Cluster kernels for semisupervised classification of VHR urban images

In this paper, we present and apply a semisupervised support vector machine based on cluster kernels for the problem of very high resolution image classification. In the proposed setting, a base kernel working with labeled samples only is deformed by a likelihood kernel encoding similarities between unlabeled examples. The resulting kernel is used to train a standard support vector machine (SVM) classifier. Experiments carried out on very high resolution (VHR) multispectral and hyperspectral images using very few labeled examples show the relevancy of the method in the context of urban image classification. Its simplicity and the small number of parameters involved make it versatile and workable by unexperimented users.

Interplay between insulin signaling, juvenile hormone, and vitellogenin regulates maternal effects on polyphenism in ants.

Polyphenism is the phenomenon in which alternative phenotypes are produced by a single genotype in response to environmental cues. An extreme case is found in social insects, in which reproductive queens and sterile workers that greatly differ in morphology and behavior can arise from a single genotype. Experimental evidence for maternal effects on caste determination, the differential larval development toward the queen or worker caste, was recently documented in Pogonomyrmex seed harvester ants, in which only colonies with a hibernated queen produce new queens. However, the proximate mechanisms behind these intergenerational effects have remained elusive. We used a combination of artificial hibernation, hormonal treatments, gene expression analyses, hormone measurements, and vitellogenin quantification to investigate how the combined effect of environmental cues and hormonal signaling affects the process of caste determination in Pogonomyrmex rugosus. The results show that the interplay between insulin signaling, juvenile hormone, and vitellogenin regulates maternal effects on the production of alternative phenotypes and set vitellogenin as a likely key player in the intergenerational transmission of information. This study reveals how hibernation triggers the production of new queens in Pogonomyrmex ant colonies. More generally, it provides important information on maternal effects by showing how environmental cues experienced by one generation can translate into phenotypic variation in the next generation.

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.

Prophylaxis with resin in wood ants

Animals may use plant compounds to defend themselves against parasites. Wood ants, Formica paralugubris, incorporate pieces of solidified conifer resin into their nests. This behaviour inhibits the growth of bacteria and fungi in nest material and protects the ants against some detrimental microorganisms. Here, we studied the resin-collecting behaviour of ants under field and laboratory conditions. First, we focused on an important assumption of the self-medication hypothesis, which is that the animals deliberately choose the active plant material. In field cafeteria tests, the ants indeed showed a strong preference for resin over twigs and stones, which are building materials commonly encountered in their environment. We detected seasonal variation in the choice of ants: the preference for resin over twigs was more pronounced in spring than in summer, whereas in autumn the ants collected twigs and resin at equal rates. Second, we found almost similar seasonal patterns when comparing the collecting rates of pieces of wood that had been impregnated with turpentine (a distillate of oleoresin) and untreated pieces of wood, which reveals that the preference for resin is based on odour cues. Third, we tested whether the collection of resin is prophylactic or therapeutic. We found that the relative collection rate of resin versus stones did not depend on an experimental infection with the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae in laboratory colonies. Together, these results show that the ants deliberately choose the resin and suggest that resin collection is prophylactic rather than therapeutic.

Molecular markers allow sibling species identification in red wood ants (Formica rufa group)

Red wood ants (Formica rufa group) constitute a group of species that are considered to be among the most promising bioindicators in forest ecosystems. However, because of their morphological similarity and intraspecific variability, morphological species identification can be difficult. Considerable expertise is necessary to discriminate between the sibling species F. lugubris and F. paralugubris, two species that often live in sympatry in the same Alpine forests. New taxonomic tools providing rapid and reliable species identification are needed. We present a simple and reliable molecular technique based on mtDNA (COI gene) and a restriction enzyme for discriminating between F. lugubris and F. paralugubris. We confirm the validity of this method with a Bayesian analysis based on microsatellites. This new molecular tool represents a clear breakthrough for discriminating between F. lugubris and F. paralugubris and is likely to be helpful in large-scale biomonitoring.

Urban health: l'irrémédiable urbanisation de la vie et de la médecine [Urban health: the irremediable urbanization of life and medicine].

Since 2007, the number of people living in cities exceeds that of rural areas. Thus, cities and their organizations have a major influence on all spheres of human life, especially health. This influence may generate inequality, suffering and disease, but also represent an opportunity for health and well-being. This paper introduces the concept of urban health, particularly in terms of primary care medicine and presents solutions that encompass a wide field (politics, urban planning, social inequality, education). Improving urban health requires collaboration of medical with non-medical actors, in order to become of development (re-) urban structure and promotes the health of all.

