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.

Interpolation methods for stochastic processes spaces

In this paper the scales of classes of stochastic processes are introduced. New interpolation theorems and boundedness of some transforms of stochastic processes are proved. Interpolation method for generously-monotonous rocesses is entered. Conditions and statements of interpolation theorems concern he xed stochastic process, which diers from the classical results.

Climate-based empirical models show biased predictions of butterfly communities along environmental gradients

A better understanding of the factors that mould ecological community structure is required to accurately predict community composition and to anticipate threats to ecosystems due to global changes. We tested how well stacked climate-based species distribution models (S-SDMs) could predict butterfly communities in a mountain region. It has been suggested that climate is the main force driving butterfly distribution and community structure in mountain environments, and that, as a consequence, climate-based S-SDMs should yield unbiased predictions. In contrast to this expectation, at lower altitudes, climate-based S-SDMs overpredicted butterfly species richness at sites with low plant species richness and underpredicted species richness at sites with high plant species richness. According to two indices of composition accuracy, the Sorensen index and a matching coefficient considering both absences and presences, S-SDMs were more accurate in plant-rich grasslands. Butterflies display strong and often specialised trophic interactions with plants. At lower altitudes, where land use is more intense, considering climate alone without accounting for land use influences on grassland plant richness leads to erroneous predictions of butterfly presences and absences. In contrast, at higher altitudes, where climate is the main force filtering communities, there were fewer differences between observed and predicted butterfly richness. At high altitudes, even if stochastic processes decrease the accuracy of predictions of presence, climate-based S-SDMs are able to better filter out butterfly species that are unable to cope with severe climatic conditions, providing more accurate predictions of absences. Our results suggest that predictions should account for plants in disturbed habitats at lower altitudes but that stochastic processes and heterogeneity at high altitudes may limit prediction success of climate-based S-SDMs.

The Role of the European Union in the Processes to Ban Cluster Munitions

At the end of 2008 the Convention on Cluster Munitions (CCM) that outlawed almost all types of cluster munitions was signed. It was the product of the so-called Oslo process, which had been set up two years earlier as a reaction to the failure to add a new protocol banning cluster munitions to the Convention on Certain Conventional Weapons (CCW). The position of the EU in these two processes was ambivalent: on the one hand it belonged to the strongest proponents for a new protocol within the CCW, but on the other hand the member states were in general not able to act jointly in the Oslo Process. According to this working paper especially the aspect of national security and the related relationship to the United States influenced the stances of many member states and complicated the formation of a common European position. There were common normative values of the EU detected, which played a role in the CCW, but they were only secondary to other interests of the member states.

