The rotation of the earth around its axis causes recurring and predictable changes in the environment. To anticipate those changes and adapt their physiology and behavior accordingly, most organisms possess an endogenous clock. The presence of such a clock has been demonstrated for several ant species including Camponotus ants, but its involvement in the scheduling of daily activities within and outside the ant nest is fairly unknown. Timing of individual behaviors and synchronization among individuals is needed to generate a coordinated collective response and to maintain colony function. The aim of this thesis was to investigate the presence of a circadian clock in different worker castes, and to determine the daily timing of their behavioral tasks within the colonies of two nectar-collecting Camponotus species. In chapter I, I describe the general temporal organization of work throughout the worker life in the species Camponotus rufipes. Continuous tracking of behavioral activity of individually- marked workers for up to 11 weeks in subcolonies revealed an age-dependent division of labor between interior and exterior workers. After eclosion, the fairly immobile young ants were frequently nurtured by older nurses, yet they started nursing the brood themselves within the first 48 hours of their life. Only 60% of workers switched to foraging at an age range of one to two weeks, likely because of the reduced needs within the small scale of the subcolonies. Not only the transition rates varied between subcolonies, but also the time courses of the task sequences between workers did, emphasizing the timed allocation of workers to different tasks in response to colony needs. Most of the observed foragers were present outside the nest only during the night, indicating a distinct timing of this behavioral activity on a daily level as well. As food availability, humidity and temperature levels were kept constant throughout the day, the preference for nocturnal activity seems to be endogenous and characteristic for C. rufipes. The subsequent monitoring of locomotor activity of workers taken from the subcolonies revealed the presence of a functional endogenous clock already in one-day old ants. As some nurses displayed activity rhythms in phase with the foraging rhythm, a synchronization of these in-nest workers by social interactions with exterior workers can be hypothesized. Do both castes use their endogenous clock to schedule their daily activities within the colony? In chapter II, I analyzed behavioral activity of C. rufipes foragers and nurses within the social context continuously for 24 hours. As time-restricted access to food sources may be one factor affecting daily activities of ants under natural conditions, I confronted subcolonies with either daily pulses of food availability or ad libitum feeding. Under nighttime and ad libitum feeding, behavioral activity of foragers outside the nest was predominantly nocturnal, confirming the results from the simple counting of exterior workers done in chapter I. Foragers switched to diurnality during daytime feeding, demonstrating the flexible and adaptive timing of a daily behavior. Because they synchronized their activity with the short times of food availability, these workers showed high levels of inactivity. Nurses, in contrast, were active all around the clock independent of the feeding regime, spending their active time largely with feeding and licking the brood. After the feeding pulses, however, a short bout of activity was observed in nurses. During this time period, both castes increasingly interacted via trophallaxis within the nest. With this form of social zeitgeber, exterior workers were able to entrain in-nest workers, a phenomenon observed already in chapter I. Under the subsequent monitoring of locomotor activity under LD conditions the rhythmic workers of both castes were uniformly nocturnal independent of the feeding regime. This endogenous activity pattern displayed by both worker castes in isolation was modified in the social context in adaption to task demands. Chapter III focuses on the potential factors causing the