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

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

Molecular taxonomy of the Formica rufa group (red wood ants) (Hymenoptera: Formicidae): a new cryptic species in the Swiss Alps?

Because of their beneficial impact on forest ecosystems, European red wood ants (Formica rufa group) are protected by law in many European countries and are considered to be among the most reliable bioindicators of forest stability. However, their taxonomy has been much debated and, unfortunately, it is too often neglected. This happens mainly because the morphology-based method for species delimitation requires lots of time and experience. We therefore employed 9 microsatellite loci and mitochondrial DNA (COI gene) to verify the power of genetic markers for red wood ant species delimitation and to investigate the cryptic diversity of these ants within the Eastern Swiss Alps. We analyzed 83 nests belonging to all red wood ant species that occur in the Swiss National Park area. Genetic data indicated that these species represent different genetic pools. Moreover, results showed that Formica aquilonia YARROW, 1955 and F. paralugubris SEIFERT, 1996 often hybridize within the Park, confirming that these two species are genetically very close and could have diverged only recently. Nevertheless, microsatellites also revealed that one entire population, located in the Minger Valley and morphologically identified as F. lugubris ZETTERSTEDT, 1838, is genetically different to all other analyzed F. lugubris populations found within the same area and to other red wood ant species. These findings, confirmed by mitochondrial DNA analyses, suggest the existence of a new cryptic species within the Eastern Swiss Alps. This putative cryptic species has been provisionally named F. lugubris-A2. These results have a great importance for future conservation plans, monitoring and evolutionary studies on these protected ants.

Integrative taxonomy of the Formica rufa group (Hymenoptera: Formicidae)

RESUME :Les fourmis du groupe Formica rufa, ou fourmis des bois, ainsi appelées en raison de leur préférence pour les écosystèmes forestiers, sont parmi les fourmis les plus fascinantes et les plus étudiées d'Europe. Ces fourmis jouent un rôle clé dans la plupart des forêts dans lesquelles elles vivent et sont considérées comme étant les meilleurs bioindicateurs de ces milieux. Pour ces raisons, les fourmis des bois sont protégées par la loi dans de nombreux pays européens, y compris en Suisse. Cependant, malgré leur protection, ces fourmis sont inscrites sur la liste rouge des espèces menacées dans plusieurs pays d'Europe et il est donc indispensable de bien les connaître afin de mieux les protéger.À l'heure actuelle, on considère que le groupe Formica rufa est composé de six espèces distinctes : F. rufa, F. polyctena, F. lugubris, F. paralugubris, F. aquilonia et F. pratensis. Toutefois, malgré la grande quantité d'études effectuées sur ces espèces, la systématique et l'identification des fourmis des bois sont toujours sujettes à discussion. Ceci est essentiellement dû au fait que ces espèces sont morphologiquement similaires et qu'elles sont parfois capables de s'hybrider ou de former des colonies mixtes.Une des conditions fondamentales pour toute étude en biologie de la conservation est l'identification correcte des espèces à protéger. Avec cette étude, nous désirons donc dénouer les problèmes liés à la systématique des fourmis des bois et analyser la diversité de ces espèces en adoptant une approche multidisciplinaire.Nous avons d'abord étudié la distribution des espèces jumelles F. lugubris et F. paralugubris dans les Álpes italiennes en re-analysant l'une des plus grandes collections de références sur ces espèces, déposée à l'Université de Pavie, Italie, et en récoltant de nouveaux échantillons sur le terrain. Nos analyses ont montré que F, paralugubris, décrite récemment et souvent «oubliée »par les chercheurs, est bien présente dans les Alpes et vit souvent en sympathie avec F. lugubris. Ensuite nous avons développé un outil moléculaire basé sur l'ADN mitochondrial pour une identification rapide et efficace de ces deux espèces. Au vu des bons résultats, nous avons étendu nos analyses génétiques (microsatellites) à toutes les espèces du groupe F. rufa, ce qui nous a permis de montrer que les outils moléculaires sont très efficaces pour identifier ces fourmis. En outre, nos analyses ont mis en évidence la présence d'une nouvelle espèce cryptique (appelée F. lugubris-X) au sein du Parc National Suisse. L'existence d'une nouvelle espèce peut avoir une grande influence sur les projets de conservation en faveur de ces espèces. Nous avons donc décidé de confirmer ce résultat avec des analyses comportementales et des analyses chimiques basées sur les phéromones sexuelles des différentes espèces, y compris F. lugubris-X. Les deux approches confirment nos données génétiques et indiquent que F. lugubris-X représente bel et bien une nouvelle espèce de fourmis des bois dans les Alpes Suisses.Les résultats de cette étude ont une grande importance du point de vue de la biodiversité. En plus, ils livrent aux futurs chercheurs des outils fiables pour l'identification des fourmis des bois et ouvrent de captivantes perspectives pour une meilleure protection de ces insectes et, par conséquent, de nos écosystèmes forestiers. .Abstract :Mound building red wood ants (species of the Formica rufa group) belong to one of the most studied groups of ants in Europe and have fundamental roles and positive effects in forested habitats of the northern hemisphere. In addition, they are considered among the most promising bioindicators of forest ecosystems. Because of their importance, these ants are protected by law in many European countries, including Switzerland. However, despite this protection, they are included on the red list of threatened species edited by the International Union for Conservation of Nature (IUCN) and on the red list of some particular countries like Switzerland. Because of their similar morphology and a high intraspecific variability, the morphological identification of these species can be quite complicated. In addition, they are sometimes able to hybridize or to form mixed colonies. Consequently, the taxonomy of this group of ants has been much debated during the past decades. Based on a phylogenetic study, today the group is considered to count six species in Europe: F. rufa, F. po/yctena, F. lugubris, F. paralugubris, F. aquilonia and F. pratensis. Nevertheless, the taxonomy of the group is often neglected mainly due to the lack of reliable and easy to use identification methods.Considering the importance of correct species assessment in conservation biology, in this study we want to disentangle the taxonomical difficulties within the Formica rufa group and to clarify the diversity of these protected ants, by using an integrative approach.We first analyzed the distribution of .the sibling species F. lugubris and F. paralugubris in the Italian Alps by collecting new samples on the field and by examining one of the major red wood ant collections, which is deposited at the University of Pavia, Italy. After that, we developed a molecular tool based on mitochondria) DNA, which provides a reliable and easy-to-use technique for the identification of F. lugubris and F. paralugubris. Afterwards, we extended the use of molecular markers for species identification to the whole F. rufa group and made a microsatellite analysis. Results confirm that molecular markers are consistent tools for species identification and that the six known species represent six different genetic pools. In addition, genetic data highlighted the existence of a new cryptic species in the Swiss Alps, called Formica lugubris-X.The presence of a new species can have a great influence on future conservation plans in favour of these protected ants and consequently for forested habitats. We therefore completed molecular data by behavioural (pupae recognition) and chemical analyses based on six pheromones of the entire F. rufa group. Both approaches are in accordance to genetic results and confirm that F. lugubris-X really represents a new cryptic species of red wood ant within the Swiss National Park (Eastern Swiss Alps).Results obtained in this study have a great importance in terms of biodiversity. Moreover, they provide important taxonomical information, reliable tools for species identifications and future perspectives for a consequent conservation of red wood ant species.