Note préliminaire sur la structure, la phénologie et le régime alimentaire d'une super-colonie de formica lugubris zett

Formica lugubris apparaît comme une espèce hautement polycalique dans le Jura suisse et forme des super-colonies. La super-colonie étudiée comprend environ 1200 nids répartis sur 70 hectares. L'étude détaillée de 12 hectares permet de définir 4 types de nids:les nids principaux, secondaires, saisonniers etcommençants, ainsi que trois sortes de voies de communication:les routes de liaisons permanentes visibles sur le terrain, les pistes de liaisons non-permanentes non marquées sur le terrain etles chemins d'approvisionnement permanents marqués dans le terrain. L'auteur présente la phénologie deF. lugubris qui est fortement influencée par le climat de cette région avec une période moyenne d'activité de 150 jours. D'autre part, les premières données sur le régime alimentaire (analyse des proies récoltées par les fourmis) diffèrent considérablement des données connues pour les autres espèces du groupe rufa, notamment par le nombre élevé de pucerons, d'où l'idée d'une régulation des populations de pucerons par les fourmis. Enfin l'auteur aborde le problème de la faible densité de l'avifaune en relation avec les fourmis. Il semble que le climat et les ressources alimentaires conduisent les fourmis àune nouvelle stratégie écologique qui s'exprimerait par la création de super-colonies. Formica lugubris appears as a highly polycalic species in the Swiss Jura and creates super-colonies. The super-colony studied possesses about 1200 nests on about 70 hectares. The detailed study of 12 hectares allows the discrimination of 4 types of nests:the main nests, the secondary nests, the seasonal nests andthe starting nests, as well as 3 types of ant tracks:the constant connection routes visible on the soil, thenon-constant connection tracks not marked on the soil andthe constant foraging routes marked on the soil. The author presents the phenology ofF. lugubris who is strongly influenced by the climate of the region with a mean activity period of about 150 days. On the other hand, the first results about diet (analysis of the preys collected by the ants) differ considerably from the wellknown data for the others species of the rufa group, especially by the high number of aphids, which may be inferred the notion of a regulation of aphids population by the ants. Finally the author approaches the problem of the low density of avifauna in relation to the ants. It seems that climate and food resources lead the ants toa new ecological strategy which would express itself by the creation of super-colonies.