observed plasticity of daily rhythms in the social context in the ant C. rufipes. As presence of brood and conspecifics are likely indicators of the social context, I tested the effect of these factors on the endogenous rhythms of otherwise isolated individuals. Even in foragers, the contact to brood triggered an arrhythmic activity pattern resembling the arrhythmic behavioral activity pattern seen in nurses within the social context. As indicated in chapter I and II, social interaction could be one crucial factor for the synchronization of in nest activities. When separate groups were entrained to phase-shifted light-dark-cycles and monitored afterwards under constant conditions in pairwise contact through a mesh partitioning, both individuals shifted parts of their activity towards the activity period of the conspecific. Both social cues modulated the endogenous rhythms of workers and contribute to the context dependent plasticity in ant colonies. Although most nursing activities are executed arrhythmically throughout the day (chapter II), previous studies reported rhythmic translocation events of the brood in Camponotus nurses. As this behavior favors brood development, the timing of the translocations within the dark nest seems to be crucial. In chapter IV, I tracked translocation activity of all nurses within subcolonies of C. mus. Under the confirmed synchronized conditions of a LD-cycle, the daily pattern of brood relocation was based on the rhythmic, alternating activity of subpopulations with preferred translocation direction either to the warm or to the cold part of the temperature gradient at certain times of the day. Although the social interaction after pulse feeding had noticeable effects on the in-nest activity in C. rufipes (chapter I and II), it was not sufficient to synchronize the brood translocation rhythm of C. mus under constant darkness (e.g. when other zeitgebers were absent). The free-running translocation activity in some nurses demonstrated nevertheless the involvement of an endogenous clock in this behavior, which could be entrained under natural conditions by other potential non-photic zeitgebers like temperature and humidity cycles. Daily cycling of temperature and humidity could not only be relevant for in-nest activities, but also for the foraging activity outside the nest. Chapter V focuses on the monitoring of field foraging rhythms in the sympatric species C. mus and C. rufipes in relation to abiotic factors. Although both species had comparable critical thermal limits in the laboratory, foragers in C. mus were strictly diurnal and therefore foraged under higher temperatures than the predominant nocturnal foragers in C. rufipes. Marking experiments in C. rufipes colonies with higher levels of diurnal activity revealed the presence of temporally specialized forager subpopulations. These results suggest the presence of temporal niches not only between the two Camponotus species, but as well between workers within colonies of the same species. In conclusion, the temporal organization in colonies of Camponotus ants involves not only the scheduling of tasks performed throughout the worker life, but also the precise timing of daily activities. The necessary endogenous clock is already functioning in all workers after eclosion. Whereas the light-dark cycle and food availability seem to be the prominent zeitgebers for foragers, nurses may rely more on non-photic zeitgeber like social interaction, temperature and humidity cycles. / Die Drehung der Erde um ihre eigene Achse erzeugt wiederkehrende und vorhersehbare Umweltschwankungen. Um diese Schwankungen zu antizipieren und Physiologie sowie Verhalten entsprechend anzupassen, besitzen fast alle Organismen eine innere Uhr. Bei einigen Ameisenarten, Camponotus Ameisen eingenommen, wurde die Präsenz einer inneren Uhr bereits bestätigt. Wie diese Uhr allerdings zur zeitlichen Abstimmung der Tagesaktivitäten innerhalb und außerhalb des Ameisennestes genutzt wird, war bis jetzt weitestgehend unbekannt. Für die Koordination einer kollektiven Verhaltensantwort und die Aufrechterhaltung der Kolonie ist dabei nicht