Defining secretion processes in astrocytes

During the last decade, evidence that release of chemical transmitters from astrocytes might modulate neuronal activity (the so-called "gliotransmission") occurs in situ has been extensively provided. Nevertheless, gliotransmission remains a highly debated topic because of the lack of direct morphological and functional evidence. Here we provided new information supporting gliotransmission, by i) deepen knowledge about specific properties of regulated secretion of glutamatergic SLMVs, and ii) investigating the involvement of astrocytes in the transmission of dopamine, a molecule whose interaction with astrocytes is likely to occur, but it's still not proven.¦VGLUT-expressing glutamatergic SLMVs have been previously identified both in situ and in vitro, but description of kinetics of release were still lacking. To elucidate this issue, we took advantage of fluorescent tools (styryl dyes and pHluorin) and adapted experimental paradigms and analysis methods previously developed to study exo-endocytosis and recycling of glutamatergic vesicles at synapses. Parallel use of EPIfluorescence and total internal reflection (TIRF) imaging allowed us to find that exo-endocytosis processes in astrocytes are extremely fast, with kinetics in the order of milliseconds, able to sustain and follow neuronal signalling at synapses. Also, exocytosis of SLMVs is under the control of fast, localized Ca2+ elevations in close proximity of SLMVs and endoplasmatic reticulum (ER) tubules, the intracellular calcium stores. Such complex organization supports the fast stimulus-secretion coupling we described; localized calcium elevations have been recently observed in astrocytes in situ, suggesting that these functional microdomains might be present in the intact tissue. In the second part of the work, we investigated whether astrocytes possess some of the benchmarks of brain dopaminergic cells. It's been known for years that astrocytes are able to metabolize monoamines by the enzymes MAO and COMT, but to date no clear information that glial cells are able to uptake and store monoamines have been provided. Here, we identified a whole apparatus for the storage, degradation and release of monoamines, at the ultrastructural level. Electron microscopy immunohistochemistry allowed us to visualize VMAT2- and dopamine-positive intracellular compartments within astrocytic processes, i.e. dense -core granules and cisterns. These organelles might be responsible for dopamine release and storage, respectively; interestingly, this intracellular distribution is reminiscent of VMAT2 expression in dendrites if neurons, where dopamine release is tonic and plays a role in the regulation of its a basal levels, suggesting that astrocytic VMAT2 is involved in the homeostasis of dopamine in healthy brains of adult mammals.¦Durant cette dernière décennie, de nombreux résultats sur le relâchement des transmetteurs par les astrocytes pouvant modulé l'activité synaptique (gliotransmission) ont été fournis. Néanmoins, la gliotransmission reste un processus encore très débattu, notamment à cause de l'absence de preuves directes, morphologique et fonctionnelle démontrant ce phénomène. Nous présentons dans nos travaux de nombreux résultats confortant l'hypothèse de la gliotransmission, dont i) une étude approfondie sur les propriétés spatiales et temporelles de la sécrétion régulée du glutamate dans les astrocytes, et ii) une étude sur la participation des astrocytes dans la transmission de la dopamine, une neuromodulateur dont l'interaction avec les astrocytes est fortement probable, mais qui n'a encore jamais été prouvée. L'expression des petites vésicules (SLMVs - Synaptic Like Micro Vesicles) glutamatergiques exprimant les transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUTs) dans les astrocytes a déjà été prouvé tant in situ qu'in vitro. Afin de mettre en évidence les propriétés précises de la sécrétion de ces organelles, nous avons adapté à nos études des méthodes expérimentales conçues pour observer les processus de exocytose et endocytose dans les neurones. Les résolutions spatiale et temporelle obtenues, grâce a l'utilisation en parallèle de l'épi fluorescence et de la fluorescence a onde évanescente (TIRF), nous ont permis de montrer que la sécrétion régulée dans les astrocytes est un processus extrêmement rapide (de l'ordre de la milliseconde) et qu'elle est capable de soutenir et de suivre la transmission de signaux entre neurones. Nous avons également découvert que cette sécrétion a lieu dans des compartiments subcellulaires particuliers où nous observons la présence du reticulum endoplasmique (ER) ainsi que des augmentations rapides de calcium. Cette organisation spatiale complexe pourrait être la base morphologique du couplage rapide entre le stimulus et la sécrétion. Par ailleurs, plusieurs études récentes in vivo semblent confirmer l'existence de ces compartiments. Depuis des années nous savons que les astrocytes sont capables de métaboliser les monoamines par les enzymes MAO et COMT. Nous avons donc fourni de nouvelles preuves concernant la présence d'un appareil de stockage dans les astrocytes participant à la dégradation et la libération de monoamines au niveau ultrastructurelle. Grâce à la microscopie électronique, nous avons découvert la présence de compartiments intracellulaires exprimant VMAT2 dans les processus astrocytaires, sous forme de granules et des citernes. Ces organelles pourraient donc être responsables à la fois du relâchement et du stockage de la dopamine. De manière surprenante, cette distribution intracellulaire est similaire aux dendrites des neurones exprimant VMAT2, où la dopamine est libérée de façon tonique permettant d'agir sur la régulation de ses niveaux de base. Ces résultats, suggèrent une certaine participation des VMAT2 présents dans les astrocytes dans le processus d'homéostase de la dopamine dans le cerveau.¦A de nombreuses reprises, dans des émissions scientifiques ou dans des films, il est avancé que les hommes n'utilisent que 10% du potentiel de leur cerveau. Cette légende provient probablement du fait que les premiers chercheurs ayant décrit les cellules du cerveau entre le XIXème et le XXeme siècle, ont montré que les neurones, les cellules les plus connues et étudiées de cet organe, ne représentent seulement que 10% de la totalité des cellules composant du cerveau. Parmi les 90% restantes, les astrocytes sont sans doute les plus nombreuses. Jusqu'au début des années 90, les astrocytes ont été plutôt considérés peu plus que du tissu conjonctif, ayant comme rôles principaux de maintenir certaines propriétés physiques du cerveau et de fournir un support métabolique (énergie, environnement propre) aux neurones. Grace à la découverte que les astrocytes ont la capacité de relâcher des substances neuro-actives, notamment le glutamate, le rôle des astrocytes dans le fonctionnement cérébral a été récemment reconsidérée.¦Le rôle du glutamate provenant des astrocytes et son impact sur la fonctionnalité des neurones n'a pas encore été totalement élucidé, malgré les nombreuses publications démontrant l'importance de ce phénomène en relation avec différentes fonctions cérébrales. Afin de mieux comprendre comment les astrocytes sont impliqués dans la transmission cérébrale, nous avons étudié les propriétés spatio-temporelles de cette libération grâce à l'utilisation des plusieurs marqueurs fluorescents combinée avec différentes techniques d'imagerie cellulaires. Nous avons découvert que la libération du glutamate par les astrocytes (un processus maintenant appelé "gliotransmission") était très rapide et contrôlée par des augmentations locales de calcium. Nous avons relié ces phénomènes à des domaines fonctionnels subcellulaires morphologiquement adaptés pour ce type de transmission. Plus récemment, nous avons concentré nos études sur un autre transmetteur très important dans le fonctionnement du cerveau : la dopamine. Nos résultats morphologiques semblent indiquer que les astrocytes ont la capacité d'interagir avec ce transmetteur, mais d'une manière différente comparée au glutamate, notamment en terme de rapidité de transmission. Ces résultats suggèrent que le astrocytes ont la capacité de modifier leurs caractéristiques et de s'adapter à leur environnement par rapport aux types de transmetteur avec lequel ils doivent interagir.