Social evolution in the sweat bee Halictus scabiosae

The evolution of eusociality is one of the major evolutionary transitions of life on earth. For investigating the conditions and processes that are central to the origin of such integrated social organization, it is best to study organisms in which individuals have retained some flexibility in their reproductive strategies. Halictid bees are especially well suited as model organisms, because they show huge variation in social systems, both within and between species. In this thesis, I investigated female reproductive strategies in the primitively eusocial bee Halictus scabiosae, with a focus on the role of helpers, in order to get insight into the mechanisms governing the evolution and maintenance of eusociality. This species produces two broods per year. The females from the first brood can stay in the natal nest to help raise a second brood of males and gynes that become the next-generation foundresses in spring. We first compared the morphology of females from the two broods, as well as the nutrition they receive as larvae. Then we conducted a helper- removal experiment in the field to quantify the effects of the presence of helpers on colony survival and productivity. Finally, we reconstructed pedigree relationships of individuals using microsatellite markers in order to detect who reproduces in the nest and how much individuals drift between nests. We found that first brood females had a uniformly small size and low fat reserves, which may be caused by the restricted pollen and nectar provisions on which they develop. Colony survival and productivity was increased by the presence of a single helper, but the effect was small and mostly limited to small colonies. By inferring parentage within and across colonies, we could determine that females from the first brood rarely reproduce in their natal nests. However, foundresses are frequently replaced, and foundresses and females from the first brood occasionally move to and reproduce in foreign colonies. As a result, colonies often contain offspring from unrelated individuals, and the relatedness of females to the brood they rear is low. Overall, this thesis shows that the reproductive system of H. scabiosae is highly flexible. The production of helpers in the first brood is important for colony success and productivity, but there is a high colony failure rate and part of the first brood females drift and reproduce in foreign nests. Both foundresses and helpers appear to be constrained by harsh environmental conditions or social factors limiting reproduction and independent colony founding. - L'origine des insectes sociaux est un domaine fascinant pour la recherche. Pour comprendre les mécanismes et les conditions qui sont nécessaires pour l'évolution et le maintien de la vie en société, il est judicieux d'étudier des sociétés primitives d'insectes, où toutes les femelles ont conservé la capacité de se reproduire, même si leur rôle comportemental dans la colonie est d'aider sans se reproduire. Une des familles d'abeilles, les halictes, est idéale pour cette sorte de recherche, en raison de la grande variabilité dans leur comportement social. Dans cette thèse, j'ai étudié les stratégies reproductives des femelles de Halictus scabiosae pour mieux comprendre les mécanismes qui influencent l'évolution de la vie en société. Cette espèce produit deux cohortes de couvain par année. Les femelles du premier couvain restent souvent dans leur nid natal pour aider à élever le deuxième couvain, tandis que les femelles du deuxième couvain s'accouplent et hibernent pour devenir les nouvelles fondatrices au printemps suivant. Nous avons d'abord comparé la morphologie des femelles issues des deux couvains ainsi que leur nutrition au stade de larve. Puis, dans une expérience sur le terrain, nous avons quantifié l'apport d'une ouvrière pour la survie et la productivité de la colonie. Finalement, nous avons reconstruit des pedigrees en utilisant des marqueurs génétiques, pour savoir qui se reproduit dans la colonie et combien d'individus migrent entre colonies. Les résultats montrent que les femelles du premier couvain sont uniformément plus petites et plus maigres, ce qui indique que les fondatrices réduisent les provisions de nourriture pour leur premier couvain afin de les inciter à aider dans le nid au lieu de se reproduire indépendamment. Dans l'expérience sur le terrain, la survie et la productivité de la colonie augmentaient avec la présence d'une ouvrière additionnelle, mais l'effet était petit et limité aux petites colonies. Par la reconstruction de pedigrees, nous pouvions constater que les femelles du premier couvain pondent rarement dans leurs nids natals. Les fondatrices cependant sont souvent remplacées en cours de saison, et migrent fréquemment entre nids, tandis que les femelles du premier couvain pondent parfois des oeufs dans des nids étrangers. De ce fait, les colonies contiennent souvent des descendants d'individus étrangers, et la parenté génétique entre les femelles et le deuxième couvain est basse. Cette thèse démontre que le système reproductif de H. scabiosae est très flexible. La production d'ouvrières est importante pour la survie de la colonie et sa productivité, mais le taux d'échec est élevé et une partie des femelles du premier couvain migrent et pondent dans une colonie étrangère. Autant les fondatrices que les ouvrières semblent être contraintes par des conditions environnementales ou sociales qui limitent la reproduction et les nouvelles fondations de colonie. - Die Entstehung von sozialen Lebensformen ist eines der wichtigsten Entwicklungen in der Geschichte des Lebens. Um die Bedingungen oder Prozesse zu verstehen, welche bei der Entstehung und dem Erhalt von sozialen Merkmalen wichtig sind, sollte man Lebewesen untersuchen, welche je nach Umwelteinflüßen ihr soziales Verhalten flexibel ändern können. Furchenbienen (Halictidae) gehören dazu. Diese weisen nämlich ein breites Spektrum verschiedener sozialer Organisationsformen auf, oftmals sogar innerhalb der einzelnen Arten. In meiner Doktorarbeit befasste ich mich mit den Fortpflanzungsstrategien der Weibchen der Skabiosen-Furchenbiene Halictus scabiosae. Diese Art produziert zwei Brüten pro Jahr. Die Weibchen der ersten Brut bleiben dabei meist als Arbeiterinnen in ihrem Geburtsnest, wohingegen die Weibchen der zweiten Brut nach der Paarung überwintern, um im nächsten Frühling neue Kolonien zu gründen. In einem ersten Schritt verglichen wir die beiden Brüten bezüglich der Grösse und der Fettreserven der Weibchen sowie der Pollen-Nektar-Vorräte für die Larven. Dann bestimmten wir in einem Feldexperiment, wieviel eine zusätzliche Arbeiterin zum Überleben und zur Produktiviät der Kolonie beiträgt. Schliesslich ermittelten wir durch genetische Tests die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen den Bienen, um herauszufinden, wer in den Kolonien tatsächlich die Eier legt und ob und wieviel die Bienen zwischen verschiedenen Nestern wandern. Wir stellten fest, dass die Weibchen von der ersten Brut einheitlich kleiner sind und weniger Fettreserven besitzen. Das weist daraufhin, dass die Nestgründerin die erste Brut unterernährt, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass diese Weibchen als Arbeiterinnen im Nest bleiben anstatt sich unabhängig fortzupflanzen. Schon eine einzelne zusätzliche Arbeiterin verbesserte die Überlebenschancen und Produktivität der Kolonie, der Effekt war allerdings klein und auf kleine Kolonien beschränkt. Die Verwandtschaftsanalysen zeigten, dass die Arbeiterinnen nur sehr selten ein Ei in ihr Geburtsnest legen. Erstaunlicherweise wanderten die Nestgründerinnen oft zwischen verschiedenen Nestern. Einige Weibchen der ersten Brut wanderten auch in ein fremdes Nest und produzierten dort Nachkommen. Diese Doktorarbeit zeigt, dass die Fortpflanzungsstrategien der Skabiosen-Furchenbiene tatsächlich sehr flexibel sind. Die Anwesenheit von Arbeiterinnen ist wichtig für das Überleben und die Produktivität der Kolonie. Die Misserfolgsraten bleiben jedoch hoch, und ein Teil der Weibchen der ersten Brut pflanzt sich in fremden Nestern fort. Sowohl die Nestgründerinnen als auch die Weibchen der ersten Brut scheinen durch Umweltsbedingungen oder durch soziale Faktoren in der Wahl ihrer Fortpflanzungs¬strategie eingeschränkt zu sein.

Problèmes posés par Formica paralugubris, nouvelle espèce de fourmis des bois

Les nombreux travaux liés à la découverte d'une super-colonie de fourmis des bois dans le Jura suisse à partir des années 70 ont abouti à la description d'une nouvelle espèce : Formica paralugubris Seifert. Cette dernière est une espèce jumelle sympatrique de Formica lugubris en Suisse. Les auteurs résument les connaissances actuelles, notamment les aspects relatifs à la distribution et aux stratégies de reproduction de ces deux espèces jusqu'alors confondues en Europe.

Le remplacement des reines dans les colonies orphelines de la fourmi d 'Argentine Iridomyrmex humilis (Mayr). Mécanismes et conséquences

Chez de nombreuses espèces, comme la fourmi d'Argentine Iridomyrmex humils (Mayr), les ouvrières sont totalement stériles. Quel est le devenir d'une colonie en cas de mort de la reine? Afin de répondre à cette question, nous avons orpheliné des colonies de fourmis d'Argentine. Environ 70 jours après l'orhelinage, ces colonies ont produits des mâles et des sexués femelles qui se sont accouplés dans le nid, ce qui a permis le remplacement des reines. Cette production de sexués est probablement possible grâce à la présence constante de couvain mâle dans les colonies et à la levée de l'inhibition des reines sur la production de sexués femelles après l'orphelinage. La possiblilité de produire de nouvelles reines fécondées joue vraisemblablement un rôle primordial dans l'introduction de cette espèce dans de nouveaux habitats.