nur die zeitliche Steuerung vom Verhalten Einzelner notwendig, sondern auch eine Synchronisation zwischen den Arbeiterinnen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die mögliche Präsenz einer inneren Uhr in verschiedenen Arbeiterkasten zu untersuchen, und die zeitliche Koordination von Tagesaktivitäten dieser Kasten innerhalb der Kolonien zweier Camponotus Ameisenarten zu bestimmen. In Kapitel I beschreibe ich die grundlegende zeitliche Organisation der Arbeitsteilung im Laufe des Arbeiterinnenlebens in der Art Camponotus rufipes. Mithilfe einer lückenlosen Verfolgung der Tagesaktivitäten von individuell markierten Tieren in Subkolonien über bis zu 11 Wochen konnte eine altersabhängige Arbeitsteilung zwischen Innen- und Außendienstarbeiterinnen nachgewiesen werden. Nach dem Schlüpfen wurden die eher unbeweglichen jungen Ameisen oft durch ältere Brutpflegerinnen versorgt, engagierten sich dann aber schon innerhalb der ersten 48 Stunden ihres Lebens selbst in der Brutpflege. Wahrscheinlich wegen der verminderten Notwendigkeit zur ausgedehnten Futtersuche innerhalb der kleinen Versuchskolonien wechselten nur 60% der Innendienstarbeiterinnen nach ein bis zwei Wochen zum Fouragieren außerhalb der Kolonie. Nicht nur variierte der Prozentsatz des Verhaltensübergangs von Brutpflegerin zur Sammlerin zwischen den Subkolonien, sondern auch innerhalb der Subkolonien unterschieden sich Arbeiterinnen im Zeitverlauf der Aufgabenfolge. Diese Ergebnisse betonen die gezielte, zeitliche Zuweisung von Arbeiterinnen zu einer bestimmten Arbeiterkaste je nach Bedarf der Kolonie. In diesem Experiment waren die Sammlerinnen vorwiegend nur während der Nachtphase außerhalb der Kolonie aktiv, was wiederum eine genaue zeitliche Koordination des Sammelverhaltens auf Tagesbasis zeigt. Da die Futterverfügbarkeit sowie Temperatur- und Luftfeuchte über den Tag hinweg konstant gehalten wurden, scheint die bevorzugte Nachtaktivität endogen und charakteristisch für C. rufipes zu sein. Durch das anschließende Monitoring der Lokomotoraktivität von Arbeiterinnen aus diesen Subkolonien konnte gezeigt werden, dass schon einen Tag alte Ameisen eine funktionierende innere Uhr besitzen. Der Aktivitätsrhythmus mancher Brutpflegerinnen war dabei in Phase mit dem Sammelrhythmus der Kolonie, weswegen man von einer Synchronisation dieser Inndienstarbeiterinnen durch soziale Interaktion mit Außendienstarbeiterinnen ausgehen kann. Doch nutzen beide Kasten ihre innere Uhr auch, um ihre Tagesaktivitäten innerhalb der Kolonie zeitlich abzustimmen? In Kapitel II habe ich die Verhaltensaktivität von C. rufipes Futtersammlerinnen und Brutpflegerinnen in ihrem sozialen Umfeld kontinuierlich für 24 Stunden verfolgt. Da der beschränkte Zugriff zu Futterquellen einer der Faktoren sein könnte, der die Tagesaktivitäten von Ameisen in der Natur beeinflusst, wurden Subkolonien entweder nur pulsartig oder ad libitum gefüttert. Während der Nacht- und ad libitum Fütterung waren Sammlerinnen vorwiegend nachtaktiv, was die Ergebnisse der simplen Zählung von Außendiensttieren in Kapitel I bestätigt. Während der Tagesfütterung wurden die Sammlerinnen tagaktiv, was die flexible und adaptive zeitliche Anpassung dieses täglichen Verhaltens veranschaulicht. Unabhängig von der Fütterungszeit waren Brutpflegerinnen rund um die Uhr aktiv, wobei sie die größte Zeit mit Fütterung und Säuberung der Brut verbrachten. Jedoch konnte kurz nach den Fütterungspulsen ein kurzer Aktivitätsanstieg verzeichnet werden, welcher auf die erhöhte Interaktion durch Trophallaxis mit den Sammlerinnen zurückzuführen ist. Wie bereits schon in Kapitel I angedeutet, können Außendiensttiere mithilfe dieses sozialen Zeitgebers Arbeiterinnen im Nest synchronisieren. Im anschließenden Monitoring der Lokomotoraktivität unter Licht-Dunkel-Bedingungen waren alle rhythmischen Arbeiterinnen einheitlich nachtaktiv, unabhängig von der vorausgegangen Fütterungszeit. Damit werden die endogenen Aktivitätsmuster, die beide Kasten in Isolation zeigen, im sozialen Kontext in Anpassung an die speziellen Anforderungen an die Kasten modifiziert. Schwerpunkt des Kapitels III ist die Untersuchung