Genetic differentiation of disjunct populations of the ants Formicaaquilonia and Formica lugubris in Europe.

The species Formica aquilonia and F. lugubris of the mound-building red wood ants have a disjunct boreoalpine distribution in Europe. The populations of F. aquilonia in Finland, Switzerland and the British Isles show little genetic differentiation, whereas the populations of F. lugubris show considerable differentiation. The Central European populations morphologically identified as F. lugubris can be genetically divided into two groups (here called types A and B). Type B is found in the Alps and the Jura mountains, and is genetically inseparable from F. aquilonia. Type A lives sympatrically with type B in the Jura mountains and is also found in the British Isles. Sympatry of the two types in the Jura shows that these are separate species. It remains open whether type B is morphologically atypical F. aquilonia or whether it is a separate species, perhaps with a past history of introgression between F. aquilonia and F. lugubris. The gene frequencies in the Finnish populations of F. lugubris differ from those of both types A and B. Genetic differences within F. lugubris indicate that the populations have evolved separately for a long time. The social structure of F. lugubris colonies also shows geographic variation. The nests in Finland and the British Isles seem to be mainly monogynous and monodomous, whereas the nests in Central Europe are polygynous and form polydomous colonies. F. aquilonia has polygynous and polydomous colonies in all populations studied.

Single loci with major effects in fire ants : the effects of the complementary sex-determining locus and the green beard supergene on gene expression

Etant données la complexité et la redondance des réseaux de gènes influençant de nombreux phénotypes, l'étude des rares cas d'un locus unique ayant des effets importants sur de nombreux phénotypes peut fournir des informations cruciales sur l'évolution des traits complexes. Nous avons séquencé le génome de la fourmi de feu Solenopsis invicta pour étudier comment l'expression des gènes détermine les effets majeurs et étendus de deux loci uniques sur le phénotype. Le premier locus concerne la détermination du sexe par le modèle des allèles complémentaires. Ce locus est connu pour déterminer le sexe chez tous les hyménoptères mais n'a été caractérisé que chez les abeilles. Les hétérozygotes pour ce locus se développent en reines diploïdes (ou ouvrières stériles) alors que les homozygotes se développent en mâles diploïdes incapables de produire du sperme et les hémizygotes en mâles haploïdes fertiles. Nous avons comparé l'expression des gènes entre les reines et les deux types de mâles au stade pupe, ainsi que 1 et 11 jours après l'émergence. Nous avons trouvé un changement prononcé de l'expression des gènes chez les mâles diploïdes, passant de très proche de celle des reines au stade pupe à identique aux mâles haploïdes 11 jours après l'émergence. Cela signifie que les mâles diploïdes sont condamnés à être stériles parce que les effets après émergence du locus de détermination du sexe ne per¬mettent pas d'effacer les effets de la ploïdie sur l'expression des gènes pendant le stade pupe, quand la spermatogénèse prend place. Le second locus aux effets majeurs que nous avons étudié est le supergène dit "green beard", qui consiste en 616 gènes couvrant 55% d'un chromosome (13 Mb) et est caractérisé par une absence de recombinaison entre les deux variants du supergène : "Social B" et "Social b" (SB et Sb). Au travers de l'effet "green beard", par lequel les ouvrières avec le supergène Sb discriminent favorablement les reines qui partagent ce supergène de façon perceptible, le génotype des reines fondatrices au niveau de ce supergène détermine l'organisation de la colonie : soit elle contient une seule reine SB/SB, soit plusieurs reines SB/Sb. Nous avons montré que le chromosome Sb a évolué comme le chromosome Y, accumulant probablement des allèles favorables dans des colonies avec plusieurs reines mais défavorables dans des colonies avec une seule reine (cf. gènes sexuellement antagonistes), ainsi que des transposons et des séquences répéti¬tives. Nous avons également montré que le polymorphisme du supergène cause de grandes différences d'expression chez les ouvrières et particulièrement les reines mais pas chez les mâles. Pour comprendre comment le polymorphisme du supergène chez les reines peut affecter l'organisation de la colonie, nous avons comparé l'expression entre les génotypes SB/SB et SB/Sb chez des reines vierges (1 et 11 jours) et des reines matures. Nous avons montré que les reines SB/SB sur-régulent des gènes impliqués dans la reproduction, expli-quant pourquoi elle grandissent plus rapidement et peuvent fonder des colonies de façon indépendante, tandis que les reines SB/Sb (qui ne peuvent fonder une nouvelle colonie) sur-régulent des gènes de signalement chimique qui affectent l'organisation des colonies par l'effet "green beard". - Given the complexity and redundancy of the gene networks that underlie many pheno- types, the study of rare cases of a single locus having major effects on many phenotypes can give powerful insights into the evolution of complex traits. We sequenced the genome of Solenopsis invicta fire ants to study how gene expression mediates the widespread major effects of two single loci on phenotype. The first is the complementary sex-determining locus, which is known to exist in most Hymenoptera despite being characterized only for honeybees. Heterozygotes at this locus become diploid queens (or sterile workers), homozy¬gotes become aspermic diploid males, and hemizygotes become fertile haploid males. We compared gene expression between queens and both types of males in pupae and 1 and 11 days after eclosion. We found a pronounced shift in gene expression in diploid males, from being nearly identical to queens as pupae to identical to haploid males 11 days after eclosion. This means that diploid males are condemned to sterility because the overriding effects of the sex locus after eclosion cannot undo the ploidy effects on expression during the pupal stage, when spermatogenesis must be completed. The second locus with major ef¬fects that we studied was the so-called "green beard" supergene, which consists of 616 genes encompassing 55% of one chromosome (13 Mb), without recombination between the two variants "Social B" and "Social b" (SB and Sb) supergene. Through the green beard effect, i.e. workers with the Sb supergene discriminating in favor of queens who perceptibly share this supergene, the founding queen's genotype at the supergene determines colony organi¬zation: either headed by a single SB/SB queen or many SB/Sb queens. We show that the Sb chromosome evolved like a Y-chromosome, probably accumulating alleles beneficial in multi-queen colonies but disadvantageous in single-queen colonies (cf. sexually antagonistic genes), as well as transposons and repetitive sequences. We also show that the polymor¬phism of the supergene causes widespread expression differences in workers and especially queens but not in males. To understand how the polymorphism at the supergene in queen can transform colony organization, we compared the expression between SB/SB and SB/Sb virgin queens (1 and 11 days) and mother queens. We show that SB/SB queens up-regulate genes involved in reproduction, explaining why they mature faster and can found colonies independently, while SB/Sb queens (which cannot found colonies) up-regulate chemical signaling genes that can transform colonies through the green beard effect.