Nest-box design for the study of diurnal raptors and owls is still an overlooked point in ecological, evolutionary and conservation studies: a review

The use of artificial nest-boxes has led to significant progress in bird conservation and in our understanding of the functional and evolutionary ecology of free-ranging birds that exploit cavities for roosting and reproduction. Nest-boxes and their improved accessibility have made it easier to perform comparative and experimental field investigations. However, concerns about the generality and applicability of scientific studies involving birds breeding in nest-boxes have been raised because the occupants of boxes may differ from conspecifics occupying other nest sites. Here we review the existing evidence demonstrating the importance of nest-box design to individual life-history traits in three falcon (Falconiformes) and seven owl (Strigiformes) species, as well as the extent to which publications on these birds describe the characteristics of exploited artificial nest-boxes in their 'methods' sections. More than 60% of recent publications did not provide any details on nest-box design (e.g. size, shape, material), despite several calls >15 years ago to increase the reporting of such information. We exemplify and discuss how variation in nest-box characteristics can affect or confound conclusions from nest-box studies and conclude that it is of overall importance to present details of nest-box characteristics in scientific publications.

Triatominae as a model of morphological plasticity under ecological pressure

The use of biochemical and genetic characters to explore species or population relationships has been applied to taxonomic questions since the 60s. In responding to the central question of the evolutionary history of Triatominae, i.e. their monophyletic or polyphyletic origin, two important questions arise (i) to what extent is the morphologically-based classification valid for assessing phylogenetic relationships? and (ii) what are the main mechanisms underlying speciation in Triatominae? Phenetic and genetic studies so far developed suggest that speciation in Triatominae may be a rapid process mainly driven by ecological factors.

