Sociogenetics of fire ants

RÉSUMÉ GRAND PUBLIC La complexité des sociétés d'insectes (telles que les abeilles, les termites ou les fourmis) a depuis longtemps fasciné l'Homme. Depuis le débfit du XIXème siècle, de nombreux travaux observationnels, comportementaux et théoriques leur on été consacrés afin de mieux les décrire et comprendre. L'avènement de la biologie moléculaire à la fin du XXèrne siècle a offert de nouveaux outils scientifiques pour identifier et étudier les gènes et molécules impliqués dans le développement et le comportement des êtres vivants. Alors que la majorité de ces études s'est focalisée sur des organismes de laboratoire tel que la mouche ou les nématodes, l'utilisation de ces outils est restée marginale jusqu'à présent dans l'étude des sociétés d'insectes. Lors de ma thèse, j'ai développé des outils moléculaires permettant de déterminer le niveau d'activité de zo,ooo gènes chez la fourmi de feu, Solenopsis invicta, ainsi qu'une base de données et un portail en ligne regroupant les informations relatives à l'étude génétique des fourmis: Fourmidable. J'ai ensuite utilisé ces outils dans le cadre d'une étude comportementale chez la fourmis S. invicta. Dans les sociétés d'insectes, une hiérarchie peut déterminer le statut reproducteur des individus. Suite à la mort d'un dominant, les subordonnés entrent en compétition en vue d'améliorer leur statut. Un tel phénomène se produit au sein des colonies de S. invicta contenant une unique reine mère, des milliers d'ouvrières et des centaines de reines vierges ailées. A la mort de la reine mère, un grand nombre de reines vierges tentent de la remplacer en arrachant leurs ailes et en activant leurs organes reproducteurs plutôt que de partir en vol nuptial. Ces tentatives sont le plus souvent arrêtées par les ouvrières qui exécutent la plupart de ces reines sur la base de signaux olfactifs produits lors de l'activation des organes reproducteurs. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués, j'ai étudié l'activité de gènes au sein des reines au début de ce processus. J'ai ainsi déterminé que des gènes impliqués dans communication olfactive, le développement des organes reproducteurs et la métabolisation de l'hormone juvénile sont activês à ce moment là. La vitesse à laquelle les reines perdent leurs ailes ainsi que les niveaux d'expression de gènes sont ensuite liés à leur probabilité de survie. ABSTRACT : Honeybees, termites and ants occupy the "pinnacle of social evolution" with societies of a complexity that rivals our own. Humans have long been fascinated by social insects, but studying them has been mostly limited to observational and behavioral experiments. The advent of molecular biology first made it possible to investigate the molecular-genetic basis of development in model systems such as the fruit fly Drosophila melarcogaster or the roundworm Caenorhabditis elegans and subsequently their behavior. Molecular and genomic tools are now becoming available for the study of social insects as well. To permit genomic research on the fire ant, Solenopsis invicta, we developed a cDNA microarray that can simultaneously determine the expression levels of approximately 1oooo genes. These genes were assembled and bioinformatically annotated using custom pipelines. The obtained data formed the cornerstones for Fourmidable, a web portal centralizing sequence, gene annotation and gene expression data as well as laboratory protocols for research on ants. In many animals living in groups the reproductive status of individuals is determined by their social status. In species with social hierarchies, the death of dominant individuals typically upheaves the social hierarchy and provides an opportunity for subordinate individuals to improve their social status. Such a phenomenon occurs in the monogyne form of S. invicta, where colonies typically contain a single wingless reproductive queen, thousands of workers and hundreds of winged non-reproductive virgin queens. Upon the death of the mother queen, many virgin queens shed their wings and initiate reproductive development instead of departing on a mating flight. Workers progressively execute almost all of them over the following weeks. The workers base their collective decision on pheromonal cues associated with the onset of reproductive development of the virgin queens which occurs after orphaning. We used the aforementioned tools to determine that genes putatively involved in processes including olfactory signaling, reproductive development and Juvenile Hormone metabolism are differentially expressed at the onset of competition. Additionally, we found that queens that initiate reproductive development faster and, to a certain extent, shed their wings faster after orphaning are more likely to become replacement queens. These results provide candidate genes that are putatively linked to competition outcome. To determine the extent to which specific genes affect different aspects of life in ant colonies, functional tests such as gene activation and silencing will still be required. We conclude by discussing some of the challenges and opportunities for molecular-genetic research on ants. RÉSUMÉ Les sociétés d'abeilles, de termites et de fourmis sont d'une complexité proche de celle de la nôtre et ont depuis longtemps fasciné l'Homme. Cependant, leur étude était jusqu'à présent limitée aux observations et expériences comportementales. L'avènement de la biologie moléculaire a d'abord rendu possible l'étude moléculaire et génétique du développement d'organismes modèles tels que la mouche Drosophila melanogaster ou le nématode Caenorhabditis elegans, puis dans un second temps de leur comportement. De telles études deviennent désormais possibles pour les insectes sociaux. Nous avons développé une puce à ADN permettant de déterminer simultanément les niveaux d'expression de 1oooo gènes de la fourmi de feu, Solenopsís invicta. Ces gènes ont été séquencés puis assemblés et annotés à l'aide de pipelines que nous avons développés. En se basant sur les informations obtenues, nous avons créé un portail web, Fourmidable. Ce portail vise à centraliser toutes les informations de séquence, d'annotation et d'expression de gènes, ainsi que les protocoles de laboratoire utilisés pour la recherche sur les fourmis. Par la suite, nous avons utilisé les outils développés pour étudier un aspect particulier de S. invicta. Chez les animaux grégaires, une hiérarchie sociale peut déterminer le statut reproducteur des individus. Suite à la mort d'un individu dominant, les individus subordonnés peuvent entrer en compétition en vue d'améliorer leur statut. Un tel phénomène se produit au sein des colonies monogynes de S. invicta, qui contiennent habituellement une unique reine mère, des milliers d'ouvrières et des centaines de reines vierges ailées. Suite à la mort de la reine mère, dominante, un grand nombre de reines vierges, subordonnées, perdent leurs ailes et activent leurs organes reproducteurs au lieu de partir en vol nuptial. Au cours des semaines suivantes, les ouvrières exécutent la plupart de ces reines sur la base de signaux olfactifs produits lors de l'activation des organes reproducteurs. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués, nous avons étudié l'expression de gènes au début de cette compétition. Nous avons identifié 297 gènes différemment exprimés, dont l'annotation indique qu'ils seraient impliqués dans des processus biologiques dont la communication olfactive, le développement des organes reproducteurs et la métabolisation de l'hormone juvénile. Par la suite, nous avons déterminé que la vitesse à laquelle les reines perdent leurs ailes en début de compétition ainsi que les niveaux d'expression de gènes sont corrélés à la probabilité de survie des reines. Nous concluons en discutant des opportunités offertes par la recherche génétique sur les fourmis ainsi que les défis qu'elle devra surmonter.

