Division of labour and worker size polymorphism in ant colonies: the impact of social and genetic factors

Division of labour among workers is central to the organisation and ecological success of insect societies. If there is a genetic component to worker size, morphology or task preference, an increase in colony genetic diversity arising from the presence of multiple breeders per colony might improve division of labour. We studied the genetic basis of worker size and task preference in Formica selysi, an ant species that shows natural variation in the number of mates per queen and the number of queens per colony. Worker size had a heritable component in colonies headed by a doubly mated queen (h(2)=0.26) and differed significantly among matrilines in multiple-queen colonies. However, higher levels of genetic diversity did not result in more polymorphic workers across single- or multiple-queen colonies. In addition, workers from multiple-queen colonies were consistently smaller and less polymorphic than workers from single-queen colonies. The relationship between task, body size and genetic lineage appeared to be complex. Foragers were significantly larger than brood-tenders, which may provide energetic or ergonomic advantages to the colony. Task specialisation was also often associated with genetic lineage. However, genetic lineage and body size were often correlated with task independently of each other, suggesting that the allocation of workers to tasks is modulated by multiple factors. Overall, these results indicate that an increase in colony genetic diversity does not increase worker size polymorphism but might improve colony homeostasis.

Task-dependent influence of genetic architecture and mating frequency on division of labour in social insect societies.

Division of labour is one of the most prominent features of social insects. The efficient allocation of individuals to different tasks requires dynamic adjustment in response to environmental perturbations. Theoretical models suggest that the colony-level flexibility in responding to external changes and internal perturbation may depend on the within-colony genetic diversity, which is affected by the number of breeding individuals. However, these models have not considered the genetic architecture underlying the propensity of workers to perform the various tasks. Here, we investigated how both within-colony genetic variability (stemming from variation in the number of matings by queens) and the number of genes influencing the stimulus (threshold) for a given task at which workers begin to perform that task jointly influence task allocation efficiency. We used a numerical agent-based model to investigate the situation where workers had to perform either a regulatory task or a foraging task. One hundred generations of artificial selection in populations consisting of 500 colonies revealed that an increased number of matings always improved 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 a few genes for the foraging task's threshold. By contrast, a 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 encoding the threshold for the regulatory task only had a minor effect on colony performance. Overall, our numerical experiments support the importance of mating frequency on efficiency of division of labour and also reveal complex interactions between the number of matings and genetic architecture.

An evolutionary perspective on self-organized division of labor in social insects

Division of labor is a complex phenomenon observed throughout nature. Theoretical studies have focused either on its emergence through self-organization mechanisms or on its adaptive consequences. We suggest that the interaction of self-organization, which undoubtedly characterizes division of labor in social insects, and evolution should be further explored. We review the factors empirically shown to influence task choice. In light of these factors, we review the most important self-organization and evolutionary models for division of labor and outline their advantages and limitations. We describe ways to unify evolution and self-organization in the theoretical study of division of labor and recent results in this area. Finally, we discuss some benchmarks and primary challenges of this approach.

Contribution to the geology of Thailand and implications for the geodynamic evolution of Southeast Asia

