Impact of helpers on colony productivity in a primitively eusocial bee

Small societies of totipotent individuals are good systems in which to study the costs and benefits of group living that are central to the origin and maintenance of eusociality. For instance, in eusocial halictid bees, some females remain in their natal nest to help rear the next brood. Why do helpers stay in the nest? Do they really help, and if yes, is their contribution large enough to voluntarily forfeit direct reproduction? Here, we estimate the impact of helpers on colony survival and productivity in the sweat bee Halictus scabiosae. The number of helpers was positively associated with colony survival and productivity. Colonies from which we experimentally removed one helper produced significantly fewer offspring. However, the effect of helper removal was very small, on average. From the removal experiment, we estimated that one helper increased colony productivity by 0.72 additional offspring in colonies with one to three helpers, while the increase was smaller and not statistically significant in larger colonies. We conclude that helpers do actually help in this primitively eusocial bee, particularly in small colonies. However, the resulting increase in colony productivity is low, which suggests that helpers may be constrained in their role or may attempt to reproduce.

Population viscosity can promote the evolution of altruistic sterile helpers and eusociality.

Because it increases relatedness between interacting individuals, population viscosity has been proposed to favour the evolution of altruistic helping. However, because it increases local competition between relatives, population viscosity may also act as a brake for the evolution of helping behaviours. In simple models, the kin selected fecundity benefits of helping are exactly cancelled out by the cost of increased competition between relatives when helping occurs after dispersal. This result has lead to the widespread view, especially among people working with social organisms, that special conditions are required for the evolution of altruism. Here, we re-examine this result by constructing a simple population genetic model where we analyse whether the evolution of a sterile worker caste (i.e. an extreme case of altruism) can be selected for by limited dispersal. We show that a sterile worker caste can be selected for even under the simplest life-cycle assumptions. This has relevant consequences for our understanding of the evolution of altruism in social organisms, as many social insects are characterized by limited dispersal and significant genetic population structure.

Social evolution in the sweat bee Halictus scabiosae

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

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

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

Eusociality and cooperation

The evolution of eusociality, here defined as the emergence of societies with reproductive division of labour and cooperative brood care, was first seen as a challenge to Darwin's theory of evolution by natural selection. Why should individuals permanently forgo direct reproduction to help other individuals to reproduce? Kin selection, the indirect transmission of genes through relatives, is the key process explaining the evolution of permanently nonreproductive helpers. However, in some taxa helpers delay reproduction until a breeding opportunity becomes available. Overall, eusociality evolved when ecological conditions promote stable associations of related individuals that benefit from jointly exploiting and defending common resources. High levels of cooperation and robust mechanisms of division of labour are found in many animal societies. However, conflicts among individuals are still frequent when group members that are not genetically identical compete over reproduction or resource allocation.

Low relatedness among cooperatively breeding workers of the greenhead ant Rhytidoponera metallica

The greenhead ant Rhytidoponera metallica has long been recognized as posing a potential challenge to kin selection theory because it has large queenless colonies where apparently many of the morphological workers are mated and reproducing. However this species has never been studied genetically and important elements of its breeding system and kin structure remain uncertain. We used microsatellite markers to measure the relatedness among nestmates unravel the fine-scale population genetic structure and infer the breeding system of R. metallica. The genetic relatedness among worker nestmates is very low but significantly greater than zero (r = 0.082 +/- 0.015) which demonstrates that nests contain many distantly related breeders. The inbreeding coefficient is very close to and not significantly different from zero indicating random mating and lack of microgeographic genetic differentiation. On average. closely located nests are not more similar genetically than distant nests which is surprising as new colonies form by budding and female dispersal is restricted. Lack of inbreeding and absence of population viscosity indicates high gene flow mediated by males. Overall the genetic pattern detected in R. metallica suggests that a high number of moderately related workers mate with unrelated males from distant nests. This breeding system results in the lowest relatedness among nestmates reported for social insect species where breeders and helpers are not morphologically differentiated. [References: 69]

Psychiatrie sous double contrainte, enjeux de la planification en santé mentale [Psychiatry under double bind, issue of the planification in mental health]

Given the important modifications of the "Loi sur l'Assurance maladie (LAMal)", this article gives a contribution to the hospital planification by identifying the main factors that have determined the current organisation of the psychiatric care network. We notice a gap between the orientations of these networks and the funding scheme forecast in the framework of the LAMal. In order to preserve the progressions of these last years and to avoid the negative effects of a too restrictive funding act for the assignment of the public psychiatry, the planification must result in a consensus between the state, the insurances and the multiple actors of the mental health. Otherwise, this will be done to the detriment of the activities of secondary prevention, of coordination in the network, of support to the natural helpers, and of intervention to the vulnerable populations.

Eusociality and cooperation.

The evolution of eusociality, here defined as the emergence of societies with reproductive division of labour and cooperative brood care, was first seen as a challenge to Darwin's theory of evolution by natural selection. Why should individuals permanently forgo direct reproduction to help other individuals to reproduce? Kin selection, the indirect transmission of genes through relatives, is the key process explaining the evolution of permanently nonreproductive helpers. However, in some taxa helpers delay reproduction until a breeding opportunity becomes available. Overall, eusociality evolved when ecological conditions promote stable associations of related individuals that benefit from jointly exploiting and defending common resources. High levels of cooperation and robust mechanisms of division of labour are found in many animal societies. However, conflicts among individuals are still frequent when group members that are not genetically identical compete over reproduction or resource allocation.

Parallel evolution of facial stripe patterns in the Neolamprologus brichardi/pulcher species complex endemic to Lake Tanganyika.

Colour pattern diversity can be due to random processes or to natural or sexual selection. Consequently, similarities in colour patterns are not always correlated with common ancestry, but may result from convergent evolution under shared selection pressures or drift. Neolamprologus brichardi and Neolamprologus pulcher have been described as two distinct species based on differences in the arrangement of two dark bars on the operculum. Our study uses DNA sequences of the mitochondrial control region to show that relatedness of haplotypes disagrees with species assignment based on head colour pattern. This suggests repeated parallel evolution of particular stripe patterns. The complete lack of shared haplotypes between populations of the same or different phenotypes reflects strong philopatric behaviour, possibly induced by the cooperative breeding mode in which offspring remain in their natal territory and serve as helpers until they disperse to nearby territories or take over a breeding position. Concordant phylogeographic patterns between N. brichardi/N. pulcher populations and other rock-dwelling cichlids suggest that the same colonization routes have been taken by sympatric species and that these routes were affected by lake level fluctuations in the past.