Similarities and differences in altitudinal versus latitudinal variation for morphological traits in Drosophila melanogaster.

Understanding how natural environments shape phenotypic variation is a major aim in evolutionary biology. Here, we have examined clinal, likely genetically based variation in morphology among 19 populations of the fruit fly (Drosophila melanogaster) from Africa and Europe, spanning a range from sea level to 3000 m altitude and including locations approximating the southern and northern range limit. We were interested in testing whether latitude and altitude have similar phenotypic effects, as has often been postulated. Both latitude and altitude were positively correlated with wing area, ovariole number, and cell number. In contrast, latitude and altitude had opposite effects on the ratio between ovariole number and body size, which was negatively correlated with egg production rate per ovariole. We also used transgenic manipulation to examine how increased cell number affects morphology and found that larger transgenic flies, due to a higher number of cells, had more ovarioles, larger wings, and, unlike flies from natural populations, increased wing loading. Clinal patterns in morphology are thus not a simple function of changes in body size; instead, each trait might be subject to different selection pressures. Together, our results provide compelling evidence for profound similarities as well as differences between phenotypic effects of latitude and altitude.

Geographical and altitudinal population genetic structure of two dung fly species with contrasting mobility and temperature preference.

Local adaptation of populations requires some degree of spatio-temporal isolation. Previous studies of the two dung fly species Scathophaga stercoraria and Sepsis cynipsea have revealed low levels of geographic and altitudinal genetic differentiation in quantitative life history and morphological traits, but instead high degrees of phenotypic plasticity. These patterns suggest that gene flow is extensive despite considerable geographic barriers and large spatio-temporal variation in selection on body size and related traits. In this study we addressed this hypothesis by investigating genetic differentiation of dung fly populations throughout Switzerland based on the same 10 electrophoretic loci in each species. Overall, we found no significant geographic differentiation of populations for either species. This is inconsistent with the higher rates of gene flow expected due to better flying capacity of the larger S. stercoraria. However, heterozygote deficiencies within populations indicated structuring on a finer scale, seen for several loci in S. cynipsea, and for the locus PGM (Phosphoglucomutase) in S. stercoraria. Additionally, S. cynipsea showed a tendency towards a greater gene diversity at higher altitudes, mediated primarily by the locus MDH (malate dehydrogenase), at which a second allele was only present in populations above 1000 m. This may be caused by increased environmental stress at higher altitudes in this warm-adapted species. MDH might thus be a candidate locus subject to thermal selection in this species, but this remains to be corroborated by direct evidence. In S. stercoraria, no altitudinal variation was found.

Contribution to the conservation biology of the wood ant Formica lugubris (Hymenoptera, Formicidae) in Switzerland