der potentiellen Faktoren, die die gezeigte Plastizität der Tagesrhythmen bei Ameisen der Art C. rufipes bedingen. Da unter anderem das Vorhandensein von Brut und Artgenossinnen sozialen Kontext signalisieren können, wurde der Effekt dieser Faktoren auf die endogenen Rhythmen von ansonsten isolierten Individuen untersucht. Selbst in Sammlerinnen verursachte der Kontakt zu Brut ein arrhythmisches Aktivitätsmuster, welches dem Verhaltensmuster von Brutpflegerinnen innerhalb der Kolonie gleicht. Wie schon in Kapitel I und II deutlich wurde, könnten soziale Interaktionen einen wesentlichen Beitrag zur Synchronisation der Nestaktivitäten leisten. Dazu wurden Gruppen getrennt voneinander mit phasenverschobenen Licht-Dunkel-Zyklen entraint, und Tiere anschließend in paarweisem Kontakt durch ein Netzgitter aufgezeichnet. Beide Individuen verschoben einen Teil ihrer Aktivität in die Aktivitätsperiode des Partners. Damit modulierten beide getesteten sozialen Faktoren die endogenen Rhythmen der Arbeiterinnen, was letztendlich zur kontextabhängigen Plastizität der Rhythmen in Ameisenkolonien beiträgt. Obwohl Brutpflegerinnen die meisten Verhaltensweisen arrhythmisch während des ganzen Tages ausüben (Kapitel II), zeigten vorangegangene Studien rhythmische Brutverlagerungen bei Brutpflegerinnen der Camponotus-Arten. Da dieses Verhalten die Brutentwicklung fördert, scheint das Timing der Verlagerungen innerhalb des ansonsten dunklen Nestes essentiell zu sein. In Kapitel IV verfolgte ich die Verlagerungsaktivität von allen Brutpflegerinnen in Subkolonien der Art C. mus. Unter den gesichert synchronisierten Bedingungen eines LD-Zykluses basierte das Brutverlagerungsmuster auf der rhythmischen, abwechselnden Aktivität von zwei Subpopulationen mit bevorzugter Verlagerungsrichtung in entweder den warmen oder kalten Bereich des Temperaturgradienten zu bestimmten Tageszeiten. Obwohl die soziale Interaktion nach Pulsfütterung einen deutlichen Einfluss auf die Nestaktivität bei C. rufipes hatte (Kapitel I und II), reichte diese Interaktion nicht aus um den Brutverlagerungsrhythmus bei C. mus innerhalb des dunklen Nests (d.h. unter Abwesenheit sonstiger Zeitgeber) zu synchronisieren. Nichtsdestotrotz zeigte der Freilauf der Brutverlagerungsrhythmen in einigen Brutpflegerinnen die Beteiligung einer inneren Uhr, welche durch anderweitige nicht-photische Zeitgeber wie Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen synchronisiert werden könnte. Tageszyklen in Temperatur und Feuchtigkeit könnten nicht nur relevant sein für Aktivitäten innerhalb des Nests, sondern auch für die Fouragieraktivität außerhalb des Nests. In Kapitel V wurden Fouragierrhythmen im Freiland bei den sympatrisch vorkommenden Ameisenarten C. mus und C. rufipes in Abhängigkeit von abiotischen Faktoren betrachtet. Obwohl die beiden Arten unter Laborbedingungen ähnliche kritische Temperaturgrenzen aufzeigten, waren die Fourageure der Art C. mus strikt tagaktiv und sammelten deswegen unter höheren Temperaturen Futter als die vorwiegend nachtaktiven Fourageure der Art C. rufipes. Bei C. rufipes Kolonien mit erhöhter Tagaktivität wiesen Markierexperimente das Vorkommen von zeitlich spezialisierten Fourageur-Subpopulationen nach. Damit deuten die Ergebnisse nicht nur das Vorkommen von unterschiedlichen zeitlichen Nischen innerhalb der beiden Camponotus-Arten an, sondern auch zwischen Arbeiterinnen von Kolonien derselben Art. Zusammenfassend gesehen umspannt die zeitliche Organisation in Kolonien der Camponotus-Ameisen nicht nur die zeitliche Planung der Aufgaben, die über das Arbeiterinnenleben hinweg ausgeführt werden, sondern auch das genaue Terminierung von Tagesaktivitäten. Bereits nach dem Schlüpfen besitzen allen Arbeiterinnen eine funktionsfähige und für die zeitliche Organisation notwendige innere Uhr. Während der Licht-Dunkel-Zyklus und Futterverfügbarkeit die bedeutenden Zeitgeber für Fourageure zu sein scheinen, könnten Brutpflegerinnen eher auf nicht-photische Zeitgeber wie soziale Interaktion, Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen angewiesen sein.

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.