Evolution, maintenance and ecological consequences of genetic caste determination in " Pogonomyrmex " harvester ants

Summary Division of labor between reproducers (queens) and helpers (workers) is the main characteristic of social insect societies and at the root of their ecological success. Kin selection models predict that phenotypic differences between queens and workers should result from environmental rather than from genetic differences. However, genetic effects on queen and worker differentiation were found in two populations-of Pogonomyrmex harvester ants. Each of the two populations is composed of two genetically distinct lineages. Queens (which can be of either lineage) generally mate with males of their own and of the alternate lineage and produce two types of female offspring, those fertilized by males of the queens' lineage which develop into queens and those fertilized by males of the alternate lineage which develop into workers. All four lineages were further suggested to be themselves of hybrid origin between-the species P: barbatus and P. rugosus, in which queens and workers do not differ genetically. In a first set of experiments, we tested if female caste determination (the differentiation into queens and workers) in the lineages was genetically hardwired and if it was associated with costs in terms of the ability to optimally allocate resources to the production of queens and workers. To this end we first mated queens of-two lineages to a single male. Queens mated to a male of the alternate lineage successfully raised worker offspring whereas queens mated to a male of their own lineage almost always failed to produce workers. This reveals that pure-lineage individuals have lost the ability to develop into workers. Second, we analyzed offspring produced by naturally mated queens. During the stage of colony founding when only workers are produced, naturally mated queens laid a high proportion of pure-lineage eggs but the large majority of these eggs failed to develop. As a consequence, the number of offspring produced by incipient colonies decreased linearly with the proportion of pure-lineage eggs laid by queens. Moreover, queens of the lineage most commonly represented in a given population produced more pure-lineage eggs, in line with the view that they mate randomly with the two types of males and indiscriminately use their sperm. Altogether these results predict frequency-dependent founding success for pairs of lineages because queens of the more common lineage will produce more pure-lineage eggs and their colonies be less successful during the stage of colony founding. To describe the distribution of populations characterized with genetic caste determination relative to the populations with environmental caste determination we genotyped queens and workers collected during a large survey of -additional populations. Genetic caste determination associated with pairs of interbreeding lineages was frequent and widespread in the studied range and we identified four additional lineages displaying genetic caste determination. Overall, there were thus eight highly differentiated lineages with genetic caste determination. These lineages always co-occurred in the same complementary lineage pairs. Three of the four lineage pairs appeared to have a common origin, while their relationship with the forth could not be resolved. The genetic survey also revealed that, in addition to being genetically isolated from one another, all eight lineages were genetically distinct from P. rugosus and P. barbatus, even when colonies of interbreeding lineages co-occurred with colonies of either putative parent at the same site. This raised the question of the mechanisms involved in the reproductive isolation between the lineages and the parental species and between the two lineages of a lineage pair. At a site where one lineage pair co-occurred with P. rugosus, we identified two pre-zygotic mechanisms (differences in timing for mating flights between P. rugosus and the lineage pair and assortative mating) and one post-zygotic mechanism (high levels of hybrid unviablility) which in combination may largely account for the reproductive isolation between the lineages and their parental species. The mechanisms accounting for the reproductive isolation between the two lineages of a lineage pair varied across lineage pairs. In one lineage pair, inter-lineage individuals exclusively occurred in the sterile worker caste, raising the possibility that inter-lineage eggs have completely lost the ability to develop into queens in this lineage pair and that there is thus no opportunity for gene flow. In each of the three remaining lineage pairs, inter-lineage queens were produced by a minority of colonies. In these lineage pairs, colonies headed by inter-lineage queens failed to grow sufficiently to produce reproductive individuals which may account for the reproductive isolation between co-occurring lineages in three lineage pairs. In conclusion, the results of this thesis show that genetic caste determination is costly but widespread in Pogonomyrmex harvester ants. Reproductive isolation among the lineages and between the lineages and the parental species as well as frequency-dependent founding success for co-occurring lineages may contribute to the persistence of this extraordinary system. Résumé La division du travail entre individus reproducteurs (les reines) et individus non-reproducteurs (ouvrières) représente la caractéristique principale des sociétés d'insectes et est à la base de leur succès