Summary Among ants, wood ants are probably the most fascinating and studied species in temperate European forests. Unfortunately, due to several threats they are nowadays registered in red lists. Recent studies made in the Swiss Jura Mountains ended up in the description of a new sympatric sibling species of Formica lugubris (i.e. Formica paralugubris Seifert 1996). Because of this confusion the biology of F. lugubris is incomplete. Due to the extreme difficulties to distinguish morphologically F. lugubris from F. paralugubris we studied their cuticular hydrocarbons profiles. Irrespective of their geographic origin, we observed quantitative discrimination between species within each caste (workers, males and gynes =young alate female). Moreover, using a behavioural taxonomic approach (i.e. the pupa-carrying test) we showed that ants preferred conspecific worker pupae to those of the sibling species. These first results allowed us to consider the two species as two separate taxonomic units. To understand their coexistence, habitat distribution models were fitted with GIS predictors and factors known to influence wood ant distribution. In the Jura Mountains, although the two species share very similar habitats, they are spatially segregated. F. lugubris occurs more frequently at woodland borders than in forest interiors. We demonstrated with genetic and field data that Formica lugubris displays two different social forms in close proximity in alpine zone (e.g. unmanaged forests of the Swiss National Park). We discovered populations mostly monogynous to weakly polygynous (i.e. one to a few egg laying queens per colony) and monodomous (i.e. one nest per colony), and polygynous/polydomous populations (new nests being founded by colony budding). It is generally admitted that monogyne species disperse well in order to find suitable habitat to found new colonies whereas polygyne species have restricted dispersal and local mating within the nest. In order to compare reproductive strategies of F. lugubris and F. paralugubris (i.e. matings and dealation process) we conducted experiments with sexuals. F, lugubris gynes from monogynous/monodomous populations do not show a local strategy like the obligately polygynous F. paralugubris (i.e. early dealation even without mating, insemination without flight activity and low fat reserve). They always keep their wings, do not mate when not able to fly and have high amount of fat content revealing high survival capacities. On the other side, F, lugubris gynes from polygynous/polydomous populations have lower lipid reserves and displayed a reproductive behaviour close to the F. para lugubris one. After dispersal, wood ant gynes can either start new societies by temporary social parasitism of another species (i.e. subgenus Serviformica) or be adopted intraspecifically in an existing nest. In F. lugubris, we demonstrated that gynes from monogynous/monodomous colonies showed a high success for temporary social parasitism compare to the lower success of gynes from polygynous/polydomous colonies. However, physiological analyses suggested that only gynes from monogynous/ monodomous populations can efficiently disperse and found new nest by temporary social parasitism. Intraspecifically, gynes were accepted to a high degree in polygynous nest and in monogynous nests as long as these nests contained sexuals. In conclusion, Formica lugubris displays a social and dispersal polymorphism (mixed mating and founding system) representing a behavioural plasticity in relation to environmental and ecological conditions. Therefore, conservation measures directed toward this species should try to maintain a maximum of diversity at the habitat level. Résumé Les fourmis des bois sont probablement parmi les espèces de fourmis les plus fascinantes et les plus étudiées des forêts tempérées Européennes. Actuellement, du fait de différentes menaces, elles figurent malheureusement sur listes rouges. Plusieurs études menées au sein du Jura Suisse ont abouti à la description d'une nouvelle espèce jumelle et sympatrique de Formica lugubris (F. para- lugubris Seifert 1996). A cause de cette confusion la biologie de F lugubris est lacunaire. La distinction morphologique de F. lugubris et de F. para lugubris est si difficile que nous avons étudié leurs hydrocarbures cuticulaires. Indépendamment de l'origine géographique, nous avons observé une discrimination quantitative entre les espèces au sein de chaque caste (ouvrières, mâles et jeunes femelles ailées). De plus, à l'aide d'une approche taxonomique comportementale (le test de transport de cocons) nous avons montré que les fourmis préfèrent des cocons d'ouvrières conspécifiques à ceux de l'espèce jumelle. Ces premiers résultats nous permettent de considérer ces deux espèces comme deux unités taxonomiques distinctes et valables. Afin de comprendre leur coexistence, des modèles mathématiques ont été développés avec des données SIG et des facteurs écologiques influençant la répartition des fournis des bois. Dans le Jura, même si elles partagent des habitats fortement similaires, les deux espèces n'occupent pas les mêmes secteurs. F. lugubris est plus fréquente en lisière forestière plutôt qu'en pleine forêt. Nous avons démontré grâce à des données génétiques et de terrain que F. lugubris présente deux formes sociales au sein de la zone alpine (forêts protégées du Parc National Suisse). D'autre part, nous avons découvert des populations monogynes à faiblement polygynes (une à quelques reines pondeuses par colonie) et monodomes (colonies composées d'une seule fourmilière), et des populations polygynes/polydomes (les nouveaux nids étant produit par bourgeonnement). Généralement, les espèces monogynes dispersent sur de grandes distances et peuvent coloniser des habitats favorables à la fondation de nouvelles colonies alors que les espèces polygynes possèdent une dispersion limitée avec des accouplements à l'intérieur des nids. Afin de comparer les stratégies de reproduction de F. lugubris et de F. paralugubris (accouplements et perte des ailes) nous avons mené des expériences avec les sexués. Les jeunes femelles ailées de F. lugubris issues de populations monogynes/monodomes ne présentent pas de stratégie locale comparée à l'espèce obligatoirement polygyne F paralugubris (perte des ailes précoce même si il n'y a pas eu accouplement, insémination possible sans avoir volé activement et faibles réserves de graisse). Elles conservent toujours leurs ailes, ne s'accouplent pas lorsqu'elles sont empêchées de voler et possèdent de grandes quantités de graisse révélant de fortes capacités de survie. D'autre part, les jeunes femelles ailées de F. lugubris provenant de populations polygynes/polydomes ont peu de réserves lipidiques et ont un comportement de reproduction proche de celles de F. paralugubris. Après leur dispersion, les jeunes sexués femelles de fourmis des bois peuvent soit fonder une nouvelle société par parasitisme social temporaire d'un nid d'une autre espèce (sous-genre Serviformica) soit être adoptées dans un nid déjà existant de leur propre espèce. Chez F. lugubris, nous avons pu démontrer que les jeunes sexués femelles de colonies monogynes/monodomes présentent un succès élevé au parasitisme sociale temporaire en comparaison au plus faible succès obtenu avec des sexués provenant de colonies polygynes/polydomes. Cependant, les données physiologiques suggèrent que seules les jeunes sexués femelles de populations mono-gynes/monodomes peuvent disperser efficacement et fonder un nouveau nid par parasitisme social temporaire. Au niveau intraspécifique, les jeunes femelles sont acceptées à un taux élevé dans les nids polygynes mais aussi dans les nids monogynes tant que ces nids possèdent encore de jeunes sexués. En conclusion, F. lugubris est caractérisée par un polymorphisme dans ses structures sociales et ses stratégies de dispersion (système mixte d'accouplement et de fondation) ce qui représente une forte plasticité comportementale en relation avec les conditions environnementales et écologiques. Par conséquent, les mesures de conservation de cette espèce devraient s'attacher à maintenir un maximum de diversité au niveau des habitats.

Insularity and the evolution of melanism, sexual dichromatism and body size in the worldwide-distributed barn owl.