Abstract The purpose of this study is to unravel the geodynamic evolution of Thailand and, from that, to extend the interpretation to the rest of Southeast Asia. The methodology was based in a first time on fieldwork in Northern Thailand and Southernmost Myanmar, using a multidisciplinary approach, and then on the compilation and re-interpretation, in a plate tectonics point of view, of existing data about the whole Southeast Asia. The main results concern the Nan-Uttaradit suture, the Chiang Mai Volcanic Belt and the proposition of a new location for the Palaeotethys suture. This led to the establishment of a new plate tectonic model for the geodynamic evolution of Southeast Asia, implying the existence new terranes (Orang Laut and the redefinition of Shan-Thai) and the role of the Palaeopacific Ocean in the tectonic development of the area. The model proposed here considers the Palaeotethys suture as located along the Tertiary Mae Yuam Fault, which represents the divide between the Cimmerian Sibumasu terrane and the Indochina-derived Shan-Thai block. The term Shan-Thai, previously used to define the Cimmerian area (when the Palaeotethys suture was thought to represented by the Nan-Uttaradit suture), was redefined here by keeping its geographical location within the Shan States of Myanmar and Central-Northern Thailand, but attributing it an East Asian Origin. Its detachment from Indochina was the result of the Early Permian opening of the Nan basin. The Nan basin closed during the Middle Triassic, before the deposition of Carnian-Norian molasse. The modalities of the closure of the basin imply a first phase of Middle Permian obduction, followed by final eastwards subduction. The Chiang Mai Volcanic Belt consists of scattered basaltic rocks erupted at least during the Viséan in an extensional continental intraplate setting, on the Shan-Thai part of the Indochina block. The Viséan age was established by the dating of limestone stratigraphically overlying the basalts. In several localities of the East Asian Continent, coeval extensional features occur, possibly implying one or more Early Carboniferous extensional events at a regional scale. These events occurred either due to the presence of a mantle plume or to the roll-back of the Palaeopacific Ocean, subducting beneath Indochina and South China, or both. The Palaeopacific Ocean is responsible, during the Early Permian, for the opening of the Song Ma and Poko back-arcs (Vietnam) with the consequent detachment of the Orang Laut Terranes (Eastern Vietnam, West Sumatra, Kalimantan, Palawan, Taiwan). The Late Triassic/Early Jurassic closure of the Eastern Palaeotethys is considered as having taken place by subduction beneath its southern margin (Gondwana), due to the absence of Late Palaeozoic arc magmatism on its northern (Indochinese) margin and the presence of volcanism on the Cimmerian blocks (Mergui, Lhasa). Résumé Le but de cette étude est d'éclaircir l'évolution géodynamique de la Thaïlande et, à partir de cela, d'étendre l'interprétation au reste de l'Asie du Sud-Est. La méthodologie utilisée est basée dans un premier temps sur du travail de terrain en Thaïlande du nord et dans l'extrême sud du Myanmar, en se basant sur une approche pluridisciplinaire. Dans un deuxième temps, la compilation et la réinterprétation de données préexistantes sur l'Asie du Sud-est la été faite, dans une optique basée sur la tectonique des plaques. Les principaux résultats de ce travail concernent la suture de Nan-Uttaradit, la « Chiang Mai Volcanic Belt» et la proposition d'une nouvelle localité pour la suture de la Paléotethys. Ceci a conduit à l'établissement d'un nouveau modèle pour l'évolution géodynamique de l'Asie du Sud-est, impliquant l'existence de nouveaux terranes (Orang Laut et Shan-Thai redéfini) et le rôle joué par le Paléopacifique dans le développement tectonique de la région. Le modèle présenté ici considère que la suture de la Paléotethys est située le long de la faille Tertiaire de Mae Yuam, qui représente la séparation entre le terrain Cimmérien de Sibumasu et le bloc de Shan-Thai, d'origine Indochinoise. Le terme Shan-Thai, anciennement utilise pour définir le bloc Cimmérien (quand la suture de la Paléotethys était considérée être représentée par la suture de Nan-Uttaradit), a été redéfini ici en maintenant sa localisation géographique dans les états Shan du Myanmar et la Thaïlande nord-centrale, mais en lui attribuant une origine Est Asiatique. Son détachement de l'Indochine est le résultat de l'ouverture du basin de Nan au Permien Inférieur. Le basin de Nan s'est fermé pendant le Trias Moyen, avant le dépôt de molasse Carnienne-Norienne. Les modalités de fermeture du basin invoquent une première phase d'obduction au Permien Moyen, suivie par une subduction finale vers l'est. La "Chiang Mai Volcanic Belt" consiste en des basaltes éparpillés qui ont mis en place au moins pendant le Viséen dans un contexte extensif intraplaque continental sur la partie de l'Indochine correspondant au bloc de Shan-Thai. L'âge Viséen a été établi sur la base de la datation de calcaires qui surmontent stratigraphiquement les basaltes. Dans plusieurs localités du continent Est Asiatique, des preuves