Report on Induction Processes for Medical Staff in the HPSS

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Report on the Induction Processes for Medical Staff in the HPSS

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Entomological and ecological aspects of six sylvatic species of triatomines (Hemiptera, Reduviidae) from the collection of the National Biodiversity Institute of Costa Rica, Central America

A total of 797 specimens of wild adult triatomines, belonging to six species from the entomological collections of the Costa Rican National Biodiversity Institute, was studied from the standpoint of their relative abundance, as reflected by light traps, distribution in the country, seasonal variations and climatic and altitudinal preferences. Triatoma dimidiata was the most abundant species (32.9% of the total specimens), with a very extensive distribution in different ecological zones, being more common between 100 to 400 m above sea level mainly at the end of the dry season. T. dispar was the third in frequency (21.5%), with narrower distribution, more abundant between 600 to 800 m and scarce during the dry season. Panstrongylus geniculatus and P. rufotuberculatus, second and fourth in frequency (22.1% and 15.1%, respectively), were widely distributed on both the Pacific and Caribbean basins, the former being more common between 80 to 270 m all year round and the latter below 800 m mainly during the first semester. Eratyrus cuspidatus which represented only 4.9% of the insects, was also present on both basins mainly below 200 m with a tendency to be scarce during certain months of the year, and was found in all types of ecological zones. Finally, Rhodnius pallescens, the least abundant species (3.6%) was restricted to very humid areas below 20 m, on the north side and Caribbean basin. With the exception of R. pallescens, males were more commonly found than females. Some epidemiological implications related to the six species are discussed.

Discrete time Non-homogeneous Semi-Markov Processes applied to Models for Disability Insurance

In this paper, we present a stochastic model for disability insurance contracts. The model is based on a discrete time non-homogeneous semi-Markov process (DTNHSMP) to which the backward recurrence time process is introduced. This permits a more exhaustive study of disability evolution and a more efficient approach to the duration problem. The use of semi-Markov reward processes facilitates the possibility of deriving equations of the prospective and retrospective mathematical reserves. The model is applied to a sample of contracts drawn at random from a mutual insurance company.

Review of the Freeing Order Processes in Northern Ireland (pdf 369 kb)

Review of the Freeing Order Processes in Northern Ireland

Estudio de la estructura y composición de carbonales (Acacia pennatula) en dos estadios de desarrollo. Diseño de protocolo para el seguimiento de la dinámica de la vegetación en el CIEA "El Limón", Estelí (Nicaragua)

Los carbonales son un tipo de bosque secundario originados por el abandono de un sistema de producción silvopastoril. Estos parches de bosque ocupan una superficie importante de la zona de amortiguamiento de la Reserva Natural del Tisey-La Estanzuela, área del bioma más amenazado del mundo, el Bosque Seco Tropical. La principal especie que compone esta comunidad vegetal es la Acacia pennatula, conocida comúnmente como carbón. Actualmente no hay muchos estudios sobre los carbonales, por lo que el presente proyecto pretende caracterizar la estructura y composición de la comunidad y describir algunos índices ecológicos básicos, en dos estadios diferentes. El análisis de los datos proporciona información de las principales diferencias en cuanto a estructura y composición que tienen lugar en los carbonales. La disminución natural de la densidad de individuos de A. pennatula con los años, parece tener un efecto positivo sobre la diversidad, composición y estructura de la comunidad. En base a estos datos, se ha diseñado un protocolo para realizar un estudio experimental de estas comunidades en el CIEA “El Limón”. En el protocolo, mediante diferentes tratamientos de tala en estadios tempranos, se obtendrán áreas de estudio que presenten un gradiente en la variable densidad de individuos de A. pennatula. El objetivo principal es describir y comparar la estructura, composición y dinámica del carbonal a lo largo del tiempo, y determinar que efecto tiene sobre la comunidad modificar esta variable. Los resultados obtenidos en el protocolo pueden utilizarse como base para desarrollar un plan de manejo para los carbonales que facilite la restauración del Bosque Tropical Seco y el aprovechamiento forestal.