écologique. Des modèles de sélection de parentèle prédisent que les différences phénotypiques entre reines et ouvrières devraient provenir d'effets environnementaux plutôt que de différences génétiques. Malgré ce fait, des effets génétiques sur la différentiation entre reines et ouvrières ont été montrés dans deux populations de fourmis moissonneuses du genre Pogonomyrmex. Chacune des deux populations est composée de deux lignées génétiquement distinctes. Les reines de chaque lignée s'accouplent en général avec des mâles de leur propre lignée ainsi qu'avec des mâles de l'autre lignée et produisent deux types d'oeufs, ceux qui sont fécondés par les mâles de leur propre lignée qui se développent en nouvelles reines et ceux qui sont fécondés par les mâles de l'autre lignée qui se développent en ouvrières. Il a été suggéré que les lignées sont elles-mêmes des hybrides entre les deux espèces P. barbatus et P. rugosus. Dans ces deux espèces, les reines et ouvrières ne sont pas génétiquement distinctes. Dans une première série d'expériences, nous avons testé si la détermination de la caste femelle (le développement en reine ou en ouvrière) est génétiquement rigide et si elle est associée à des coûts en terme de capacité à allouer de façon optimale les ressources pour la production de reines et d'ouvrières. Pour cela nous avons accouplé des reines de deux lignées avec un seul mâle. Les reines accouplées avec un mâle de l'autre lignée ont élevé de nouvelles ouvrières avec succès alors que les reines accouplées avec un mâle de leur propre lignée ont presque toujours échoué à produire des ouvrières. Ceci montre que les individus de lignée pure ont perdu la capacité de se développer en ouvrière. Deuxièmement, nous avons analysé la descendance de reines qui se sont accouplées naturellement. Durant le stade de fondation de la colonie, où seules des ouvrières sont élevées, les reines accouplées naturellement ont pondu une grande proportion d'oeufs de lignée pure mais la majorité de ces derniers ne se sont pas développés. En conséquence, le nombre de descendants produits par des colonies fondatrices diminuait linéairement avec la proportion des oeufs de lignée pure pondus par la reine en accord avec l'hypothèse que les reines s'accouplent au hasard avec les deux types de mâles et utilisent leur sperme aléatoirement. Dans l'ensemble; ces résultats prédisent un succès de fondation fréquence-dépendant pour les deux lignées, car les reines de la lignée la plus fréquente produiront .plus d'oeufs de lignée pure et leurs colonies auront moins de succès lors de la fondation de colonies par rapport aux colonies de la lignée la moins fréquente. Pour décrire la distribution des-populations caractérisées par une détermination génétique des castes par rapport aux populations caractérisées par une détermination environnementale des castes, nous avons génotypé des reines et des ouvrières qui ont été collectées lors d'une analyse de populations supplémentaires. La détermination génétique des castes associée à des croisements entre lignées est fréquente et largement répartie dans l'aire étudiée. Nous avons identifié quatre lignées supplémentaires, ayant une détermination génétique des castes, pour un total de huit lignées. Ces huit lignées forment quatre paires de lignées et on ne trouve jamais deux lignées de paires différentes, dans une population. Trois des quatre paires de lignées s'avèrent avoir une origine commune alors que leur relation avec la quatrième paire de lignées n'a pas pu être résolue. L'analyse génétique de populations supplémentaires a également révélé qu'en plus d'être génétiquement isolées les unes des autres, les huit lignées sont génétiquement distinctes de P. rugosus et P. barbatus même si les colonies d'une paire de lignées se trouvent en sympatrie avec l'une ou l'autre des espèces parentales. Ceci relève la question des mécanismes impliqués dans l'isolation reproductive entre les lignées et les espèces parentales ainsi qu'entre les deux lignées d'une paire. En étudiant un site où une paire de lignées se trouve en sympatrie avec P. rugosus, nous avons identifié deux mécanismes pré-zygotiques (des différences dans le timing du vol nuptial entre P. rugosus et les lignées et des accouplements assortis) ainsi qu'un mécanisme post-zygotique (un niveau élevé de non-viabilité des hybrides). En combinaison, ces mécanismes peuvent largement expliquer l'isolement reproductif entre les lignées et leurs espèces parentales. Les mécanismes contribuant à l'isolement reproductif entre les deux lignées d'une paire variaient entre paires de lignées. Dans une paire, les individus de génotype inter-lignée se trouvent uniquement dans la caste stérile des ouvrières, suggérant qu'il n'y a pas d'opportunité pour avoir du flux de gènes entre les deux lignées ce cette paire. Dans chacune des trois autres paires de lignées des nouvelles reines de génotype inter-lignée sont produites par une minorité de colonies. Par contre, les colonies avec une reine mère de génotype inter-lignée ne se développent pas suffisamment pour produire des individus reproducteurs. Ceci peut donc expliquer pourquoi il n'y a pas de flux de gènes entre les deux lignées de trois paires. En conclusion, les résultats de cette thèse montrent que la détermination génétique de la caste est coûteuse mais très répandue chez les fourmis. moissonneuses du genre Pogonomyrmex. L'isolement reproductif des lignées entre elles et avec les espèces parentales, ainsi qu'un succès de fondation fréquence-dépendant contribuent à la persistance de ce système extraordinaire.