d'extension plus ou moins contemporaines ont été retrouvées, ce qui implique l'existence d'une ou plusieurs phases d'extension au Carbonifère Inférieur a une échelle régionale. Ces événements sont attribués soit à la présence d'un plume mantellique, ou au rollback du Paléopacifique, qui subductait sous l'Indochine et la Chine Sud, soit les deux. Pendant le Permien inférieur, le Paléopacifique est responsable pour l'ouverture des basins d'arrière arc de Song Ma et Poko (Vietnam), induisant le détachement des Orang Laut Terranes (Est Vietnam, Ouest Sumatra, Kalimantan, Palawan, Taiwan). La fermeture de la Paléotethys Orientale au Trias Supérieur/Jurassique Inférieur est considérée avoir eu lieu par subduction sous sa marge méridionale (Gondwana), à cause de l'absence de magmatisme d'arc sur sa marge nord (Indochinoise) et de la présence de volcanisme sur les blocs Cimmériens de Lhassa et Sibumasu (Mergui). Résumé large public L'histoire géologique de l'Asie du Sud-est depuis environ 430 millions d'années a été déterminée par les collisions successives de plusieurs continents les uns avec les autres. Il y a environ 430 millions d'années, au Silurien, un grand continent appelé Gondwana, a commencé à se «déchirer» sous l'effet des contraintes tectoniques qui le tiraient. Cette extension a provoqué la rupture du continent et l'ouverture d'un grand océan, appelé Paléotethys, éloignant les deux parties désormais séparées. C'est ainsi que le continent Est Asiatique, composé d'une partie de la Chine actuelle, de la Thaïlande, du Myanmar, de Sumatra, du Vietnam et de Bornéo a été entraîné avec le bord (marge) nord de la Paléotethys, qui s'ouvrait petit à petit. Durant le Carbonifère Supérieur, il y a environ 300 millions d'années, le sud du Gondwana subissait une glaciation, comme en témoigne le dépôt de sédiments glaciaires dans les couches de cet âge. Au même moment le continent Est Asiatique se trouvait à des latitudes tropicales ou équatoriales, ce qui permettait le dépôt de calcaires contenant différents fossiles de foraminifères d'eau chaude et de coraux. Durant le Permien Inférieur, il y a environ 295 millions d'années, la Paléotethys Orientale, qui était un relativement vieil océan avec une croûte froide et lourde, se refermait. La croûte océanique a commencé à s'enfoncer, au sud, sous le Gondwana. C'est ce que l'on appelle la subduction. Ainsi, le Gondwana s'est retrouvé en position de plaque supérieure, par rapport à la Paléotethys qui, elle, était en plaque inférieure. La plaque inférieure en subductant a commencé à reculer. Comme elle ne pouvait pas se désolidariser de la plaque supérieure, en reculant elle l'a tirée. C'est le phénomène du «roll-back ». Cette traction a eu pour effet de déchirer une nouvelle fois le Gondwana, ce qui a résulté en la création d'un nouvel Océan, la Neotethys. Cet Océan en s'ouvrant a déplacé une longue bande continentale que l'on appelle les blocs Cimmériens. La Paléotethys était donc en train de se fermer, la Neotethys de s'ouvrir, et entre deux les blocs Cimmériens se rapprochaient du Continent Est Asiatique. Pendant ce temps, le continent Est Asiatique était aussi soumis à des tensions tectoniques. L'Océan Paléopacifique, à l'est de celui-ci, était aussi en train de subducter. Cette subduction, par roll-back, a déchiré le continent en détachant une ligne de microcontinents appelés ici « Orang Laut Terranes », séparés du continent par deux océans d'arrière arc : Song Ma et Poko. Ceux-ci sont composés de Taiwan, Palawan, Bornéo ouest, Vietnam oriental, et la partie occidentale de Sumatra. Un autre Océan s'est ouvert pratiquement au même moment dans le continent Est Asiatique : l'Océan de Nan qui, en s'ouvrant, a détaché un microcontinent appelé Shan-Thai. La fermeture de l'Océan de Nan, il y a environ 230 millions d'années a resolidarisé Shan-Thai et le continent Est Asiatique et la trace de cet événement est aujourd'hui enregistrée dans la suture (la cicatrice de l'Océan) de Nan-Uttaradit. La cause de l'ouverture de l'Océan de Nan peut soit être due à la subduction du Paléopacifique, soit aux fait que la subduction de la Paléotethys tirait le continent Est Asiatique par le phénomène du « slab-pull », soit aux deux. La subduction du Paléopacifique avait déjà crée de l'extension dans le continent Est Asiatique durant le Carbonifère Inférieur (il y a environ 340-350 millions d'années) en créant des bassins et du volcanisme, aujourd'hui enregistré en différents endroits du continent, dont la ceinture volcanique de Chiang Mai, étudiée ici. A la fin du Trias, la Paléotethys se refermait complètement, et le bloc Cimmérien de Sibumasu entrait en collision avec le continent Est Asiatique. Comme c'est souvent le cas avec les grands océans, il n'y a pas de suture proprement dite, avec des fragments de croûte océanique, pour témoigner de cet évènement. Celui-ci est visible grâce à la différence entre les sédiments du Carbonifère Supérieur et du Permieñ Inférieur de chaque domaine : dans le domaine Cimmérien ils sont de type glaciaire alors que dans le continent Est Asiatique ils témoignent d'un climat tropical. Les océans de Song Ma et Poko se sont aussi refermés au Trias, mais eux ont laissé des sutures visibles

