Desert ants of the genus Cataglyphis (Formicinae) are widely distributed in arid
areas of the palearctic ecozone. Their habitats range from relatively cluttered environments in the Mediterranean area to almost landmark free deserts. Due to their
sophisticated navigational toolkit, mainly based on the sky-compass, they were
studied extensively for the last 4 decades and are an exceptional model organism
for navigation. Cataglyphis ants exhibit a temporal polyethism: interior workers
stay inside the dark nest and serve as repletes for the first ∼2 weeks of their adult
life (interior I). They then switch to nursing and nest maintenance (interior II)
until they transition to become day-active outdoor foragers after ∼4 weeks. The
latter switch in tasks involves a transition phase of ∼2-3 days during which the
ants perform learning and orientation walks. Only after this last phase do the ants
start to scavenge for food as foragers.
In this present thesis I address two main questions using Cataglyphis desert ants
as a model organism:
1. What are the underlying mechanisms of temporal polyethism?
2. What is the neuronal basis of sky-compass based navigation in Cataglyphis
ants?
Neuropeptides are important regulators of insect physiology and behavior and as
such are promising candidates regarding the regulation of temporal polyethism in
Cataglyphis ants. Neuropeptides are processed from large precursor proteins and undergo substantial post-translational modifications. Therefore, it is crucial to biochemically identify annotated peptides. As hardly any peptide data are available
for ants and no relevant genomic data has been recorded for Cataglyphis, I started
out to identify the neuropeptidome of adult Camponotus floridanus (Formicinae)
workers (manuscript 1). This resulted in the first neuropeptidome described in an
ant species – 39 neuropeptides out of 18 peptide families. Employing a targeted
approach, I identified allatostatin A (AstA), allatotropin (AT), short neuropeptide
F (sNPF) and tachykinin (TK) using mass spectrometry and immunohistology to
investigate the distribution of AstA, AT and TK in the brain (manuscript 2). All
three peptides are localized in the central complex, a brain center for sensory integration and high-order control of locomotion behavior. In addition, AstA and
TK were also found in visual and olfactory input regions and in the mushroom
bodies, the centers for learning and memory formation. Comparing the TK immunostaining in the brain of 1, 7 and 14 days old dark kept animals revealed that
the distribution in the central complex changes, most prominently in the 14 day
old group. In the Drosophila central complex TK modulates locomotor activity
levels. I therefore hypothesize that TK is involved in the internal regulation of the
interior I–interior II transition which occurs after ∼2 weeks of age.
I designed a behavioral setup to test the effect of neuropeptides on the two traits:
’locomotor activity level’ and ’phototaxis’ (manuscript 3). The test showed that
interior I ants are less active than interior II ants, which again are less active
than foragers. Furthermore, interior ants are negatively phototactic compared to
a higher frequency of positive phototaxis in foragers. Testing the influence of AstA
and AT on the ants’ behavior revealed a stage-specific effect: while interior I behavior is not obviously influenced, foragers become positively phototactic and more
active after AT injection and less active after AstA injection. I further tested the
effect of light exposure on the two behavioral traits of interior workers and show that it rises locomotor activity and results in decreased negative phototaxis in
interior ants. However, both interior stages are still more negatively phototactic
than foragers and only the activity level of interior II ants is raised to the forager
level. These results support the hypothesis that neuropeptides and light influence
behavior in a stage-specific manner.
The second objective of this thesis was to investigate the neuronal basis of skycompass navigation in Cataglyphis (manuscript 4). Anatomical localization of the
sky-compass pathway revealed that its general organization is highly similar to
other insect species. I further focused on giant synapses in the lateral complex,
the last relay station before sky-compass information enters the central complex.
A comparison of their numbers between newly eclosed ants and foragers discloses
a rise in synapse numbers from indoor worker to forager, suggesting task-related
synaptic plasticity in the sky-compass pathway. Subsequently I compared synapse
numbers in light preexposed ants and in dark-kept, aged ants. This experiment
showed that light as opposed to age is necessary and sufficient to trigger this rise
in synapse number. The number of newly formed synapses further depends on the
spectral properties of the light to which the ants were exposed to.