Abstract Island biogeography has provided fundamental hypotheses in population genetics, ecology and evolutionary biology. Insular populations usually face different feeding conditions, predation pressure, intraspecific and interspecific competition than continental populations. This so-called island syndrome can promote the evolution of specific phenotypes like a small (or large) body size and a light (or dark) colouration as well as influence the evolution of sexual dimorphism. To examine whether insularity leads to phenotypic differentiation in a consistent way in a worldwide-distributed nonmigratory species, we compared body size, body shape and colouration between insular and continental barn owl (Tyto alba) populations by controlling indirectly for phylogeny. This species is suitable because it varies in pheomelanin-based colouration from reddish-brown to white, and it displays eumelanic black spots for which the number and size vary between individuals, populations and species. Females are on average darker pheomelanic and display more and larger eumelanic spots than males. Our results show that on islands barn owls exhibited smaller and fewer eumelanic spots and lighter pheomelanic colouration, and shorter wings than on continents. Sexual dimorphism in pheomelanin-based colouration was less pronounced on islands than continents (i.e. on islands males tended to be as pheomelanic as females), and on small islands owls were redder pheomelanic and smaller in size than owls living on larger islands. Sexual dimorphism in the size of eumelanic spots was more pronounced (i.e. females displayed much larger spots than males) in barn owls living on islands located further away from a continent. Our study indicates that insular conditions drive the evolution towards a lower degree of eumelanism, smaller body size and affects the evolution of sexual dichromatism in melanin-based colour traits. The effect of insularity was more pronounced on body size and shape than on melanic traits.

Melanin-based colorations signal strategies to cope with poor and rich environments

One hypothesis for the maintenance of genetic variation states that alternative genotypes are adapted to different environmental conditions (i.e., genotype-by-environment interaction GxE) that vary in space and time. Although GxE has been demonstrated for morphological traits, little evidence has been given whether these GxE are associated with traits used as signal in mate choice. In three wild bird species, we investigated whether the degree of melanin-based coloration, a heritable trait, covaries with nestling growth rate in rich and poor environments. Variation in the degree of reddish-brown phaeomelanism is pronounced in the barn owl (Tyto alba) and tawny owl (Strix aluco), and variation in black eumelanism in the barn owl and Alpine swift (Apus melba). Melanin-based coloration has been shown to be a criterion in mate choice in the barn owl. We cross-fostered hatchlings to test whether nestlings sired by parents displaying melanin-based colorations to different extent exhibit alternative growth trajectories when raised by foster parents in poor (experimentally enlarged broods) and rich (experimentally reduced broods) environments. With respect to phaeomelanism, barn owl and tawny owl offspring sired by redder parents grew more rapidly in body mass only in experimentally reduced broods. With respect to eumelanism, Alpine swift offspring of darker fathers grew their wings more rapidly only in experimentally enlarged broods, a difference that was not detected in reduced broods. These interactions between parental melanism and offspring growth rate indicate that individuals display substantial plasticity in response to the rearing environment which is associated with the degree of melanism: at least with respect to nestling growth, phaeomelanic and eumelanic individuals are best adapted to rich and poor environments, respectively. It now remains to be investigated why eumelanism and phaeomelanism have a different signaling function and what the lifelong consequences of these melanism-dependent allocation strategies are. This is important to fully appraise the role played by environmental heterogeneity in maintaining variation in the degree of melanin-based coloration.

Is our heart a well-designed pump? The heart along animal evolution.

A carrier system for gases and nutrients became mandatory when primitive animals grew larger and developed different organs. The first circulatory systems are peristaltic tubes pushing slowly the haemolymph into an open vascular tree without capillaries (worms). Arthropods developed contractile bulges on the abdominal aorta assisted by accessory hearts for wings or legs and by abdominal respiratory motions. Two-chamber heart (atrium and ventricle) appeared among mollusks. Vertebrates have a multi-chamber heart and a closed circulation with capillaries. Their heart has two chambers in fishes, three chambers (two atria and one ventricle) in amphibians and reptiles, and four chambers in birds and mammals. The ventricle of reptiles is partially divided in two cavities by an interventricular septum, leaving only a communication of variable size leading to a variable shunt. Blood pressure increases progressively from 15 mmHg (worms) to 170/70 mmHg (birds) according to the increase in metabolic rate. When systemic pressure exceeds 50 mmHg, a lower pressure system appears for the circulation through gills or lungs in order to improve gas exchange. A four-chamber heart allows a complete separation of systemic and pulmonary circuits. This review describes the circulatory pumping systems used in the different classes of animals, their advantages and failures, and the way they have been modified with evolution.

Loss of mating flight and shift in the pattern of carbohydrate storage in sexuals of ants (Hymenoptera; Formicidae)

In ants, energy for flying is derived from carbohydrates (glycogen and free sugars). The amount of these substrates was compared in sexuals participating or not participating in mating flights. Results show that in participating females (Lasius niger, L. flavus, Myrmica scabrinodis, Formica rufa, F. polyctena, F. lugubris), the amount of carbohydrates, especially glycogen, was higher than in non-participating females (Cataglyphis cursor, Iridomyrmex humilis). Similarly, male C. cursor and I. humilis which fly, exhibit a much higher carbohydrate content than do the non-flying females of these species. Furthermore, the quantity of carbohydrates stored was generally higher in males than in females for each species. These results are discussed with regard to the loss of the nuptial flight by some species of ants.