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.

Understanding globalization through football: the new international division of labour, migratory channels and transnational trade circuits

Among all sports, football is the one that saw the largest diffusion during the 20th century. Professional leagues exist on all continents and professional footballers are constantly on the move, trying to reach the wealthiest European clubs. Using the football players' market as an example, this article highlights some key features of economic globalization: the new international division of labour, the ever increasing role played by intermediaries to bind the demand and supply of work on a transnational scale, and the setting up of spatially fragmented trade circuits. These processes form the basis for the creation of a global market of footballers in which clubs and championships play complementary roles and are more than ever functionally integrated beyond national borders.

Molecular and social regulation of worker division of labour in fire ants.

Reproductive and worker division of labour (DOL) is a hallmark of social insect societies. Despite a long-standing interest in worker DOL, the molecular mechanisms regulating this process have only been investigated in detail in honey bees, and little is known about the regulatory mechanisms operating in other social insects. In the fire ant Solenopsis invicta, one of the most studied ant species, workers are permanently sterile and the tasks performed are modulated by the worker's internal state (age and size) and the outside environment (social environment), which potentially includes the effect of the queen presence through chemical communication via pheromones. However, the molecular mechanisms underpinning these processes are unknown. Using a whole-genome microarray platform, we characterized the molecular basis for worker DOL and we explored how a drastic change in the social environment (i.e. the sudden loss of the queen) affects global gene expression patterns of worker ants. We identified numerous genes differentially expressed between foraging and nonforaging workers in queenright colonies. With a few exceptions, these genes appear to be distinct from those involved in DOL in bees and wasps. Interestingly, after the queen was removed, foraging workers were no longer distinct from nonforaging workers at the transcriptomic level. Furthermore, few expression differences were detected between queenright and queenless workers when we did not consider the task performed. Thus, the social condition of the colony (queenless vs. queenright) appears to impact the molecular pathways underlying worker task performance, providing strong evidence for social regulation of DOL in S. invicta.

Division of labor in insect societies : genetic components and physiological regulation

The shift from solitary to social organisms constitutes one of the major transitions in evolution. The highest level of sociality is found in social insects (ants, termites and some species of bees and wasps). Division of labor is central to the organization of insect societies and is thought to be at the root of their ecological success. There are two main levels of division of labor in social insect colonies. The first relates to reproduction and involves the coexistence of queen and worker castes: while reproduction is usually monopolized by one or several queens, functionally sterile workers perform all the tasks to maintain the colony, such as nest building, foraging or brood care. The second level of division of labor, relating to such non-reproductive duties, is characterized by the performance of different tasks or roles by different groups of workers. This PhD aims to better understand the mechanisms underlying division of labor in insect societies, by investigating how genes and physiology influence caste determination and worker behavior in ants. In the first axis of this PhD, we studied the nature of genetic effects on division of labor. We used the Argentine ant Linepithema humile to conduct controlled crosses in the laboratory, which revealed the existence of non-additive genetic effects, such as parent-of-origin and genetic compatibility effects, on caste determination and worker behavior. In the second axis, we focused on the physiological regulation of division of labor. Using Pogonomyrmex seed- harvester ants, we performed experimental manipulation of hibernation, hormonal treatments, gene expression analyses and protein quantification to identify the physiological pathways regulating maternal effects on caste determination. Finally, comparing gene expression between nurses and foragers allowed us to reveal the association between vitellogenin and worker behavior in Pogonomyrmex ants. This PhD provides important insights into the role of genes and physiology in the regulation of division of labor in social insect colonies, helping to better understand the organization, evolution and ecological success of insect societies. - L'une des principales transitions évolutives est le passage de la vie solitaire à la vie sociale. La socialité atteint son paroxysme chez les insectes sociaux que sont les fourmis, les termites et certaines espèces d'abeilles et de guêpes. La division du travail est la clé de voûte de l'organisation de ces sociétés d'insectes et la raison principale de leur succès écologique. La division du travail s'effectue à deux niveaux dans les colonies d'insectes sociaux. Le premier niveau concerne la reproduction et implique la coexistence de deux castes : les reines et les ouvrières. Tandis que la reproduction est le plus souvent monopolisée par une ou plusieurs reines, les ouvrières stériles effectuent les tâches nécessaires au bon fonctionnement de la colonie, telles que la construction du nid, la recherche de nourriture ou le soin au couvain. Le second niveau de division du travail, qui concerne les tâches autres que la reproduction, implique la réalisation de différents travaux par différents groupes d'ouvrières. Le but de ce doctorat est de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents de la division du travail dans les sociétés d'insectes en étudiant comment les gènes et la physiologie influencent la détermination de la caste et le comportement des ouvrières chez les fourmis. Dans le premier axe de ce doctorat, nous avons étudié la nature des influences génétiques sur la division du travail. Nous avons utilisé la fourmi d'Argentine, Linepithema humile, pour effectuer des croisements contrôlés en laboratoire. Cette méthode nous a permis de révéler l'existence d'influences génétiques non additives, telles que des influences dépendantes de l'origine parentale ou des effets de compatibilité génétique, sur la détermination de la caste et le comportement des ouvrières. Dans le second axe, nous nous sommes intéressés à la régulation physiologique de la division du travail. Nous avons utilisé des fourmis moissonneuses du genre Pogonomyrmex pour effectuer des hibernations artificieHes, des traitements hormonaux, des analyses d'expression de gènes et des mesures de vitellogénine, ce qui nous a permis d'identifier les mécanismes physiologiques régulant les effets maternels sur la détermination de la caste. Enfin, la comparaison d'expression de gènes entre nourrices et fourrageuses suggère un rôle de la vitellogénine dans la régulation du comportement des ouvrières chez les fourmis moissonneuses. En détaillant les influences des gènes et de la physiologie dans la régulation de la division du travail dans les colonies d'insectes sociaux, ce doctorat fournit d'importantes informations permettant de mieux comprendre l'organisation, l'évolution et le succès écologique des sociétés d'insectes.