Submitted by Reginaldo Soares de Freitas (reginaldo.freitas@ufv.br) on 2017-03-31T16:39:32Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3752075 bytes, checksum: 6be8efd4925be2cc35a5aacd2b24e303 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-31T16:39:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3752075 bytes, checksum: 6be8efd4925be2cc35a5aacd2b24e303 (MD5) Previous issue date: 2004-02-17 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Com o objetivo de avaliar a contribuição dos cromossomos no conhecimento dos processos evolutivos em Formicidae, foram realizados estudos citogenéticos em diferentes espécies neotropicais e analisadas informações relativas a citotaxonomia, evolução do cariótipo e padrões de especiação de formigas, focalizando as relações que existem entre a citogenética e a biogeografia. Ênfase foi dada em grupos pertencentes às subfamílias Formicinae (gênero Camponotus) e Ponerinae (gêneros Typhlomyrmex e Pachycondyla). Os resultados contribuíram para uma análise global (focalizando evolução e citogenética), sucessivamente, dos referidos gêneros, da tribo Ponerini, de diversas subfamílias e da família Formicidae no seu conjunto. As espécies dos gêneros Typhlomyrmex e Pachycondyla foram coletadas nos estados da Bahia, Minas Gerais e São Paulo no Brasil, e em duas localidades na Guiana Francesa. A técnica empregada de coloração convencional proporcionou a caracterização numérica e morfológica dos cariótipos, que variaram de 2n=12-100. Foram analisadas, entre outros caracteres, a variação de número máximo e mínimo de cromossomos/gênero, as relações entre o número de cromossomos metacêntricos (M) e acrocêntricos (A) e a direção da evolução cariotípica. No gênero Camponotus, a evolução do cariótipo segue dois tipos de ciclos de rearranjos cromossômicos: ciclo de inversão-fusão e ciclo de fissão-inversão. A variação cariotípica encontrada em diferentes populações de Typhlomyrmex rogenhoferi sugere a ocorrência de um modelo clinal, seguindo portanto um padrão biogeográfico clássico normalmente utilizado para descrever variações em caracteres morfológicos ou de coloração. Dentro dos agrupamentos propostos para as espécies de Pachycondyla, o grupo Pachycondyla (Pachycondyla) tem as espécies com os mais elevados números cromossômicos, com cromossomos bem pequenos, e na sua maioria, acrocêntricos. As espécies-irmãs Pachycondyla crenata e P. mesonotalis devem ter sofrido um processo de especiação no qual a alteração morfológica não acompanhou a alteração cariotípica, com cariótipos divergindo apenas na morfologia de um par de cromossomos, e onde a especiação traduz certamente uma adaptação divergente de nicho ecológico. Por isso, ambas são freqüentemente observadas em simpatria hoje. Esses resultados permitiram propor uma nova hipótese para a evolução do cariótipo em Formicidae baseando-se em conceitos da biogeografia e nas particularidades biológicas desta família de insetos sociais, onde o ponto central é a discussão da importância da estrutura cromossômica do genoma no processo de diferenciação dos taxa em diversas situações nesta família. Com relação à evolução cariotípica da família Formicidae concordamos com a teoria proposta por Imai e colaboradores de que seja muito provável que o cariótipo ancestral dos formicídeos seja composto por um número baixo de cromossomos. Durante o processo evolutivo, este cariótipo sofreu diferentes tipos de ciclos de rearranjos, dos quais as fissões cêntricas e as inversões pericêntricas foram os mais freqüentes. A evolução cariotípica não apresenta um único padrão para todas as subfamílias. Há gêneros com espécies que apresentam cariótipos uniformes e outros muito diversos cariotipicamente. O grau de diversidade cariotípica é mais elevado nas espécies das subfamílias consideradas filogeneticamente mais primitivas (Myrmeciinae e Ponerinae) e diminui nos grupos considerados mais derivados (Atta e Acromyrmex) e também naqueles que sofreram ampla radiação (Camponotus e Pheidole). Entre as Ponerinae, existe certamente um número maior do que se imaginava de espécies crípticas de Pachycondyla que se encontram com freqüência em simpatria. Alterações cromossômicas têm importância nos processos de especiação, atuando como um mecanismo de isolamento reprodutivo ou quando os rearranjos, ao alterar a morfologia dos cromossomos e, conseqüentemente, a localização dos genes no