Habitat fragmentation, ecology and sexual selection in forest bird species in Monteverde, Costa Rica

Abstract Forest fragmentation is often associated with local extinction and changes in species abundance patterns. The main topic of this thesis is the effect of forest fragmentation on birds in Monteverde, Costa Rica. This thesis also studies aspects of sexual selection and ecology of Long-tailed Manakins, Chiroxiphia Linearis. Chapter 1 investigates bird species assemblages in two degrees of forest fragmentation. It is shown that the distribution, abundance and diversity of forest bird species are strongly influenced by the amount of forest in the landscape matrix. Presence of cattle within the forest influences the presence of some bird species. The prevalence and intensity of ticks and blood parasites on birds in relation to fragmentation is described in Chapter 2. Overall tick prevalence is 3%. Understory birds are significantly more infested with ticks than species at intermediate heights. Tick prevalence on birds does not differ significantly between two degrees of forest fragmentation and individual tick loads tend to be higher in High- than in Low-fragmentation sites. Infestations by the blood parasites Haemoproteus sp. was low except in white-eared ground sparrow, Melozone leucotis, that is 28% and is significantly higher in High- than in Low-fragmentation sites. In chapter 3 results on the ecology and habitat movements of the Bare-necked Umbrellabird, Cephalopterus glabricollis, are presented. The abundance of umbrellabirds at high elevations during the breeding season coincides with the highest peak of fruit abundance. Birds leave the protected area during the non-breeding season moving to unprotected forest fragments. In chapter 4 ontogenetic changes in feather morphology through sexual maturity in Long-tailed Manakins are described. In adult males, rectrices length is positively correlated to testis volume. Changes in male morphology during ontogeny in the long-tailed manakin appear to be associated with their specific-display behaviours. Significant interpopulation differences in the morphology of Long-tailed Manakins are shown in chapter 5. These differences are more accentuated in morphological traits related to flight displays. A field experiment demonstrates that long rectrices impose flying costs for males and females. A reduction in flying ability was found to be strongest in males from a population presenting the highest degree of sexual dimorphism. Résumé La fragmentation des forêts est souvent associée avec des modifications dans l'abondance des espèces et des extinctions locales. Le thème principale de cette thèse est l'étude de l'effet de la fragmentation des forêts sur les oiseaux de Monteverde, Costa Rica. Elle décrit par ailleurs certains aspects de la sélection sexuelle et l'écologie du manakin à longue queue, Chiroxiphia linearis. Dans le Chapitre 1 je montre que la distribution, l'abondance et la diversité des assemblages d'oiseaux vivant dans la forêt sont fortement influencées pas le degré de fragmentation de celle ci. Par ailleurs, la présence ou l'absence de bétail dans les forêts influence la présence de certaines espèces d'oiseaux. Dans le chapitre 2 j'ai étudié la prévalence et l'intensité d'infestation par des tiques ainsi que la présence de parasites sanguins chez les oiseaux en relation avec la fragmentation des forêts. La prévalence globale de tiques est de 3 %, les oiseaux vivant au niveau du sol étaient plus souvent infectés par des tiques que les espèces se déplaçant à un niveau plus élevé. La prévalence de tiques sur les oiseaux n'était pas significativement différente entre les paysages avec différentes fragmentations. Les parasites sanguins du genre Haemoproteus sp. étaient présents à très basse fréquence à l'exception chez Melozone leucotis ou la prevalence était de 28% et significativement plus élevée chez les oiseaux vivant dans les forêts à forte fragmentation. Dans le Chapitre 3 je présente des résultats sur l'écologie et les mouvements entre habitats chez le "Bare-necked umbrellabird", Cephalopterus glabricollis. Cette espèce endémique du Costa Rica niche à haute altitude durant la période d'abondance des fruits et réalise une migration altitudinale vers des zones basses durant la saison de non reproduction. Dans le chapitre 4 je présente les changements ontogénétiques dans la morphologie du plumage des manakins à longue queue. Chez les mâles, les changements de morphologie semblent être associés avec leurs comportements de parade spécifiques. Dans le chapitre 5 je présente des différences morphologiques significative entre deux populations chez le manakin à longue queue et je montre que la capacité de vols chez les mâles est plus fortement influencée dans la population avec le degré de dimorphisme sexuel le plus prononcé.

Melanin-based colour polymorphism signals aggressive personality in nest and territory defence in the tawny owl (Strix aluco)

Nest and territory defence are risky and potentially dangerous behaviours. If the resolution of life history trade-offs differs between individuals, the level of defence may also vary among individuals. Because melanin-based colour traits can be associated with life history strategies, differently coloured individuals may display different nest and territory defence strategies. We investigated this issue in the colour polymorphic tawny owl (Strix aluco) for which plumage varies from dark to light reddish melanic. Accordingly, we found that (1) our presence induced a greater response (flying around) from dark-coloured than light-coloured females and (2) dark reddish males suffered lower nest predation rates than light-coloured males. In experimentally enlarged broods, the probability that females reacted after we played back the hoot calls of a stranger male was higher if these females were lighter reddish; the opposite pattern was found in experimentally reduced broods with dark parents being more reactive than light parents. Finally, darker females alarmed more frequently when paired with a light than with a dark male, suggesting that partners adjust their behaviour to each other. We also tested whether colouration is used as a signal by conspecifics to adjust the level of their defensive behaviour. Accordingly, breeding females responded more vigorously to a dark than a light reddish stuffed tawny owl placed beside their nest. We conclude that melanin-based colouration is a signal of alternative nest and territory defence behaviour that depends on ecological factors.

