Cutting edge: apoptosis of superantigen-activated T cells occurs preferentially after a discrete number of cell divisions in vivo.

Staphylococcal enterotoxins are bacterial products that display superantigen activity in vitro as well as in vivo. For instance, staphylococcal enterotoxin B (SEB) polyclonally activates T cells that bear the Vbeta8 gene segment of the TCR. SEB-activated T cells undergo a burst of proliferation that is followed by apoptosis. Using an in vivo adaptation of a fluorescent cell division monitoring technique, we show here that SEB-activated T cells divide asynchronously, and that apoptosis of superantigen-activated T cells is preferentially restricted to cells which have undergone a discrete number of cell divisions. Collectively, our data suggest that superantigen-activated T cells are programmed to undergo a fixed number of cell divisions before undergoing apoptosis. A delayed death program may provide a mechanistic compromise between effector functions and homeostasis of activated T cells.

Social insect genomes exhibit dramatic evolution in gene composition and regulation while preserving regulatory features linked to sociality.

Genomes of eusocial insects code for dramatic examples of phenotypic plasticity and social organization. We compared the genomes of seven ants, the honeybee, and various solitary insects to examine whether eusocial lineages share distinct features of genomic organization. Each ant lineage contains ∼4000 novel genes, but only 64 of these genes are conserved among all seven ants. Many gene families have been expanded in ants, notably those involved in chemical communication (e.g., desaturases and odorant receptors). Alignment of the ant genomes revealed reduced purifying selection compared with Drosophila without significantly reduced synteny. Correspondingly, ant genomes exhibit dramatic divergence of noncoding regulatory elements; however, extant conserved regions are enriched for novel noncoding RNAs and transcription factor-binding sites. Comparison of orthologous gene promoters between eusocial and solitary species revealed significant regulatory evolution in both cis (e.g., Creb) and trans (e.g., fork head) for nearly 2000 genes, many of which exhibit phenotypic plasticity. Our results emphasize that genomic changes can occur remarkably fast in ants, because two recently diverged leaf-cutter ant species exhibit faster accumulation of species-specific genes and greater divergence in regulatory elements compared with other ants or Drosophila. Thus, while the "socio-genomes" of ants and the honeybee are broadly characterized by a pervasive pattern of divergence in gene composition and regulation, they preserve lineage-specific regulatory features linked to eusociality. We propose that changes in gene regulation played a key role in the origins of insect eusociality, whereas changes in gene composition were more relevant for lineage-specific eusocial adaptations.

Cutting edge: an essential role for Notch-1 in the development of both thymus-independent and -dependent T cells in the gut.

Whereas most T cells arise in the thymus, a distinct lineage of extrathymically derived T cells is present in the gut mucosa. The developmental origin of extrathymic T cells is poorly understood. We show here that Notch-1, a transmembrane receptor involved in T cell fate specification of bipotential T/B precursors in the thymus, is absolutely required for the development of extrathymic (as well as thymus-derived) mature T cells in the intestinal epithelium. In the absence of Notch-1, CD117(+) T cell precursors are relatively more abundant in the gut than the thymus, whereas immature B cells accumulate in the thymus but not the gut. Collectively, these data demonstrate that Notch-1 is essential for both thymic and extrathymic T cell fate specification and further suggest that bipotential T/B precursors that do not receive a Notch-1 signal adopt a B cell fate in the thymus but become developmentally arrested in the gut.

Jasmonates and related oxylipins in plant responses to pathogenesis and herbivory.

The vigorous production of oxygenated fatty acids (oxylipins) is a characteristic response to pathogenesis and herbivory, and is often accompanied by the substantial release of small and reactive lipid-fragmentation products. Some oxylipins, most notably those of the jasmonate family, have key roles as potent regulators. Recent advances have been made in understanding oxylipin-regulated signal transduction in response to attack. Much jasmonate signaling takes place via a genetically defined signal network that is linked to the ethylene, auxin, and salicylic acid signal pathways, but a second aspect of jasmonate signaling is emerging. Some jasmonates and several newly discovered cyclopentenone lipids can activate or repress gene expression through the activities of a conserved electrophilic atom group.

Latitudinal patterns in plant defense: evolution of cardenolides, their toxicity and induction following herbivory.

Attempts over the past 50 years to explain variation in the abundance, distribution and diversity of plant secondary compounds gave rise to theories of plant defense. Remarkably, few phylogenetically robust tests of these long-standing theories have been conducted. Using >50 species of milkweed (Asclepias spp.), we show that variation among plant species in the induction of toxic cardenolides is explained by latitude, with higher inducibility evolving more frequently at lower latitudes. We also found that: (1) the production of cardenolides showed positive-correlated evolution with the diversity of cardenolides, (2) greater cardenolide investment by a species is accompanied by an increase in an estimate of toxicity (measured as chemical polarity) and (3) instead of trading off, constitutive and induced cardenolides were positively correlated. Analyses of root and shoot cardenolides showed concordant patterns. Thus, milkweed species from lower latitudes are better defended with higher inducibility, greater diversity and added toxicity of cardenolides.

