Vitellogenin Underwent Subfunctionalization to Acquire Caste and Behavioral Specific Expression in the Harvester Ant Pogonomyrmex barbatus.

The reproductive ground plan hypothesis (RGPH) proposes that the physiological pathways regulating reproduction were co-opted to regulate worker division of labor. Support for this hypothesis in honeybees is provided by studies demonstrating that the reproductive potential of workers, assessed by the levels of vitellogenin (Vg), is linked to task performance. Interestingly, contrary to honeybees that have a single Vg ortholog and potentially fertile nurses, the genome of the harvester ant Pogonomyrmex barbatus harbors two Vg genes (Pb_Vg1 and Pb_Vg2) and nurses produce infertile trophic eggs. P. barbatus, thus, provides a unique model to investigate whether Vg duplication in ants was followed by subfunctionalization to acquire reproductive and non-reproductive functions and whether Vg reproductive function was co-opted to regulate behavior in sterile workers. To investigate these questions, we compared the expression patterns of P. barbatus Vg genes and analyzed the phylogenetic relationships and molecular evolution of Vg genes in ants. qRT-PCRs revealed that Pb_Vg1 is more highly expressed in queens compared to workers and in nurses compared to foragers. By contrast, the level of expression of Pb_Vg2 was higher in foragers than in nurses and queens. Phylogenetic analyses show that a first duplication of the ancestral Vg gene occurred after the divergence between the poneroid and formicoid clades and subsequent duplications occurred in the lineages leading to Solenopsis invicta, Linepithema humile and Acromyrmex echinatior. The initial duplication resulted in two Vg gene subfamilies preferentially expressed in queens and nurses (subfamily A) or in foraging workers (subfamily B). Finally, molecular evolution analyses show that the subfamily A experienced positive selection, while the subfamily B showed overall relaxation of purifying selection. Our results suggest that in P. barbatus the Vg gene underwent subfunctionalization after duplication to acquire caste- and behavior- specific expression associated with reproductive and non-reproductive functions, supporting the validity of the RGPH in ants.

Draft genome of the red harvester ant Pogonomyrmex barbatus.

We report the draft genome sequence of the red harvester ant, Pogonomyrmex barbatus. The genome was sequenced using 454 pyrosequencing, and the current assembly and annotation were completed in less than 1 y. Analyses of conserved gene groups (more than 1,200 manually annotated genes to date) suggest a high-quality assembly and annotation comparable to recently sequenced insect genomes using Sanger sequencing. The red harvester ant is a model for studying reproductive division of labor, phenotypic plasticity, and sociogenomics. Although the genome of P. barbatus is similar to other sequenced hymenopterans (Apis mellifera and Nasonia vitripennis) in GC content and compositional organization, and possesses a complete CpG methylation toolkit, its predicted genomic CpG content differs markedly from the other hymenopterans. Gene networks involved in generating key differences between the queen and worker castes (e.g., wings and ovaries) show signatures of increased methylation and suggest that ants and bees may have independently co-opted the same gene regulatory mechanisms for reproductive division of labor. Gene family expansions (e.g., 344 functional odorant receptors) and pseudogene accumulation in chemoreception and P450 genes compared with A. mellifera and N. vitripennis are consistent with major life-history changes during the adaptive radiation of Pogonomyrmex spp., perhaps in parallel with the development of the North American deserts.

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.

Characterization and distribution of Pogonomyrmex harvester ant lineages with genetic caste determination.

Genetic caste determination has been described in two populations of Pogonomyrmex harvester ants, each comprising a pair of interbreeding lineages. Queens mate with males of their own and of the alternate lineage and produce two types of diploid offspring, those fertilized by males of the queens' lineage which develop into queens and those fertilized by males of the other lineage which develop into workers. Each of the lineages has been shown to be itself of hybrid origin between the species Pogonomyrmex barbatus and Pogonomyrmex rugosus, which both have typical, environmentally determined caste differentiation. In a large scale genetic survey across 35 sites in Arizona, New Mexico and Texas, we found that genetic caste determination associated with pairs of interbreeding lineages occurred frequently (in 26 out of the 35 sites). Overall, we identified eight lineages with genetic caste determination that always co-occurred in the same complementary lineage pairs. Three of the four lineage pairs appear to have a common origin while their relationship with the fourth remains unclear. The level of genetic differentiation among these eight lineages was significantly higher than the differentiation between P. rugosus and P. barbatus, which questions the appropriate taxonomic status of these genetic lineages. In addition to being genetically isolated from one another, all lineages with genetic caste determination 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. Such nearly complete reproductive isolation between the lineages and the species with environmental caste determination might prevent the genetic caste determination system to be swept away by gene flow.