Drosophila rely on learning while foraging under semi-natural conditions

Learning is predicted to affect manifold ecological and evolutionary processes, but the extent to which animals rely on learning in nature remains poorly known, especially for short-lived non-social invertebrates. This is in particular the case for Drosophila, a favourite laboratory system to study molecular mechanisms of learning. Here we tested whether Drosophila melanogaster use learned information to choose food while free-flying in a large greenhouse emulating the natural environment. In a series of experiments flies were first given an opportunity to learn which of two food odours was associated with good versus unpalatable taste; subsequently, their preference for the two odours was assessed with olfactory traps set up in the greenhouse. Flies that had experienced palatable apple-flavoured food and unpalatable orange-flavoured food were more likely to be attracted to the odour of apple than flies with the opposite experience. This was true both when the flies first learned in the laboratory and were then released and recaptured in the greenhouse, and when the learning occurred under free-flying conditions in the greenhouse. Furthermore, flies retained the memory of their experience while exploring the greenhouse overnight in the absence of focal odours, pointing to the involvement of consolidated memory. These results support the notion that even small, short lived insects which are not central-place foragers make use of learned cues in their natural environments.

Etude systématique, cladistique et biogéographique des Baetidae (Ephemeroptera) de Madagascar

Les Ephéméroptères constituent un ordre très archaïque d?insectes ailés, comprenant un nombre réduit d?espèces (actuellement environ 2500 espèces). Les larves sont aquatiques; la durée de ce stade est en général d?une année. Le stade adulte est par contre extrêmement bref: de quelques heures à quelques jours. La fonction quasi unique de ce stade est la reproduction. Par sa superficie, Madagascar est la quatrième île du monde. Elle est située dans la partie occidentale de l?Océan Indien à plus de 300 km de la côte africaine. Madagascar faisait partie du super-continent Gondwana. Elle s?est séparée de l?Afrique (-165 M.a.), puis a migré vers le Sud (-125 M.a.) avant de se détacher du sous-continent indien (-65 M.a.). La connaissance des Ephéméroptères malgaches était, jusqu?à très récemment, extrêmement limitée. Grâce au programme Biodiversité et biotypologie des eaux continentales malgaches, lancé conjointement par l?ORSTOM (actuel IRD, France) et le CNRE (Madagascar), un inventaire à large échelle de la macrofaune benthique malgache a été entrepris. La systématique de plusieurs familles d?Ephéméroptères (Tricorythidae, Polymitarcyidae, Palingeniidae,?), ainsi que d?autres groupes d?invertébrés (Trichoptères, Simuliidae, macrocrustacés) a fait l?objet d?études approfondies. La présente étude consistue un des volets de ce programme. Jusqu?au milieu des années 1990, seules quatre espèces valides appartenant à trois genres différents étaient décrites de Madagascar. En 6 ans, ce ne sont pas moins de 25 articles qui sont consacrés à la systématique des Baetidae, permettant de décrire 50 espèces et 8 genres nouveaux. La faune malgache des Baetidae compte actuellement 22 genres et 54 espèces. Malgré sa taille, Madagascar possède une richesse, tant générique que spécifique équivalente à celle d?un continent. Notre connaissance des Baetidae est suffisamment avancée pour mener une étude cladistique et biogéographique. La reconstruction phylogénétique a permis de mettre en évidence cinq lignées principales à Madagascar et de préciser, pour chacune d?elles, les genres inclus et les caractères propres. La faune des Baetidae malgaches présente un taux d?endémicité très élevé: 53 des 54 espèces et un tiers des genres sont endémiques. Elle montre des affinités extrêmement fortes avec la faune africaine, puisque 90% des genres présents à Madagascar ou en Afrique ont une répartition strictement restreinte à cette région. Les autres composantes, notamment orientales et océaniennes, sont négligeables; ces régions n?ont en commun avec Madagascar qu?un nombre restreint de genres cosmopolites. Ces affinités sont en contradiction avec les données géologiques de la dislocation du Gondwana. Plusieurs explications peuvent être données pour résoudre cette contradiction. La plus vraisemblable est que le pouvoir de dispersion des Ephéméroptères, et des Baetidae en particulier, est nettement sous-estimé. L?étude des faunes des îles volcaniques récentes, telles que les Comores, démontre clairement que les Baetidae sont capables de dispersion sur une distance de plus de 300 km. Il est donc possible d?envisager une colonisation de Madagascar à partir de l?Afrique continentale postérieure à la séparation des deux plaques. Nous avons établi des scénarios retraçant l?histoire biogéographique de chacune des cinq lignées. Pour quatre d?entre elles, l?Afrique continentale est le centre d?origine. La cinquième lignée aurait une origine paléarctique; l?Afrique représenterait un centre secondaire de spéciation. Ces lignées auraient secondairement colonisé Madagascar à partir de l?Afrique continentale. Ce travail ouvre donc d?importantes perspectives. Il rend possible l?utilisation à un niveau générique, voire spécifique, des Baetidae pour des travaux de faunistique ou d?écologie, en particulier pour des études liées à la dégradation de la qualité de l?eau. Il devrait également pouvoir servir de base pour l?étude et la compréhension des phénomènes de dispersion et colonisation dans les îles et archipels de l?Ouest de l?Océan Indien.<br/><br/>Mayflies (Ephemeroptera) are among the oldest known flying insects and encompass a very small number of species (ca 2500 species). Larvae are strictly freshwater inhabitants; this stage lasts generally one year. The imaginal stage is extremely short, from few hours to few days, and is devoted almost entirely to reproduction. Madagascar is the fourth largest island in the world by area. It is situated in the western part of the Indian Ocean, at a distance of more than 300 km from the African coast. Madagascar belonged to Gondwana. It was first separated from the African plate (-165 M.y.), then moved to the South (-65 M.y.), before the break-off with the Indian plate (-65 M.y.). Knowledge of the Malagasy mayflies was until recently extremely poor. The program Biodiversity and Biotypology of Malagasy Freshwaters, jointly run by the French ORSTOM and the Malagasy CNRE, began a global survey of the freshwater macroinvertebrates. The systematics of several mayfly families (Tricorythidae, Polymitarcyidae, Palingeniidae,?), and other invertebrate groups (Caddisflies, Blackflies,?) was the subject of ground studies. Our present study is one part of this global program. Until the middle of the nineties, only four baetid species belonging to three different genera had been described from Madagascar. During the last six years, 25 papers were dedicated to the systematics of the Baetidae, allowing the description of 50 new species and 8 new genera. The Malagasy fauna encompasses now 22 genera and 54 species. Despite its size, Madagascar has the same diversity, at specific and generic level, as a continent. Our knowledge of the Baetidae is sufficient to perform a cladistic and biogeographical study. Our phylogenetic reconstruction allows us to propose five main lineages and to indicate, for each of them, the genera included and their features. The Malagasy fauna of Baetidae possesses a high level of endemicity: 53 of the 54 species and one third of the genera are endemic. It shows extremely strong affinities with the African fauna, as more than 90% of the genera present in Madagascar or in Africa have a distribution restricted to this area. Other components, especially Oriental and Oceanian, are negligible. These areas share with Madagascar only a few widespread genera. These African affinities are in contradiction with the geological events, especially the break-off history of Gondwana. Some explanations can be given to solve this contradiction. The most likely is that the dispersal power of the mayflies, especially of the Baetidae, is greatly underestimated. The study of recent volcanic islands, particularly of the Comoros, clearly demonstrates that the Baetidae are able to disperse over more than 300 km. Consequently, a colonisation by the Baetidae, of Madagascar from the continental Africa, after the break-off must be considered as possible. We have established scenarios explaining the biogeographical history of each of the five lineages. For four of them, Africa has to be regarded as the centre of origin. The fifth lineage probably has a Palearctic origin; Africa should be considered as a secondary centre of speciation. These lineages should have secondarily colonised Madagascar from continental Africa. This work opens up new perspectives. It allows the use of the Baetidae for faunistic and ecological studies, especially for problems related to water quality. It must be also considered as a first step for understanding the dispersion and colonisation of the islands of the western part of the Indian Ocean.