Role of genetic and social factors in modulating the efficiency of division of labour in social insects

Summary : Division of labour is one of the most fascinating aspects of social insects. The efficient allocation of individuals to a multitude of different tasks requires a dynamic adjustment in response to the demands of a changing environment. A considerable number of theoretical models have focussed on identifying the mechanisms allowing colonies to perform efficient task allocation. The large majority of these models are built on the observation that individuals in a colony vary in their propensity (response threshold) to perform different tasks. Since individuals with a low threshold for a given task stimulus are more likely to perform that task than individuals with a high threshold, infra-colony variation in individual thresholds results in colony division of labour. These theoretical models suggest that variation in individual thresholds is affected by the within-colony genetic diversity. However, the models have not considered the genetic architecture underlying the individual response thresholds. This is important because a better understanding of division of labour requires determining how genotypic variation relates to differences in infra-colony response threshold distributions. In this thesis, we investigated the combined influence on task allocation efficiency of both, the within-colony genetic variability (stemming from variation in the number of matings by queens) and the number of genes underlying the response thresholds. We used an agent-based simulator to model a situation where workers in a colony had to perform either a regulatory task (where the amount of a given food item in the colony had to be maintained within predefined bounds) or a foraging task (where the quantity of a second type of food item collected had to be the highest possible). The performance of colonies was a function of workers being able to perform both tasks efficiently. To study the effect of within-colony genetic diversity, we compared the performance of colonies with queens mated with varying number of males. On the other hand, the influence of genetic architecture was investigated by varying the number of loci underlying the response threshold of the foraging and regulatory tasks. Artificial evolution was used to evolve the allelic values underlying the tasks thresholds. The results revealed that multiple matings always translated into higher colony performance, whatever the number of loci encoding the thresholds of the regulatory and foraging tasks. However, the beneficial effect of additional matings was particularly important when the genetic architecture of queens comprised one or few genes for the foraging task's threshold. By contrast, higher number of genes encoding the foraging task reduced colony performance with the detrimental effect being stronger when queens had mated with several males. Finally, the number of genes determining the threshold for the regulatory task only had a minor but incremental effect on colony performance. Overall, our numerical experiments indicate the importance of considering the effects of queen mating frequency, genetic architecture underlying task thresholds and the type of task performed when investigating the factors regulating the efficiency of division of labour in social insects. In this thesis we also investigate the task allocation efficiency of response threshold models and compare them with neural networks. While response threshold models are widely used amongst theoretical biologists interested in division of labour in social insects, our simulation reveals that they perform poorly compared to a neural network model. A major shortcoming of response thresholds is that they fail at one of the most crucial requirement of division of labour, the ability of individuals in a colony to efficiently switch between tasks under varying environmental conditions. Moreover, the intrinsic properties of the threshold models are that they lead to a large proportion of idle workers. Our results highlight these limitations of the response threshold models and provide an adequate substitute. Altogether, the experiments presented in this thesis provide novel contributions to the understanding of how division of labour in social insects is influenced by queen mating frequency and genetic architecture underlying worker task thresholds. Moreover, the thesis also provides a novel model of the mechanisms underlying worker task allocation that maybe more generally applicable than the widely used response threshold models. Resumé : La répartition du travail est l'un des aspects les plus fascinants des insectes vivant en société. Une allocation efficace de la multitude de différentes tâches entre individus demande un ajustement dynamique afin de répondre aux exigences d'un environnement en constant changement. Un nombre considérable de modèles théoriques se sont attachés à identifier les mécanismes permettant aux colonies d'effectuer une allocation efficace des tâches. La grande majorité des ces modèles sont basés sur le constat que les individus d'une même colonie diffèrent dans leur propension (inclination à répondre) à effectuer différentes tâches. Etant donné que les individus possédant un faible seuil de réponse à un stimulus associé à une tâche donnée sont plus disposés à effectuer cette dernière que les individus possédant un seuil élevé, les différences de seuils parmi les individus vivant au sein d'une même colonie mènent à une certaine répartition du travail. Ces modèles théoriques suggèrent que la variation des seuils des individus est affectée par la diversité génétique propre à la colonie. Cependant, ces modèles ne considèrent pas la structure génétique qui est à la base des seuils de réponse individuels. Ceci est très important car une meilleure compréhension de la répartition du travail requière de déterminer de quelle manière les variations génotypiques sont associées aux différentes distributions de seuils de réponse à l'intérieur d'une même colonie. Dans le cadre de cette thèse, nous étudions l'influence combinée de la variabilité génétique d'une colonie (qui prend son origine dans la variation du nombre d'accouplements des reines) avec le nombre de gènes supportant les seuils de réponse, vis-à-vis de la performance de l'allocation des tâches. Nous avons utilisé un simulateur basé sur des agents pour modéliser une situation où les travailleurs d'une colonie devaient accomplir une tâche de régulation (1a quantité d'une nourriture donnée doit être maintenue à l'intérieur d'un certain intervalle) ou une tâche de recherche de nourriture (la quantité d'une certaine nourriture doit être accumulée autant que possible). Dans ce contexte, 'efficacité des colonies tient en partie des travailleurs qui sont capable d'effectuer les deux tâches de manière efficace. Pour étudier l'effet de la diversité génétique d'une colonie, nous comparons l'efficacité des colonies possédant des reines qui s'accouplent avec un nombre variant de mâles. D'autre part, l'influence de la structure génétique a été étudiée en variant le nombre de loci à la base du seuil de réponse des deux tâches de régulation et de recherche de nourriture. Une évolution artificielle a été réalisée pour évoluer les valeurs alléliques qui sont à l'origine de ces seuils de réponse. Les résultats ont révélé que de nombreux accouplements se traduisaient toujours en une plus grande performance de la colonie, quelque soit le nombre de loci encodant les seuils des tâches de régulation et de recherche de nourriture. Cependant, les effets bénéfiques d'accouplements additionnels ont été particulièrement important lorsque la structure génétique des reines comprenait un ou quelques gènes pour le seuil de réponse pour la tâche de recherche de nourriture. D'autre part, un nombre plus élevé de gènes encodant la tâche de recherche de nourriture a diminué la performance de la colonie avec un effet nuisible d'autant plus fort lorsque les reines s'accouplent avec plusieurs mâles. Finalement, le nombre de gènes déterminant le seuil pour la tâche de régulation eu seulement un effet mineur mais incrémental sur la performance de la colonie. Pour conclure, nos expériences numériques révèlent l'importance de considérer les effets associés à la fréquence d'accouplement des reines, à la structure génétique qui est à l'origine des seuils de réponse pour les tâches ainsi qu'au type de tâche effectué au moment d'étudier les facteurs qui régulent l'efficacité de la répartition du travail chez les insectes vivant en communauté. Dans cette thèse, nous étudions l'efficacité de l'allocation des tâches des modèles prenant en compte des seuils de réponses, et les comparons à des réseaux de neurones. Alors que les modèles basés sur des seuils de réponse sont couramment utilisés parmi les biologistes intéressés par la répartition des tâches chez les insectes vivant en société, notre simulation montre qu'ils se révèlent peu efficace comparé à un modèle faisant usage de réseaux de neurones. Un point faible majeur des seuils de réponse est qu'ils échouent sur un point crucial nécessaire à la répartition des tâches, la capacité des individus d'une colonie à commuter efficacement entre des tâches soumises à des conditions environnementales changeantes. De plus, les propriétés intrinsèques des modèles basés sur l'utilisation de seuils conduisent à de larges populations de travailleurs inactifs. Nos résultats mettent en évidence les limites de ces modèles basés sur l'utilisation de seuils et fournissent un substitut adéquat. Ensemble, les expériences présentées dans cette thèse fournissent de nouvelles contributions pour comprendre comment la répartition du travail chez les insectes vivant en société est influencée par la fréquence d'accouplements des reines ainsi que par la structure génétique qui est à l'origine, pour un travailleur, du seuil de réponse pour une tâche. De plus, cette thèse fournit également un nouveau modèle décrivant les mécanismes qui sont à l'origine de l'allocation des tâches entre travailleurs, mécanismes qui peuvent être appliqué de manière plus générale que ceux couramment utilisés et basés sur des seuils de réponse.