Impact of social structure variation on population genetics, social conflicts and life histories in ants

Summary The evolution of social structures and breeding systems in animals is a complex process that combines ecological, genetical and social factors. This thesis sheds light on important changes in population genetics, life-history and social behavior that are associated with variation in social structure in ants. The socially polymorphic ant Formica selysi was chosen as the model organism because single- and multiple-queen colonies occur in close proximity within a single large population. The shift from single- to multiple-queen colonies is generally associated with profound changes in dispersal behavior and mode of colony founding. In chapter 1, we examine the genetic consequences of variation in social structure at both the colony and population levels. A detailed microsatellite analysis reveals that both colony types have similar mating systems, with few or no queen turnover. Furthermore, the complete lack of genetic differentiation observed between single- and multiple-queen colonies provides no support to the hypothesis that change in queen number leads to restricted gene flow between social forms. Besides changes in the genetic composition of the colony, the variation in the number of queens per colony is associated with changes in a network of behavioral and life-history traits that have been described as forming a "polygyny syndrome". In chapter 2, we demonstrate that multiple-queen colonies profoundly differ from single-queen ones in terms of size, nest density and lifespan of colonies, in weight of queens produced, as well as in allocation to reproductive individuals relative to workers. These multifaceted changes in life-history traits can provide various fitness benefits to members of multiple-queen colonies. Increasing the number of queens in a colony usually results in a decreased level of aggression towards non-nestmates. The phenotype matching hypothesis predicts that, compared to single-queen colonies, multiple-queen colonies have more diverse genetically-derived cues used for recognition, resulting in a lower ability to discriminate non-nestmates. In sharp contrast to this hypothesis, we show in chapter 3 that single- and multiple-queen colonies exhibit on average similar levels of aggression. Moreover, stronger aggression is recorded between colonies of different social structure than between colonies of the same social structure. Several hypotheses propose that the evolution of multiple-queen colonies is at least partly due to benefits resulting from an increase in colony genetic diversity. The task-efficiency hypothesis holds that genetic variation improves task performance due to a more complete or more sensitive expression of the genetically-based division of labor. In .chapter 4, we evaluate if higher colony genetic diversity increases worker size polymorphism and thus may improve division of labor. We show that despite the fact that worker size has a heritable component, higher levels of genetic diversity do not result in more polymorphic workers. The smaller size and lower polymorphism levels of workers of multiple-queen colonies compared to single-queen ones further indicate that an increase in colony genetic diversity does not increase worker size polymorphism but might improve colony homeostasis. In chapter 5, we provide clear evidence for an ongoing conflict between queens and workers on sex allocation, as predicted by kin selection theory. Our data show that queens of F. selysi strongly influence colony sex allocation by biasing the sex ratio of their eggs. However, there is also evidence that workers eliminated some male brood, resulting in a population sex-investment ratio that is between the queens' and workers' equilibria. Résumé L'évolution des structures sociales et systèmes d'accouplement chez les animaux est un processus complexe combinant à la fois des facteurs écologiques, génétiques et sociaux. Cette thèse met en lumière des