Sociogenomics of Cooperation and Conflict during Colony Founding in the Fire Ant Solenopsis invicta.

One of the fundamental questions in biology is how cooperative and altruistic behaviors evolved. The majority of studies seeking to identify the genes regulating these behaviors have been performed in systems where behavioral and physiological differences are relatively fixed, such as in the honey bee. During colony founding in the monogyne (one queen per colony) social form of the fire ant Solenopsis invicta, newly-mated queens may start new colonies either individually (haplometrosis) or in groups (pleometrosis). However, only one queen (the "winner") in pleometrotic associations survives and takes the lead of the young colony while the others (the "losers") are executed. Thus, colony founding in fire ants provides an excellent system in which to examine the genes underpinning cooperative behavior and how the social environment shapes the expression of these genes. We developed a new whole genome microarray platform for S. invicta to characterize the gene expression patterns associated with colony founding behavior. First, we compared haplometrotic queens, pleometrotic winners and pleometrotic losers. Second, we manipulated pleometrotic couples in order to switch or maintain the social ranks of the two cofoundresses. Haplometrotic and pleometrotic queens differed in the expression of genes involved in stress response, aging, immunity, reproduction and lipid biosynthesis. Smaller sets of genes were differentially expressed between winners and losers. In the second experiment, switching social rank had a much greater impact on gene expression patterns than the initial/final rank. Expression differences for several candidate genes involved in key biological processes were confirmed using qRT-PCR. Our findings indicate that, in S. invicta, social environment plays a major role in the determination of the patterns of gene expression, while the queen's physiological state is secondary. These results highlight the powerful influence of social environment on regulation of the genomic state, physiology and ultimately, social behavior of animals.

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.

The effects of fire severity on ectomycorrhizal colonization and morphometric features in Pinus pinaster Ait. seedlings

Aim of the study: Mycorrhizal fungi in Mediterranean forests play a key role in the complex process of recovery after wildfires. A broader understanding of an important pyrophytic species as Pinus pinaster and its fungal symbionts is thus necessary for forest restoration purposes. This study aims to assess the effects of ectomycorrhizal symbiosis on maritime pine seedlings and how fire severity affects fungal colonization ability. Area of study: Central Spain, in a Mediterranean region typically affected by wildfires dominated by Pinus pinaster, a species adapted to fire disturbance. Material and Methods: We studied P. pinaster root apexes from seedlings grown in soils collected one year after fire in undisturbed sites, sites moderately affected by fire and sites highly affected by fire. Natural ectomycorrhization was observed at the whole root system level as well as at two root vertical sections (0-10 cm and 10-20 cm). We also measured several morphometric traits ( tap root length, shoot length, dry biomass of shoots and root/shoot ratio), which were used to test the influence of fire severity and soil chemistry upon them. Main results: Ectomycorrhizal colonization in undisturbed soils for total and separated root vertical sections was higher than in soils that had been affected by fire to some degree. Inversely, seedling vegetative size increased according to fire severity. Research highlights: Fire severity affected soil properties and mycorrhizal colonization one year after occurrence, thus affecting plant development. These findings can contribute to a better knowledge of the factors mediating successful establishment of P. pinaster in Mediterranean forests after wildfires.