Division of labour influences the rate of ageing in weaver ant workers.

The evolutionary theory of ageing predicts that the timing of senescence has been primarily shaped by the extrinsic mortality rate, which causes selection intensity to decline over time. One difficulty in testing the evolutionary theory of ageing is that extrinsic mortality risk is often confounded with body size and fecundity, which may also directly affect lifespan. Social insects with a pronounced division of labour between worker castes provide a unique opportunity to study the direct effect of extrinsic mortality on the evolution of ageing rates independently of body size, reproductive effort and genetic configuration. In the weaver ant, Oecophylla smaragdina, the major (large) workers perform the risky tasks outside the nest, while the minor (small) workers stay within the highly protected arboreal nest. Hence, this pronounced division of labour is associated with high differences in extrinsic mortality risks. The evolutionary theory of ageing predicts that the minor workers should have a longer intrinsic lifespan than the major workers. In line with this prediction, we found that in a protected environment the minor workers lived significantly longer than the major workers did. Hence, the ageing rate appears to have been moulded by variation in the extrinsic mortality rate independently of size, reproductive effort and genetic configuration.

Controlling cytokinesis in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe : the role of dma1; and ubc8

ABSTRACT The fission yeast Schizosaccharomyces pombe is a single celled eukaryote that has proved to be an excellent model system for the study of cell cycle control. S. pombe cells are rod shaped and grow mainly by elongation at their tips. They divide by formation of medially-placed cell wall, or septum, which cleaves the cell in two. Once the cell commits itself to mitosis the site of division is determined by formation of an acto-myosin based contractile ring at the cell cortex. The ring is assembled in stages throughout mitosis and contracts at the end of anaphase, coincident with spindle disassembly. The contraction, but not the assembly, of the ring requires the signal transduction network called the septation initiation network or SIN. The core components of the SIN are three protein kinases (cdc7p, sidl p and sid2p) and their regulatory subunits (spg1 p, cdcl4p and moblp, respectively). Signalling is dependent upon the nucleotide status of the GTPase spgl p, which is regulated by a two-component GAP protein, cdc16p-byr4p. Signalling is thought to emanate from the spindle pole body, where core SIN components are anchored to a scaffold comprised of sid4p and cdc11p. Activation of the SIN requires the protein kinase plolp, which also has additional roles in mitosis. SIN signalling is tightly regulated to assure the proper co-ordination of mitosis and cytokinesis. Ectopic activation of the SIN in interphase can uncouple septum formation from mitosis, while deregulated SIN signalling leads to formation of cells with multiple septa that do not cleave. Regulators of SIN activity are therefore of considerable interest. This study has concentrated upon two of these, dma1 and ubc8. I have demonstrated that dmal becomes essential when SIN signalling is activated. This leads me to propose a tripartite model for regulation of the SIN during the mitotic cell cycle. Increased expression of dma1 inhibits SIN signalling and prevents cell division. To identify potential targets and mediators of this, multicopy suppressors of dma1 toxicity were identified. One of these, ubc8, is the subject of this thesis. Genetic and molecular analyses are consistent with the view that ubc8p acts as an inhibitor of the SIN Localisation of ubc8p indicates that it is a nuclear protein. The ubc8 gene is not essential, but in its absence cells are unable to prevent septum formation if progression through mitosis is impaired. These data suggest that it may be an effector of the spindle assembly checkpoint. Together, these data shed new light upon the mechanisms by which cytokinesis