Taken together, I described neuropeptides in C. floridanus and C. fortis, and provided first evidence that they influence temporal polyethism in Cataglyphis ants.
I further showed that the extent to which neuropeptides and light can influence
behavior depends on the animals’ state, suggesting that the system is only responsive under certain circumstances. These results provided first insight into the
neuronal regulation of temporal polyethism in Cataglyphis. Furthermore, I characterized the neuronal substrate for sky-compass navigation for the first time in
Cataglyphis. The high level of structural synaptic plasticity in this pathway linked
to the interior–forager transition might be particularly relevant for the initial calibration of the ants’ compass system. / Wüstenameisen der Gattung Cataglyphis sind weit verbreitet in ariden Gebieten
der paläarktischen Ökozone. Die von ihnen bewohnten Habitate reichen von landmarkenreichen Arealen im Mittelmeerraum, zu beinahe landmarkenfreien Wüstengebieten. Aufgrund ihres hochentwickelten Navigationssystems, welches größtenteils auf dem Himmelskompass basiert, wurden sie in den letzten 4 Jahrzehnten
extensiv studiert und sind ein einzigartiges Modellsystem für Navigation. Cataglyphis weisen einen alterskorrelierten Polyethismus auf: Innendienstler dienen
als Speichertiere für die ersten ∼2 Wochen ihres adulten Lebens (Interior I). Sie
gehen daraufhin zu Brutpflege und Nestbau (Interior II) über bis sie nach ∼4
Wochen zu tagaktiver Furagiertätitkeit außerhalb ihres Nestes wechseln. Dieser
letzte Übergang dauert ∼2-3 Tage und wird von den Ameisen genutzt, um Lernund Orientierungsläufe durchzuführen.
In der vorliegenden Arbeit befasse ich mich vor allem mit zwei Fragen, die ich mit
Hilfe von Cataglyphis als Modellorganismus beantworten möchte:
1. Welches sind die zugrunde liegenden Mechanismen des Alterspolyethismus?
2. Was ist die neuronale Grundlage von Navigation, die auf dem Himmelskompass basiert?
Neuropeptide sind bedeutende Regulatoren der Physiologie und des Verhaltens von
Insekten und als solche vielversprechende Kandidaten im Hinblick auf die Regulation des Alterspolyethismus in Cataglyphis Ameisen. Neuropeptide werden aus größeren Vorläuferproteinen herausgeschnitten und posttranslational stark modifiziert. Daher ist es wichtig, annotierte Peptide auch biochemisch zu identifizieren.
Da für Ameisen kaum Peptiddaten zur Verfügung stehen und es zudem keine
relevanten genomischen Daten für Cataglyphis gibt, identifizierte ich zunächst
das Neuropeptidom adulter Camponotus floridanus (Formicinae) Arbeiterinnen
(Manuskript 1). Daraus resultierte das erste Neuropeptidom, das für eine Ameisenart beschrieben wird—39 Neuropeptide aus 18 Peptidfamilien. In einer weiteren
Studie identifizierte ich gezielt die Neuropeptidfamilien Allatostatin A (AstA), Allatotropin (AT), das kurze Neuropeptid F (sNPF) und Tachykinin (TK) mittels
Massenspektroskopie und untersuchte die Verteilung von AstA, AT und TK im
Gehirn mit Hilfe der Immunhistologie (Manuskript 2). Alle drei Peptide sind im
Zentralkomplex lokalisiert, dem Gehirnzentrum welches sensorische Eingänge integriert und in einer übergeordneten Rolle Lokomotorverhalten steuert. AstA und
TK sind zudem in den visuellen und olfaktorischen Eingangsregionen, sowie den
Pilzkörpern, den Zentren für Lernen und Gedächtnisbildung, zu finden. Ein Vergleich der TK-Immunfärbung im Gehirn von 1, 7 und 14 Tage alten im Dunkeln
gehaltenen Tieren zeigt, dass sich die Verteilung im Zentralkomplex verändert—
dies ist besonders prominent in der 14 Tage alten Gruppe. In Drosophila moduliert
TK im Zentralkomplex Lokomotoraktivität. Basierend darauf stelle ich die Hypothese auf, dass TK in der internen Regulierung des Übergangs von Interior I zu
Interior II involviert ist, welchen die Tiere im Alter von ∼2 Wochen durchlaufen.
