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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:15806 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Kay, Janina |
| 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_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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