so dass die Wahrnehmung von Nestgenossen effektiv verhindert wäre. Allerdings sind Koloniedüfte nicht stabil, sondern verändern sich im Lauf der Zeit aufgrund von Umwelteinflüssen. Um dies zu kompensieren, muss das Erkennungssystem fortwährend aktualisiert werden (Schablonenerneuerung). In dieser Arbeit erbringe ich den Nachweis, dass bei Rossameisen (Camponotus floridanus) die Schablonenerneuerung artifiziell durch Modifizierung der sensorischen Erfahrung induziert werden kann (Kapitel 1). Die Ergebnisse der in Kapitel 1 beschriebenen Experimente zeigen, dass die Schablonenerneuerung ein relativ langsamer Prozess ist, der mehrere Stunden in Anspruch nimmt. Dies widerspricht der Hypothese eines sensorischen Filters, welcher auf sensorischer Adaptation beruht. Dieser Befund konnte mittels erster in-vivo Messungen bestätigt werden, mit Hilfe derer die der Schablonenerneuerung zugrunde liegenden neuronalen Prozesse beschrieben wurden (Kapitel 5). Die neurophysiologischen Messungen wurden zu Beginn dieser Studie durch das Fehlen eines adäquaten Mittels zur Präsentation von Koloniedüften erschwert. In einem Verhaltensversuch konnte ich zeigen, dass taktile Interaktionen für die Kolonieerkennung nicht notwendig sind (Kapitel 2). Ich entwickelte eine neuartige Stimulierungsmethode (Dummy-vermittelte Stimulierung) und testete deren Eignung für neurophysiologische Experimente (Kapitel 3). Meine Experimente zeigten, dass die Dummy-vermittelte Stimulierung besonders für die Präsentation von schwerflüchtigen Düften geeignet ist. Die Konzentration von Koloniedüften im Gasraum konnte durch moderates Aufheizen der Dummys weiter gesteigert werden. Dies erlaubte mir, die neuronalen Korrelate von Koloniedüften im peripheren und im zentralen Nervensystem mittels Elektroantennographie bzw. funktionaler Bildgebung (Calcium Imaging) zu messen (Kapitel 4). Nestgenossen- und Nestfremdlings-Koloniedüfte riefen starke neuronale Antworten in den olfaktorischen Rezeptorneuronen der Antenne und in den funktionalen Einheiten des ersten olfaktorischen Neuropils des Ameisengehirns, den Glomeruli des Antennallobus (AL), hervor. Meine Ergebnisse zeigen, dass Ameisen nicht anosmisch gegenüber Nestgenossen-Koloniedüften sind, womit die vorgeschlagene Hypothese eines sensorischen Filters eindeutig für ungültig erklärt werden kann. Mittels fortschrittlicher Zwei-Photonen-Mikroskopie konnte ich die neuronale Repräsentation von Koloniedüften in verschiedenen neuroanatomischen Kompartimenten des AL messen (Kapitel 5). Obgleich die neuronale Aktivität inhomogen verteilt war, konnte ich keine exklusive Repräsentation finden, die auf ein einzelnes AL-Kompartiment beschränkt gewesen wäre. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass Informationen über Koloniedüfte parallel verarbeitet werden und dies erlaubt die Nutzung der Rechenleistung des kompletten AL-Netzwerkes. Im AL waren die Muster glomerulärer Aktivität (räumliche Aktivitätsmuster) variabel, selbst wenn sie durch wiederholte Stimulierung mit dem gleichen Kolonieduft hervorgerufen wurden (Kapitel 4&5). Dieser Befund ist insofern überraschend, als frühere Studien darauf hinwiesen, dass die räumlichen Aktivitätsmuster im AL widerspiegeln, wie ein Duft von einem Tier wahrge¬nommen wird (Duftqualität). Unter natürlichen Bedingungen stellen Düfte, die aus einer Vielzahl von Komponenten bestehen, variable und fluktuierende Stimuli dar. Höchstwahrscheinlich sind Tiere generell mit dem Problem konfrontiert, dass solche Düfte variable neuronale Antworten hervorrufen. Mittels Zwei-Photonen-Mikroskopie konnte ich zeigen, dass die Variabilität in Antwort auf Nestgenossen-Kolonieduft höher war als in Antwort auf Nestfremdlings-Kolonieduft (Kapitel 5). Möglicherweise spiegelt dies jene Plastizität im AL-Netzwerk wider, welche die Schablonenerneuerung ermöglicht. Aufgrund ihrer hohen Variabilität waren die von verschiedenen Koloniedüften hervorgerufenen räumlichen Aktivierungsmuster nicht hinreichend unterschiedlich, um eine Zuordnung