changements importants dans la génétique des populations, les traits d'histoire de vie et les comportements sociaux qui sont associés à des variations de structure sociale chez les fourmis. Durant ce travail, nous avons étudié une population de Formica selysi composée à la fois de colonies à une reine et de colonies à plusieurs reines. La transition de colonie à une reine à colonie à plusieurs reines est généralement associée à des changements profonds dans le comportement de dispersion ainsi que le mode de fondation des sociétés. Dans le chapitre 1, nous examinons les conséquences génétiques de la variation de structure sociale tant au niveau de la colonie qu'au niveau de la population. Une analyse détaillée à l'aide de marqueurs microsatellites nous révèle que les deux types de colonies ont des systèmes d'accouplements similaires avec peu ou pas de renouvellement de reines. L'absence totale de différenciation génétique entre les colonies à une et à plusieurs reines n'apporte aucun support à l'hypothèse selon laquelle un changement dans le nombre de reines conduit à un flux de gènes restreint entre les deux formes sociales. A côté de changements dans la composition génétique de la colonie, la variation du nombre de reines dans une colonie est associée à une multitude de changements comportementaux et de traits d'histoire de vie qui ont été décrits comme formant un "syndrome polygyne". Dans le chapitre 2, nous démontrons que les colonies à plusieurs reines diffèrent profondément des colonies à une reine en terme de taille, densité de nids, longévité des colonies, poids des nouvelles reines produites ainsi que dans l'allocation entre les individus reproducteurs et les ouvrières. Ces changements multiples dans les traits d'histoire de vie peuvent apporter des bénéfices variés en terme de fitness aux colonies à plusieurs reines. L'augmentation du nombre de reines dans une colonie est généralement associée à une baisse du degré d'agressivité envers les fourmis étrangères au nid. L'hypothèse "phénotype matching" prédit que les colonies à plusieurs reines ont une plus grande diversité dans les facteurs d'origine génétique utilisés pour la reconnaissance, résultant en une capacité diminuée à discriminer une fourmi étrangère au nid. Contrairement à cette hypothèse, nous montrons dans le chapitre 3 que les colonies à une et à plusieurs reines ont des niveaux d'agressivité similaires. De plus, une agressivité accrue est observée entre colonies de structures sociales différentes comparée à des colonies de même structure sociale. Plusieurs hypothèses ont proposé que l'évolution de colonies ä plusieurs reines soit en partie due aux bénéfices résultant d'une augmentation de la diversité génétique dans la colonie. L'hypothèse "task efficiency" prédit que la diversité génétique améliore l'efficacité à effectuer certaines tâches grâce à une expression plus complète et plus souple d'une division du travail génétiquement déterminée. Nous évaluons dans le chapitre 4 si un accroissement de la diversité génétique augmente le polymorphisme de taille des ouvrières, d'où peut ainsi découler une meilleure division du travail. Nous montrons qu'en dépit du fait que la taille des ouvrières soit un caractère héritable, une forte diversité génétique ne se traduit pas par un plus fort polymorphisme chez les ouvrières. Les ouvrières de colonies à plusieurs reines sont plus petites et moins polymorphes que celles des colonies à une seule reine. Dans le chapitre 5, nous démontrons l'existence d'un conflit ouvert entre reines et ouvrières à propos de l'allocation dans les sexes, comme le prédit la théorie de la sélection de parentèle. Nos données révèlent que les reines de F. selysi influencent fortement l'allocation dans les sexes en biaisant la sexe ratio des oeufs. Cependant, certains indices indiquent que les ouvrières éliminent une partie du couvain mâle, ce qui a pour effet d'avoir un investissement dans les sexes au niveau de la population intermédiaire entre les intérêts des reines et des ouvrières.