genoma, alteram também sua expressão. Os estudos citogenéticos são de fundamental importância no entendimento dos processos evolutivos em formigas, em particular dos eventos que levam à diferenciação de novos taxa. / To evaluate the contribution of chromosomal structure to the knowledge of the evolutionary processes among the Formicidae, cytogenetic studies on several neotropical ant species were carried out together with analysis of information relative to cytotaxonomy, karyotype evolution and patterns of ant speciation, focusing on the links which exist between cytogenetics and biogeography. Emphasis was given to some groups belonging to the Formicinae (genus Camponotus) and Ponerinae (genera Typhlomyrmex and Pachycondyla) subfamilies. The results were used for a general analysis (focusing on evolution and cytogenetics), successively, of the referred genera, of the tribe Ponerini, of several subfamilies and of Formicidae family as a whole. Species of the genera Typhlomyrmex e Pachycondyla were collected in the states of Bahia, Minas Gerais and São Paulo, Brazil, and in two localities of French Guyana. The staining conventional technique was applied for numerical and morphological characterization of the karyotypes, which varied from 2n=12-100. It was analyzed, among other characteristics, the variation between the minimum and maximum numbers of chromosomes per genus, the relation between the number of metacentric (M) and acrocentric (A) chromosomes and the sense of the karyotypical evolution. In Camponotus, the evolution follows two types of cycles of chromosomal rearrangements: cycle of inversion-fusion and cycle of fusion-inversion. The karyotypical variation which was found in different populations of Typhlomyrmex rogenhoferi suggests the occurrence of a clinal phenomenon, which thus follows a classical biogeographic pattern normally used to explain variations on morphological or color characters. Among the groupings suggested for the Pachycondyla species, the group Pachycondyla (Pachycondyla) has the species with the higher, and generally acrocentric, chromosome numbers, all of very small sizes. The sister-species Pachycondyla crenata and P. mesonotalis have certainly suffered a speciation process in which the morphological modifications did not follow that of the karyotypes, with their karyotypes divergent only by the morphology of one chromosome pair, and where the speciation translate certainly a divergent adaptation to the ecological niche. For that reason, both are frequently found in sympatry today. These results allowed to formulate a new hypothesis for the evolution of the karyotype in Formicidae, based on biogeographic concepts and on the biological particularities of this family of social insects, where the main point is the discussion about the importance of the chromosomal structure of the genome in taxa differentiation process in distinguished situations in the family. Concerning the karyotypical evolution of the Formicidae family, we agree with the theory formulated by Imai and collaborators in which it is highly probable that a small chromosome number compounded the ancestral karyotype of ants. During the evolutionary process, this karyotype suffered different sorts of cycles of rearrangements where centric fission and pericentric inversion were most frequent. The evolution of the karyotype does not show a unique pattern for the all subfamilies. There are genera that show uniform karyotypes and others very diverse for this point of view. The degree of karyotypical diversity is higher in subfamilies considered as more primitive phylogenetically (Myrmeciinae and Ponerinae) and decreases in the groups seen as more derived (Atta and Acromyrmex), as well as in those which suffered a large radiation (Camponotus and Pheidole). Among the Ponerinae, there are certainly a larger number of cryptic Pachycondyla than imagined until now, and frequently in sympatric situation. Chromosomal alterations are important in the speciation process, acting as reproductive isolation mechanisms or when the rearrangements, which cause chromosome morphology alteration and, consequently, of the genes localization in the genome, change their expression too. Cytogenetic studies are fundamentally important to understand the evolution processes among ants, and the events that originate new taxa differentiation. / Não foi localizado o cpf do autor.