von Duft-qualitäten wie ‚Freund‘ oder ‚Feind‘ zu erlauben. Dieser Befund stellt unsere momentane Auffassung in Frage, wie die Duftqualität komplexer, aus vielen Komponenten bestehender Düfte kodiert wird. Höchstwahrscheinlich sind zusätzliche neuronale Parameter, wie z.B. die präzise, zeitliche Koordinierung neuronaler Aktivität, zur Diskriminierung notwendig. Die geringere Variabilität der von Nestfremdlings-Kolonieduft hervorgerufenen Aktivitätsmuster könnte die Erkennung von Nestfremdlingen auf der nächsten Ebene der olfaktorischen Bahn begünstigen. Meine Forschungsarbeit hat das Kolonieerkennungssystem für direkte neurophysiologische Untersuchungen zugänglich gemacht. Meine Ergebnisse zeigen, dass Ameisen ihre eigenen Nest-genossen wahrnehmen können. Die neuronale Repräsentation von Koloniedüften ist über die AL-Kompartimente verteilt, was auf eine parallele Verarbeitung hinweist. Desweiteren könnte die geringere Variabilität der von Nestfremdlings-Kolonieduft hervorgerufenen Aktivitätsmuster die Erkennung von Nestfremdlingen auf der nächsten Ebene der olfaktorischen Bahn begünstigen. Erstaunlicherweise sind die räumlichen Aktivitätsmuster in Antwort auf Koloniedüfte hochvariabel. Die wirft die Frage auf, wie in diesem System die Duftqualität kodiert wird. Der experimentelle Fortschritt, den ich in dieser Doktorarbeit vorstelle, wird nützlich sein, um weitere Erkenntnisse zu gewinnen, wie soziale Insekten Freunde von Feinden unterscheiden. Desweiteren wird meine Arbeit dem Forschungsbereich Insektenolfaktion zuträglich sein, da die Kolonieerkennung bei sozialen Insekten ein hervorragendes Modelsystem darstellt, um die Kodierung von Duftqualität zu erforschen, sowie Langzeitmechanismen, die der Erkennung komplexer, aus vielen Komponenten bestehender Düfte zugrunde liegen.

The sequencing of several ant genomes within the last six years open new research avenues for understanding not only the genetic basis of social species but also the complex systems such as immune responses in general. Similar to other social insects, ants live in cooperative colonies, often in high densities and with genetically identical or closely related individuals. The contact behaviours and crowd living conditions allow the disease to spread rapidly through colonies. Nevertheless, ants can efficiently combat infections by using diverse and effective immune mechanisms. However, the components of the immune system of carpenter ant Camponotus floridanus and also the factors in bacteria that facilitate infection are not well understood. To form a better view of the immune repository and study the C. floridanus immune responses against the bacteria, experimental data from Illumina sequencing and mass-spectrometry (MS) data of haemolymph in normal and infectious conditions were analysed and integrated with the several bioinformatics approaches. Briefly, the tasks were accomplished in three levels. First, the C. floridanus genome was re-annotated for the improvement of the existing annotation using the computational methods and transcriptomics data. Using the homology based methods, the extensive survey of literature, and mRNA expression profiles, the immune repository of C. floridanus were established. Second, large-scale protein-protein interactions (PPIs) and signalling network of C. floridanus were reconstructed and analysed and further the infection induced functional modules in the networks were detected by mapping of the expression data over the networks. In addition, the interactions of the immune components with the bacteria were identified by reconstructing inter-species PPIs networks and the interactions were validated by literature. Third, the stage-specific MS data of larvae and worker ants were analysed and the differences in the immune response were reported. Concisely, all the three omics levels resulted to multiple findings, for instance, re-annotation and transcriptome profiling resulted in the overall improvement of structural and functional annotation