Linking landscape- and population ecology for large population management modelling: the case of Ibex (capra ibex) in Switzerland

La biologie de la conservation est communément associée à la protection de petites populations menacées d?extinction. Pourtant, il peut également être nécessaire de soumettre à gestion des populations surabondantes ou susceptibles d?une trop grande expansion, dans le but de prévenir les effets néfastes de la surpopulation. Du fait des différences tant quantitatives que qualitatives entre protection des petites populations et contrôle des grandes, il est nécessaire de disposer de modèles et de méthodes distinctes. L?objectif de ce travail a été de développer des modèles prédictifs de la dynamique des grandes populations, ainsi que des logiciels permettant de calculer les paramètres de ces modèles et de tester des scénarios de gestion. Le cas du Bouquetin des Alpes (Capra ibex ibex) - en forte expansion en Suisse depuis sa réintroduction au début du XXème siècle - servit d?exemple. Cette tâche fut accomplie en trois étapes : En premier lieu, un modèle de dynamique locale, spécifique au Bouquetin, fut développé : le modèle sous-jacent - structuré en classes d?âge et de sexe - est basé sur une matrice de Leslie à laquelle ont été ajoutées la densité-dépendance, la stochasticité environnementale et la chasse de régulation. Ce modèle fut implémenté dans un logiciel d?aide à la gestion - nommé SIM-Ibex - permettant la maintenance de données de recensements, l?estimation automatisée des paramètres, ainsi que l?ajustement et la simulation de stratégies de régulation. Mais la dynamique d?une population est influencée non seulement par des facteurs démographiques, mais aussi par la dispersion et la colonisation de nouveaux espaces. Il est donc nécessaire de pouvoir modéliser tant la qualité de l?habitat que les obstacles à la dispersion. Une collection de logiciels - nommée Biomapper - fut donc développée. Son module central est basé sur l?Analyse Factorielle de la Niche Ecologique (ENFA) dont le principe est de calculer des facteurs de marginalité et de spécialisation de la niche écologique à partir de prédicteurs environnementaux et de données d?observation de l?espèce. Tous les modules de Biomapper sont liés aux Systèmes d?Information Géographiques (SIG) ; ils couvrent toutes les opérations d?importation des données, préparation des prédicteurs, ENFA et calcul de la carte de qualité d?habitat, validation et traitement des résultats ; un module permet également de cartographier les barrières et les corridors de dispersion. Le domaine d?application de l?ENFA fut exploré par le biais d?une distribution d?espèce virtuelle. La comparaison à une méthode couramment utilisée pour construire des cartes de qualité d?habitat, le Modèle Linéaire Généralisé (GLM), montra qu?elle était particulièrement adaptée pour les espèces cryptiques ou en cours d?expansion. Les informations sur la démographie et le paysage furent finalement fusionnées en un modèle global. Une approche basée sur un automate cellulaire fut choisie, tant pour satisfaire aux contraintes du réalisme de la modélisation du paysage qu?à celles imposées par les grandes populations : la zone d?étude est modélisée par un pavage de cellules hexagonales, chacune caractérisée par des propriétés - une capacité de soutien et six taux d?imperméabilité quantifiant les échanges entre cellules adjacentes - et une variable, la densité de la population. Cette dernière varie en fonction de la reproduction et de la survie locale, ainsi que de la dispersion, sous l?influence de la densité-dépendance et de la stochasticité. Un logiciel - nommé HexaSpace - fut développé pour accomplir deux fonctions : 1° Calibrer l?automate sur la base de modèles de dynamique (par ex. calculés par SIM-Ibex) et d?une carte de qualité d?habitat (par ex. calculée par Biomapper). 2° Faire tourner des simulations. Il permet d?étudier l?expansion d?une espèce envahisseuse dans un paysage complexe composé de zones de qualité diverses et comportant des obstacles à la dispersion. Ce modèle fut appliqué à l?histoire de la réintroduction du Bouquetin dans les Alpes bernoises (Suisse). SIM-Ibex est actuellement utilisé par les gestionnaires de la faune et par les inspecteurs du gouvernement pour préparer et contrôler les plans de tir. Biomapper a été appliqué à plusieurs espèces (tant végétales qu?animales) à travers le Monde. De même, même si HexaSpace fut initialement conçu pour des espèces animales terrestres, il pourrait aisément être étndu à la propagation de plantes ou à la dispersion d?animaux volants. Ces logiciels étant conçus pour, à partir de données brutes, construire un modèle réaliste complexe, et du fait qu?ils sont dotés d?une interface d?utilisation intuitive, ils sont susceptibles de nombreuses applications en biologie de la conservation. En outre, ces approches peuvent également s?appliquer à des questions théoriques dans les domaines de l?écologie des populations et du paysage.