A multilevel approach to understanding circadian rhythmicity : social and sleep-dependent effects in ants and mice

Résumé françaisLa majorité des organismes vivants sont soumis à l'alternance du jour et de la nuit, conséquence de la rotation de la terre autour de son axe. Ils ont développé un système interne de mesure du temps, appelé horloge circadienne, leur permettant de s'adapter et de synchroniser leur comportement et leur physiologie aux cycles de lumière. Cette dernière est considérée comme étant le signal majeur entraînant l'horloge interne et. par conséquent, les rythmes journaliers d'éveil et de sommeil. Outre sa régulation circadienne, le sommeil est contrôlé par un processus homéostatique qui détermine son besoin. La contribution de ces deux processus dans le fonctionnement cellulaire du cerveau n'a pas encore été investiguée. La mesure de l'amplitude ainsi que de la prévalence des ondes delta de l'EEG (activité delta) constitue un index très fiable du besoin de sommeil. Il a été démontré que cette activité est génétiquement déterminée et associée à un locus de trait quantitatif situé sur le chromosome 13 de la souris.Grâce à des expériences de privation de sommeil et d'analyses de transcriptome du cerveau dans trois souches de souris présentant diverses réponses à la privation de sommeil, nous avons trouvé que Homerla, localisé dans la région d'intérêt du chromosome 13, est le meilleur marqueur du besoin de sommeil. Homerla est impliqué dans la récupération de l'hyperactivité neuronale induite par le glutamate, grâce à son effet tampon sur le calcium intracellulaire. Une fonction fondamentale du sommeil pourrait donc être de protéger le cerveau et de lui permettre de récupérer après une hyperactivité neuronale imposée par une veille prolongée.De plus, nous avons montré que 2032 transcrits sont exprimés rythmiqueraent dans le cerveau de la souris, parmi lesquels seulement 391 le restent après que les animaux aient été privés de sommeil à différents moments au cours des 24 heures. Cette observation montre clairement que la plupart des changements rythmiques au niveau du transcriptome dépendent du sommeil et non de l'horloge circadienne et souligne ainsi l'importance du sommeil dans la physiologie des mammifères.La plupart des expériences concernant les rythmes circadiens ont été réalisées sur des individus isolés en négligeant l'effet du contexte social sur les comportements circadiens. Les espèces sociales, telles que les fourmis, se caractérisent par une division du travail où une répartition des tâches s'effectue entre ses membres. De plus, certaines d'entre elles doivent être pratiquées en continu comme les soins au couvain tandis que d'autres requièrent une activité rythmique comme le fourragement. Ainsi la fourmi est un excellent modèle pour l'étude de 1 influence du contexte social sur les rythmes circadiens.A ces fins, nous avons décidé d'étudier les rythmes circadiens chez une espèce de fourmi Camponotus fellah et de caractériser au niveau moléculaire son horloge circadienne. Nous avons ainsi développé un système vidéo permettant de suivre l'activité locomotrice de tous les individus d'une colonie. Nos résultats montrent que, bien que la plupart des fourmis soient arythmiques à l'intérieur de la colonie, elles développent d'amples rythmes d'activité en isolation. De plus, ces rythmes disparaissent presque aussitôt que la fourmi est réintroduite dans la colonie. Cette rythmicité observée en isolation semble être générée par l'horloge circadienne car elle persiste en condition constante (obscurité totale). Nous avons ensuite regardé si cette apparente arythmie observée dans la colonie résultait d'un effet masquant des interactions sociales sur les rythmes circadiens d'activité. Nos résultats suggèrent que l'horloge interne est fonctionnelle dans la colonie mais que l'expression de ses rythmes au niveau comportemental est inhibée par les interactions sociales. Les analyses moléculaires du statut de l'horloge dans différents contextes sociaux sont actuellement en cours. Le contexte social semble donc un déterminant majeur du comportement circadien chez la fourmi.AbstractAlmost all living organisms on earth are subjected to the alternance of day and night re-sulting from the rotation of the earth around its axis. They have evolved with an internal timing system, termed the circadian clock, enabling them to adapt and synchronize their behavior and physiology to the daily changes in light and related environmental parame¬ters. Light is thought to be the major cue entraining the circadian clock and consequently the rhythms of rest/activity. In addition to its circadian dependent timing, sleep is reg¬ulated by a homeostatic process that determines its need. The contribution of these two processes in the cellular functioning of the brain has not yet been considered. A highly reliable index of the homeostatic process of sleep is the measure of the amplitude and prevalence of the EEG delta waves (delta activity). It has been shown that sleep need, measured by delta activity, is genetically determined and associated with a Quantitative Trait Locus (QTL) located on the mouse chromosome 13. By using sleep deprivation and brain transcriptome profiling in three inbred mouse strains showing different responses to sleep loss, we found that Homerla, localized within this QTL region is the best transcrip¬tional marker of sleep need. Interestingly Homerla is primarily involved in the recovery from glutamate-induced neuronal hyperactivity by its buffering effect on intracellular cal¬cium. A fundamental function of sleep may therefore reside in the protection and recovery of the brain from a neuronal hyperactivity imposed by prolonged wakefulness.Moreover, time course gene expression experiments showed that 2032 brain tran¬scripts present a rhythmic variation, but only 391 of those remain rhythmic when mice are sleep deprived at four time points around the clock. This finding clearly suggests that most changes in gene transcription over the day are sleep-wake dependent rather than clock dependent and underlines the importance of sleep in mammalian physiology.In the second part of this PhD, I was interested in the social influence on circadian behavior. Most experiments done in the circadian field have been performed on isolated individuals and have therefore ignored the effect of the social context on circadian behav-ior. Eusocial insect species such as ants are characterized by a division of labor: colony tasks are distributed among individuals, some of them requiring continuous activity such as nursing or rhythmic ones such as foraging. Thus ants represent a suitable model to study the influence of the social context on the circadian clock and its output rhythms.The aim of this part was to address the effect of social context on circadian rhythms in the ant species Camponotus fellah and to characterize its circadian clock at the molecu¬lar level. We therefore developed a video tracking system to follow the locomotor activity of all individuals in a colony. Our results show that most ants are arrhythmic within the colony, but develop, when subjected to social isolation, strong rhythms of activity that intriguingly disappear when individuals are reintroduced into the colony. The rhythmicity observed in isolated ants seems to be driven by the circadian clock as it persists under constant conditions (complete darkness). We then tested whether the apparent arrhyth- micity in the colony stemmed from a masking effect of social interactions on circadian rhythms. Indeed, we found that circadian clocks of ants in the colony are functional but their expression at the behavioral level is inhibited by social interactions. The molecular assessment of the circadian clock functional state in the different social context is still under investigation. Our results suggest that social context is a major determinant of circadian behavior in ants.