is regulated in S. pombe. RESUME La levure Schizosaccharomyces pombe est un eucaryote unicellulaire qui est un bon système d'étude du cycle cellulaire. Les cellules de S. pombe sont en forme de bâtonnets et poussent par allongement aux deux bouts. Elles se divisent en formant une paroi au milieu de la cellule, qui s'appelle un septum et qui sépare la cellule en deux. Une fois que la cellule est engagée dans la mitose, le site de clivage est déterminé par la formation d'un anneau contractile d'acto-myosine au niveau du cortex cellulaire. Cet anneau est séquentiellement assemblé au cours de la mitose et se contacte à la fin de l'anaphase, au moment où le fuseau mitotique et désassemblé. La contraction, mais non pas l'assemblage, de l'anneau dépend d'un réseau de signalisation appelé septation initiation netvvork' ou SIN. Les composants centraux du SIN sont trois kinases (cdc7, sidi et sid2) ainsi que leurs sous-unités régulatrices (spgl, cdc14 et mob1, respectivement). La signalisation dépend du nucléotide rattaché à la GTPase spgl qui est régulée par une GAP comprenant deux sous-unités cdc16 et byr4. La signalisation est présumée provenir du pôle du fuseau où les composants centraux du SIN sont ancrés grâce à un échafaudage comprenant sid4 et cdcl 1. La signalisation est étroitement régulée pour assurer une bonne coordination entre mitose et cytokinèse. Une activation ectopique du SIN en interphase peut découpler la formation du septum de la mitose, engendrant des cellules à multiples septa qui ne sont pas clivés. C'est pourquoi les régulateurs du SIN sont d'un intérêt considérable. Cette étude se concentre autour de deux ces régulateurs, dma1 et ubc8. J'ai montré que dma1 devient essentiel quand la signalisation du SIN est activée. Ceci m'amène à proposer un modèle en trois parties pour la régulation du SIN durant la mitose. Une expression élevée de dma1 inhibe la signalisation du SIN et empêche la division cellulaire. Afin d'identifier des substrats ou médiateurs potentiels de la toxicité de dma1, des supresseurs en copies multiples ont été identifiés. Un de ces supresseurs, ubc8, constitue le deuxième sujet de cette thèse. Les études génétiques et moléculaires suggèrent un rôle inhibiteur du SIN par ubc8. Ubc8p est une protéine nucléaire, non essentielle, mais en son absence les cellules ne peuvent pas restreindre la fomation du septum, lorsque la progression de la mitose est perturbée. Les données suggèrent que ubc8 pourrait être un effecteur de point de contrôle de l'assemblage du fuseau mitotique. Prises dans leur ensemble, ces données apportent un nouvel éclairage sur les mécanismes de régulation de la cytokinèse dans S. pombe.

Genetic compatibility affects division of labor in the argentine ant linepithema humile.

Division of labor is central to the organization of insect societies. Within-colony comparisons between subfamilies of workers (patrilines or matrilines) revealed genetic effects on division of labor in many social insect species. Although this has been taken as evidence for additive genetic effects on division of labor, it has never been experimentally tested. To determine the relative roles of additive and nonadditive genetic effects (e.g., genetic compatibility, epistasis, and parent-of-origin imprinting effects) on worker behavior, we performed controlled crosses using the Argentine ant Linepithema humile. Three of the measured behaviors (the efficiency to collect pupae, the foraging propensity, and the distance between non-brood-tenders and brood) were affected by the maternal genetic background and the two others (the efficiency to feed larvae and the distance between brood-tenders and brood) by the paternal genetic background. Moreover, there were significant interactions between the maternal and paternal genetic backgrounds for three of the five behaviors. These results are most consistent with parent-of-origin and genetic compatibility effects on division of labor. The finding of nonadditive genetic effects is in strong contrast with the current view and has important consequences for our understanding of division of labor in insect societies.