and detection of alternative splicing events, network analysis revealed the differentially expressed topologically important proteins and the active functional modules, MS data analysis revealed the stage specific differences in C. floridanus immune responses against bacterial pathogens. Taken together, starting from re-annotation of C. floridanus genome, this thesis provides a transcriptome and proteome level characterization of ant C. floridanus, particularly focusing on the immune system responses to pathogenic bacteria from a biological and a bioinformatics point of view. This work can serve as a model for the integration of omics data focusing on the immuno-transcriptome of insects. / Das Sequenzieren mehrerer Ameisen Genome innerhalb der letzten 6 Jahre eröffnete neue Forschungswege, um nicht nur die genetische Grundlade sozialer Arten, sondern auch komplexere Systeme wie generelle Immunantworten zu untersuchen. Ähnlich zu anderen sozialen Insekten leben Ameisen in Kolonien, oft mit einer sehr hohen Dichte mit genetisch übereinstimmenden oder nah verwandten Individuen. Das Sozialverhalten und die engen Lebensumstände führen dazu, dass sich Krankheiten in Kolonien schnell ausbreiten können. Dennoch können Ameisen mit der Nutzung ihrer komplexen Immunsystemmechanismen Infektionen effektiv abwehren. Die Zusammensetzung des Immunsystems der Rossameise Camponotus floridanus (C. floridanus) und die Faktoren der Bakterien, welche die Infektionen verursachen sind noch nicht gut untersucht. Um einen besseren Überblick über die verschiedenen Gruppen der Immun- Gene zu bekommen und um die Immunantworten von C. floridanus gegen Bakterien zu untersuchen haben wir experimentelle Daten der Illumina Sequenzierung und der Massenspektrometrie (MS) aus der Hämolymphe unter normalen und unter infizierten Bedingungen analysiert und über verschiedene bioinformatische Ansätzen zusammengefasst. Die Aufgabe wurde in drei Ebenen unterteilt. Zuerst wurde das Genom von C. floridanus neu annotiert, die Verbesserung der existierenden Annotation wurde rechnerisch und mit Transkriptom- Daten erreicht. Mit der Nutzung der auf Homologie- basierenden Methoden, der umfassenden Überprüfung der Literatur und der Nutzung von mRNA Genexpressionsanalysen wurde für C. floridanus dieser Überblick erstellt. Anschließend wurden größere Protein- Protein- Interaktionen (PPI) und Signalnetzwerke von C. floridanus rekonstruiert und analysiert und daraufhin wurden die Infektions-induzierten funktionalen Module im Netzwerk entdeckt und die Expressionsdaten über Netzwerke abgebildet. Zusätzlich wurden die Anteile der Immunantwort bei der Interaktion mit Bakterien mittels der Rekonstruktion von zwischenartlichen PPI Netzwerken identifiziert und diese Interaktionen wurden mit Literaturwerten validiert. In der dritten und letzten Phase wurden Daten der Stadium- spezifischen Massenspektrometrie (MS) von Larven- und Arbeiterameisen analysiert und die Unterschiede in den Immunantworten aufgezeichnet. Zusammengefasst lieferten alle drei Omiks- Ebenen jeweils viele Ergebnisse, zum Beispiel führte die neue Annotation und das Transkription- Profil zu einer generellen Verbesserung der strukturellen und funktionalen Annotation und dem Aufspüren von alternativen Splicing- Ereignissen. Die Netzwerkanalyse deckte die unterschiedlich exprimierten topologisch wichtigen Proteine und die aktiven funktionalen Module auf, die Analyse der MS- Daten erbrachte Ergebnisse über die Stadium- spezifischen Unterschiede in der Immunantwort von C. floridanus gegen bakterielle Pathogene. Rundum, beginnend mit der neuen Annotation des Genoms von C. floridanus stellt diese Arbeit eine Transkriptom- und Protein Charakterisierung der Ameise C. floridanus dar. Besonders lag der Fokus auf die Antworten des Immunsystems auf Pathogene Bakterien aus biologischer- und bioinformatischer Sicht. Diese Arbeit kann als Vorlage für die Integration von Omiks Daten dienen, welche sich auf die Immun- Transkriptome von Insekten fokussieren.