Social evolution and defences against pathogens in ants

Pathogens represent a threat to all organisms, which generates a coevolutionary arms race. Social insects provide an interesting system to study host-pathogen interactions, because their defences depend on both the individual and collective responses, and involve genetic, physiological, behavioral and organizational mechanisms. In this thesis, I studied the evolutionary ecology of the resistance of ant queens and workers to natural fungal pathogens. Mechanisms that increase within-colony genetic diversity, like polyandry and polygyny, decrease relatedness among colony mates, which reduces the strength of selection for the evolution and maintenance of altruistic behavior. A leading hypothesis posits that intracolonial genetic diversity is adaptive because it reduces the risk of pathogen transmission. In chapter 1, I examine individual resistance in ant workers of Formica selysi, a species that shows natural variation in colony queen number. I discuss how this variation might be beneficial to resist natural fungal pathogens in groups. Overall my results indicate that there is genetic variation for fungal resistance in workers, a requirement for the 'genetic diversity for pathogen resistance' hypothesis. However I was not able to detect direct evidence that group diversity improves the survival of focal ants or reduces pathogen transmission. Thus, although the coexistence of multiple queens increases the within-colony variance in worker resistance, it remains unclear whether it protects ant colonies from pathogens and whether it is comparable to polyandry in other social insects. Traditionally, it was thought that the immune system of invertebrates lacked memory and specificity. In chapter 2, I investigate individual immunity in ant queens and show that they may be able to adjust their pathogen defences in response to their current environment by means of immune priming, which bears similarities with the adaptive immunity of vertebrates. However, my results indicate that the expression of immune priming in ant queens may be influenced by factors like mating status, mating conditions or host species. In addition, I showed that mating increases pathogen resistance in çhe two ant species that I studied (F. selysi and Lasius niger). This raises the question of how ant queens invest heavily in both maintenance and reproduction, which I discuss in the context of the evolution of social organization. In chapter 3,1 investigate if transgenerational priming against a fungal pathogen protects the queen progeny. I failed to detect this effect, and discuss why the detection of transgenerational immune priming in ants is a difficult task. Overall, this thesis illustrates some of the individual and collective mechanisms that likely played a role in allowing ants to become one of the most diverse and ecologically successful groups of organisms. -- Les pathogènes représentent une menace pour tous les organismes, ce qui a engendré l'évolution d'une course aux armements. Les insectes sociaux sont un système intéressant permettant d'étudier les interactions hôtes-pathogènes, car leurs défenses dépendent de réponses aussi bien individuelles que collectives, et impliquent des mécanismes génétiques, physiologiques, comportementaux et organisationnels. Dans cette thèse, j'ai étudié l'écologie évolutive de la résistance des reines et des ouvrières de fourmis exposées à des champignons pathogènes. Les facteurs augmentant la diversité génétique à l'intérieur de la colonie, comme la polyandrie et la polygynie, diminuent la parenté, ce qui réduit la pression de sélection pour l'évolution et la maintenance des comportements altruistes. Une hypothèse dominante stipule que la diversité génétique à l'intérieur de la colonie est adaptative car elle réduit le risque de transmission des pathogènes. Dans le chapitre 1, nous examinons la résistance individuelle à des pathogènes fongiques chez les ouvrières de Formica selysi, une espèce présentant une variation naturelle dans le nombre de reines par colonie. Nous discutons aussi de la possibilité que ces variations individuelles augmentent la capacité du groupe à résister à des champignons pathogènes. Dans l'ensemble, nos résultats indiquent une variation génétique dans la résistance aux champignons chez les ouvrières, un prérequis à l'hypothèse que la diversité génétique du groupe augmente la résistance aux pathogènes. Cependant, nous n'avons pas pu détecter une preuve directe que la diversité du groupe augmente la survie de fourmis focales ou réduise la transmission des pathogènes. Ainsi, bien que la coexistence de plusieurs reines augmente la variance dans la résistance des ouvrières à l'intérieur de la colonie, la question de savoir si cela protège les colonies de fourmis contre les pathogènes et si cela est comparable à la polyandrie chez d'autres insectes sociaux reste ouverte. Traditionnellement, il était admis que le système immunitaire des invertébrés ne possédait pas de mémoire et était non-spécifique. Dans le chapitre 2, nous avons étudié l'immunité individuelle chez des reines de fourmis. Nous avons montré que les reines pourraient être capables d'ajuster leurs défenses contre les pathogènes en réponse à leur environnement, grâce à une pré-activation du système immunitaire (« immune priming ») ressemblant à l'immunité adaptative des vertébrés. Cependant, nos résultats indiquent que cette pré-activation du système immunitaire chez les reines dépend du fait d'être accouplée ou non, des conditions d'accouplement, ou de l'espèce. De plus, nous avons montré que l'accouplement augmente la résistance aux pathogènes chez les deux espèces que nous avons étudié (F. selysi et Lasius niger). Ceci pose la question de la capacité des reines à investir fortement aussi bien dans la maintenance que dans la reproduction, ce que nous discutons dans le contexte de l'évolution de l'organisation sociale. Dans le chapitre 3, nous étudions si la pré-activation trans-générationelle du système immunitaire [« trans-generational immune priming ») protège la progéniture de la reine contre un champignon pathogène. Nous n'avons par réussi à détecter cet effet, et discutons des raisons pour lesquelles la détection de la pré-activation trans-générationelle du système immunitaire chez les fourmis est une tâche difficile. Dans l'ensemble, cette thèse illustre quelques-uns des mécanismes individuels et collectifs qui ont probablement contribué à la diversité et à l'important succès écologique des fourmis.