<br/><br/>Conservation biology is commonly associated to small and endangered population protection. Nevertheless, large or potentially large populations may also need human management to prevent negative effects of overpopulation. As there are both qualitative and quantitative differences between small population protection and large population controlling, distinct methods and models are needed. The aim of this work was to develop theoretical models to predict large population dynamics, as well as computer tools to assess the parameters of these models and to test management scenarios. The alpine Ibex (Capra ibex ibex) - which experienced a spectacular increase since its reintroduction in Switzerland at the beginning of the 20th century - was used as paradigm species. This task was achieved in three steps: A local population dynamics model was first developed specifically for Ibex: the underlying age- and sex-structured model is based on a Leslie matrix approach with addition of density-dependence, environmental stochasticity and culling. This model was implemented into a management-support software - named SIM-Ibex - allowing census data maintenance, parameter automated assessment and culling strategies tuning and simulating. However population dynamics is driven not only by demographic factors, but also by dispersal and colonisation of new areas. Habitat suitability and obstacles modelling had therefore to be addressed. Thus, a software package - named Biomapper - was developed. Its central module is based on the Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) whose principle is to compute niche marginality and specialisation factors from a set of environmental predictors and species presence data. All Biomapper modules are linked to Geographic Information Systems (GIS); they cover all operations of data importation, predictor preparation, ENFA and habitat suitability map computation, results validation and further processing; a module also allows mapping of dispersal barriers and corridors. ENFA application domain was then explored by means of a simulated species distribution. It was compared to a common habitat suitability assessing method, the Generalised Linear Model (GLM), and was proven better suited for spreading or cryptic species. Demography and landscape informations were finally merged into a global model. To cope with landscape realism and technical constraints of large population modelling, a cellular automaton approach was chosen: the study area is modelled by a lattice of hexagonal cells, each one characterised by a few fixed properties - a carrying capacity and six impermeability rates quantifying exchanges between adjacent cells - and one variable, population density. The later varies according to local reproduction/survival and dispersal dynamics, modified by density-dependence and stochasticity. A software - named HexaSpace - was developed, which achieves two functions: 1° Calibrating the automaton on the base of local population dynamics models (e.g., computed by SIM-Ibex) and a habitat suitability map (e.g. computed by Biomapper). 2° Running simulations. It allows studying the spreading of an invading species across a complex landscape made of variously suitable areas and dispersal barriers. This model was applied to the history of Ibex reintroduction in Bernese Alps (Switzerland). SIM-Ibex is now used by governmental wildlife managers to prepare and verify culling plans. Biomapper has been applied to several species (both plants and animals) all around the World. In the same way, whilst HexaSpace was originally designed for terrestrial animal species, it could be easily extended to model plant propagation or flying animals dispersal. As these softwares were designed to proceed from low-level data to build a complex realistic model and as they benefit from an intuitive user-interface, they may have many conservation applications. Moreover, theoretical questions in the fields of population and landscape ecology might also be addressed by these approaches.

Establishment of a Developmental Compartment Requires Interactions between Three Synergistic Cis-regulatory Modules.

The subdivision of cell populations in compartments is a key event during animal development. In Drosophila, the gene apterous (ap) divides the wing imaginal disc in dorsal vs ventral cell lineages and is required for wing formation. ap function as a dorsal selector gene has been extensively studied. However, the regulation of its expression during wing development is poorly understood. In this study, we analyzed ap transcriptional regulation at the endogenous locus and identified three cis-regulatory modules (CRMs) essential for wing development. Only when the three CRMs are combined, robust ap expression is obtained. In addition, we genetically and molecularly analyzed the trans-factors that regulate these CRMs. Our results propose a three-step mechanism for the cell lineage compartment expression of ap that includes initial activation, positive autoregulation and Trithorax-mediated maintenance through separable CRMs.

Dpp spreading is required for medial but not for lateral wing disc growth.

Drosophila Decapentaplegic (Dpp) has served as a paradigm to study morphogen-dependent growth control. However, the role of a Dpp gradient in tissue growth remains highly controversial. Two fundamentally different models have been proposed: the 'temporal rule' model suggests that all cells of the wing imaginal disc divide upon a 50% increase in Dpp signalling, whereas the 'growth equalization model' suggests that Dpp is only essential for proliferation control of the central cells. Here, to discriminate between these two models, we generated and used morphotrap, a membrane-tethered anti-green fluorescent protein (GFP) nanobody, which enables immobilization of enhanced (e)GFP::Dpp on the cell surface, thereby abolishing Dpp gradient formation. We find that in the absence of Dpp spreading, wing disc patterning is lost; however, lateral cells still divide at normal rates. These data are consistent with the growth equalization model, but do not fit a global temporal rule model in the wing imaginal disc.