Für eine dritte Studie konstruierte ich ein Verhaltenssetup um den Einfluss von
Neuropeptiden und Licht auf die beiden Verhaltensmerkmale ’Lokomotoraktivität’ und ’Phototaxis’ zu testen (Manuskript 3). Der Test zeigte, dass Interior
I Ameisen weniger aktiv sind als Interior II Ameisen, welche wiederum weniger
aktiv sind als Furageure. Zudem sind Interior Ameisen negativ phototaktisch, verglichen mit einer häufiger zu beobachtenden positiven Phototaxis bei Furageuren. Im Test zeigte sich auch, dass der Einfluss von AstA und AT stadiumsspezifisch ist:
während das Verhalten von Interior I Tieren nicht offensichtlich beeinflusst wird,
werden Furageure durch die Injektion von AT positiv phototaktisch, sowie aktiver
und AstA-Injektion führt zu geminderter Lokomotoraktivität. Darüber hinaus
testete ich den Lichteinfluss auf beide Verhaltensmerkmale in den Innendienststadien und zeige, dass er Lokomotoraktivität steigert und in einer geminderten
negativen Phototaxis resultiert. Beide Innendienststadien sind jedoch weiterhin
negativer phototaktisch als Furageure und nur die Lokomotoraktivtät von Interior II Ameisen wird auf das Niveau von Furageuren angehoben. Diese Ergebnisse
stützen die Hypothese, dass Neuropeptide und Licht stadiumsspezifisch Verhalten
beeinflussen.
Der zweite Aspekt dieser Thesis war es, die neuronale Grundlage der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis aufzuklären (Manuskript 4). Die neuroanatomische
Lokalisation der Himmelskompasssehbahn zeigt, dass die allgemeine Organisation
dieser neuronalen Bahn der bei bisher untersuchten anderen Insekten stark ähnelt. Ich habe mich daraufhin auf Riesensynapsen im lateralen Komplex konzentriert, der letzten Verschaltungsstation ehe die Himmelskompassinformation in
den Zentralkomplex übertragen wird. Ein Vergleich zwischen der Synapsenzahl
in frisch geschlüpfte Ameisen und erfahrenen Furageueren zeigte einen Anstieg der
Synapsenzahl von Innendienst zu Furaguer, was aufgabenabhängige synaptische
Plastizität in der Himmelskompasssehbahn suggeriert. In einem weiteren Versuch
verglich ich die Riesensynapsenzahlen lichtexponierter Tiere und dunkel gehaltener, gealteter Tiere. Dieses Experiment zeigte, dass der Zuwachs an Riesensynapsen durch den Lichteinfluss ausgelöst wird und keinen altersabhängigen Prozess
darstellt. Zudem verändert sich die Anzahl der neu gebildeten Riesensynapsen in
Abhängigkeit von den spektralen Eigenschaften des Lichts, dem die Ameisen ausgesetzt sind. Zusammengefasst beschrieb ich in dieser Thesis Neuropeptide in C. floridanus und
Cataglyphis und lieferte erste Evidenz, dass diese den Alterspolyethismus in Cataglyphis beeinflussen. Zudem zeigte ich, dass das Ausmaß in dem Neuropeptide
und Lichtexposition Verhalten beeinflussen können, stadiumsspezifisch ist. Dies
suggeriert, dass das System nur unter bestimmten Bedingungen auf externe Einflüsse reagiert. Diese Ergebnisse lieferten erste wichtige Einblicke in die neuronale
Grundlage von Alterspolyethismus in Cataglyphis. Zudem charakterisierte ich erstmals das neuronale Substrat der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis. Das
hohe Maß an synaptischer Plastizität in dieser Sehbahn beim Übergang von Innenzu Außendienst, könnte besondere Relevanz für die initiale Kalibrierung des Kompasssystems haben.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:14204 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Schmitt, Franziska |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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