Social Dynamics in Paper Wasps: The case of nest-drifting in Polistes canadensis

Le passage de la vie solitaire à la vie sociale représente une des principales transitions évolutives. La socialité a évolué au sein de plusieurs taxons du règne animal et notamment chez les insectes sociaux qui ont atteint son niveau le plus élevé : l'eusocialité. Les colonies d'insectes sociaux se composent d'une reine, qui monopolise la reproduction, et d'ouvrières, non-reproductrices ou parfois stériles, qui aident à élever la descendance de la reine. Selon la théorie de la sélection de parentèle, les ouvrières augmentent leur fitness (succès reproducteur) non pas à travers leur propre progéniture, mais en aidant des individus apparentés (leur reine) à produire davantage de descendants. Cette théorie prédit ainsi que les ouvrières ont un intérêt à rester fidèles à leur nid natal. Toutefois, chez la guêpe tropicale Polistes canadensis, de nombreuse ouvrières visitent d'autres nids que leur nid natal : un phénomène appelé « dérive des ouvrières ». Le but de ce doctorat est ainsi de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans ce comportement particulier des ouvrières ainsi que ces implications pour la théorie de la sélection de parentèle. Nous avons examiné le comportement de dérive des ouvrières à travers une étude des dynamiques sociales chez la guêpe tropicale P. canadensis. Mes résultats montrent que les populations de P. canadensis se composent en différentes agrégations de nids. Malgré de précédentes suggestions, on n'observe qu'une faible viscosité génétique au sein des populations de P. canadensis étudiées. On retrouve toutefois un degré d'apparentement entre nids d'une même agrégation. Ceci suggère que les ouvrières dériveuses sont susceptibles de bénéficier de fitness indirect en aidant les nids proches géographiquement. De plus, ces échanges d'ouvrières ne semblent pas accidentels puisque l'on constate des variations de taux de dérive et puisque les déplacements observés entre nids persistent sur plusieurs périodes de temps. La charge de travail, qui correspond aux différences d'effort de fourragement entre nid visités et natals, est décrite dans notre étude comme potentiel facteur expliquant le comportement de dérive des ouvrières chez P. canadensis. Nos expériences de retrait d'ouvrières et de couvain ont révélées que les dériveuses ne semblent pas répondre aux changements de besoins en aide des nids visités. Les ouvrières dériveuses biaisent leur effort en aidant leur propre nid, par lequel elles bénéficient le plus en termes de fitness indirect, avant de se consacrer à tout autre nid. Dans l'ensemble, ces résultats sur la dérive des ouvrières chez P. canadensis sont cohérents et suggèrent que ce comportement est une importante stratégie de reproduction alternative chez cette espèce qui contribue à la fitness indirecte de ces ouvrières non-reproductrices. De plus, ce doctorat apporte des informations sur la structure génétique des populations de guêpes Polistes et décrit le rôle des ouvrières inactives. Celles-ci semblent servir de réserve en ouvrières apportant du support à la colonie dans l'éventualité d'une perte d'individus. Plus généralement, ce travail met l'accent sur l'organisation complexe et l'adaptabilité des individus dans les sociétés d'insectes. - One major transition in evolution is the shift from solitary to social life. Sociality has evolved in a few taxa of the animal kingdom, most notably in the social insects which have achieved the highest level of sociality: eusociality. Colonies of social insects are formed by a reproductive queen, and many non-reproductive or sterile workers who help raise their mother queen's offspring. Kin selection theory explains worker behaviour in terms of the indirect fitness they gain from raising non-offspring kin. It therefore predicts that workers should stay faithful to their natal nests, to which they are the more related. However, in the tropical paper wasps Polistes canadensis, high levels of nest-drifting, whereby workers spend time on other neighbouring nests, has been reported. This PhD aimed at understanding the mechanisms involved in this peculiar behaviour as well as its implications for kin selection theory. I examined nest-drifting through the study of the social dynamics of the tropical paper wasp P. canadensis. My results showed that populations of this species of paper wasps are composed of different aggregations of nests. The studied populations showed little limited dispersal (viscosity), despite previous suggestion, but nests within these aggregations were more related to each other than nests outside of aggregations. This suggested that drifters may benefit from indirect fitness when helping on neighbouring nests. Drifting was unlikely to be accidental since we found drifting patterns at various rates and consistently over several time periods during monitoring. Workload (differences in colony-level foraging effort) was also a potential factor explaining nest-drifting in P. canadensis. Worker and brood removal experiments revealed that drifters do not respond to any changes in the need for help in the non-natal nests they visit. Drifters thus bias their help in their natal nests, from which they may benefit the most in terms of indirect fitness, before investing in others. Altogether, these results on nest-drifting in P. canadensis are consistent and suggest that nest-drifting is an important alternative reproductive strategy, contributing to the indirect fitness benefits gained by non-reproductive wasps. Additionally, this PhD provides information on the genetic structure of paper wasps' populations and demonstrates the role of inactive or lazy wasps as a "reserve worker force", which provides resilience to the colony in the event of worker mortality. More generally, this work further highlights the complex organization and adaptability of individuals in insect societies.