Orientadores: Paulo Sergio Moreira Carvalho de Oliveira, Jose Roberto Trigo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-11T11:43:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silveira_HenriqueCesarPelicci_M.pdf: 1601394 bytes, checksum: fd0e1ab69ffeaaa903956975abcf14ec (MD5) Previous issue date: 2008 / Mestrado / Mestre em Ecologia

The fungus Ophiocordyceps camponoti-floridani (Ophcf) infects Camponotus floridanus carpenter ants and manipulates them to climb to a high tree branch, bite down on foliage and die. Post ant death, the fungus grows out of the ant and spreads spores for reproduction. I investigated the function of an Ophcf gene product highly activated during the behavioral manipulation of these “zombie ants”; an enterotoxin. I have created an expression vector and heterologously expressed this enterotoxin in Cordyceps bassiana (Cbass), a related fungus that does not normally manipulate behavior. This process includes gene amplification, Golden Gate vector cloning in E. coli, A. tumefaciens-mediated transformation to Cbass, and RT-qPCR to verify heterologous gene expression. This was followed by carpenter ant infections with transgenic Cbass (EntB), wildtype Cbass (infected control), and sham (non-infected control) infected ants. Subsequent behavioral observations using tracking system MARGO (Werkhoven et al., 2019) have detected changes in activity levels of ants infected with both transgenic and WT Cbass compared to sham infected ants. This supports previously qualitative descriptions of increased activity caused during infection with WT Cbass (Trinh, 2020). There is a slight but insignificantly higher activity response from EntB compared to WT infected ants over the course of the trial that may be indicative of Ophcf induced changes that are different from general sickness behavior. Additional replicates are necessary to discern if these findings are statistically robust. Future studies should administer this enterotoxin expressing Cbass to observe inter-social behaviors of Carpenter ants. If the enterotoxin is sufficient to elicit one of the side effects of typical Ophcf infection, this would justify further characterization of the proteins and their functions in altering C. floridanus behavior. This characterization could yield information applicable to other parasite-host relationships as well.

La vie en société présente des avantages écologiques et évolutifs, mais augmente les risques de transmission de pathogènes. Pour faire face à ce problème, les insectes sociaux ont développé plusieurs mécanismes de défenses comportementales et physiologiques, et en plus utilisé la protection fournie par des organismes tiers. C'est ainsi que des abeilles et des fourmis se servent de substances antimicrobiennes d'origine végétale ou des fourmis possèdent des bactéries productrices d'antibiotiques. La fourmi est un insecte qui, par définition, ne peut vivre que dans sa société avec des congénères avec lesquels elle entretient des relations nombreuses comme des léchages interindividuels et des échanges en bouche à bouche (appelés trophallaxies). Dans la première partie de la thèse, nous avons étudié les altérations comportementales des ouvrières de la fourmi Camponotus fellah après le déclenchement d'une réaction immunitaire. Nous avons posé l'hypothèse que si les relations sociales sont aussi coûteuses que les défenses immunitaires physiologiques, l'individu devrait être confronté à un choix : où investir son énergie ? Au contraire, suite à une réaction immunitaire les fourmis ont augmenté leur taux de trophallaxie et aucun signe d'isolement de l'ouvrière malade ne fut observé. Ce résultat met en évidence l'importance des relations sociales pour la guérison de l'individu et qui peuvent même avoir une fonction prophylactique. La deuxième partie a été consacrée à l'étude d'un endosymbiote primaire de C. fellah, une bactérie du genre Blochmannia. Cet endosymbiote a un rôle nutritif qui a été déjà montré chez d'autres espèces de Camponotus. Nous avons envisagé qu'il ait aussi d'autres fonctions comme : favoriser le système immunitaire de la fourmi, favoriser le développement des nouvelles colonies et participer à la formation de l'odeur coloniale. Nous avons d'abord décrit cette nouvelle bactérie par des techniques de biologie moléculaire. Ensuite, nous avons pu montrer qu'elle favorise la réponse immunitaire des fourmis en augmentant l'encapsulation de particules étrangères. Elle contribue à une plus grande production de larves, aboutissant à une plus grande quantité d'ouvrières. Nous n'avons pas mis en évidence de lien entre la quantité de bactéries et celle d'hydrocarbures cuticulaires, bien que leur élimination par un antibiotique entraînait une surproduction de ces hydrocarbures, probablement une réponse liée au stress. Plus généralement, ces travaux montrent de nouvelles fonctions des endosymbiotes, qui ont probablement contribué au succès écologique de ce groupe de fourmis hautement diversifié et très répandu.