Cutting artefacts and cutting process in vitreous sections for cryo-electron microscopy.

Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has recently been shown to provide images of biological specimens with unprecedented quality and resolution. Cutting the sections remains however the major difficulty. Here, we examine the parameters influencing the quality of the sections and analyse the resulting artefacts. They are in particular: knife marks, compression, crevasses, and chatter. We propose a model taking into account the interplay between viscous flow and fracture. We confirm that crevasses are formed on only one side of the section, and define conditions by which they can be avoided. Chatter is an effect of irregular compression due to friction of the section of the knife edge and conditions to prevent this are also explored. In absence of crevasses and chatter, the bulk of the section is compressed approximately homogeneously. Within this approximation, it is possible to correct for compression by a simple linear transformation for the bulk of the section. A research program is proposed to test and refine our understanding of the sectioning process.

A multilevel approach to understanding circadian rhythmicity : social and sleep-dependent effects in ants and mice

Résumé françaisLa majorité des organismes vivants sont soumis à l'alternance du jour et de la nuit, conséquence de la rotation de la terre autour de son axe. Ils ont développé un système interne de mesure du temps, appelé horloge circadienne, leur permettant de s'adapter et de synchroniser leur comportement et leur physiologie aux cycles de lumière. Cette dernière est considérée comme étant le signal majeur entraînant l'horloge interne et. par conséquent, les rythmes journaliers d'éveil et de sommeil. Outre sa régulation circadienne, le sommeil est contrôlé par un processus homéostatique qui détermine son besoin. La contribution de ces deux processus dans le fonctionnement cellulaire du cerveau n'a pas encore été investiguée. La mesure de l'amplitude ainsi que de la prévalence des ondes delta de l'EEG (activité delta) constitue un index très fiable du besoin de sommeil. Il a été démontré que cette activité est génétiquement déterminée et associée à un locus de trait quantitatif situé sur le chromosome 13 de la souris.Grâce à des expériences de privation de sommeil et d'analyses de transcriptome du cerveau dans trois souches de souris présentant diverses réponses à la privation de sommeil, nous avons trouvé que Homerla, localisé dans la région d'intérêt du chromosome 13, est le meilleur marqueur du besoin de sommeil. Homerla est impliqué dans la récupération de l'hyperactivité neuronale induite par le glutamate, grâce à son effet tampon sur le calcium intracellulaire. Une fonction fondamentale du sommeil pourrait donc être de protéger le cerveau et de lui permettre de récupérer après une hyperactivité neuronale imposée par une veille prolongée.De plus, nous avons montré que 2032 transcrits sont exprimés rythmiqueraent dans le cerveau de la souris, parmi lesquels seulement 391 le restent après que les animaux aient été privés de sommeil à différents moments au cours des 24 heures. Cette observation montre clairement que la plupart des changements rythmiques au niveau du transcriptome dépendent du sommeil et non de l'horloge circadienne et souligne ainsi l'importance du sommeil dans la physiologie des mammifères.La plupart des expériences concernant les rythmes circadiens ont été réalisées sur des individus isolés en négligeant l'effet du contexte social sur les comportements circadiens. Les espèces sociales, telles que les fourmis, se caractérisent par une division du travail où une répartition des tâches s'effectue entre ses membres. De plus, certaines d'entre elles doivent être pratiquées en continu comme les soins au couvain tandis que d'autres requièrent une activité rythmique comme le fourragement. Ainsi la fourmi est un excellent modèle pour l'étude de 1 influence du contexte social sur les rythmes circadiens.A ces fins, nous avons décidé d'étudier les rythmes circadiens chez une espèce de fourmi Camponotus fellah et de caractériser au niveau moléculaire son horloge circadienne. Nous avons ainsi développé un système vidéo permettant de suivre l'activité locomotrice de tous les individus d'une colonie. Nos résultats montrent que, bien que la plupart des fourmis soient arythmiques à l'intérieur de la colonie, elles développent d'amples rythmes d'activité en isolation. De plus, ces rythmes disparaissent presque aussitôt que la fourmi est réintroduite dans la colonie. Cette rythmicité observée en isolation semble être générée par l'horloge circadienne car elle persiste en condition constante (obscurité totale). Nous avons ensuite regardé si cette apparente arythmie observée dans la colonie résultait d'un effet masquant des interactions sociales sur les rythmes circadiens d'activité. Nos résultats suggèrent que l'horloge interne est fonctionnelle dans la colonie mais que l'expression de ses rythmes au niveau comportemental est inhibée par les interactions sociales. Les analyses moléculaires du statut de l'horloge dans différents contextes sociaux sont actuellement en cours. Le contexte social semble donc un déterminant majeur du comportement circadien chez la fourmi.AbstractAlmost all living organisms on earth are subjected to the alternance of day and night re-sulting from the rotation of the earth around its axis. They have evolved with an internal timing system, termed the circadian clock, enabling them to adapt and synchronize their behavior and physiology to the daily changes in light and related environmental parame¬ters. Light is thought to be the major cue entraining the circadian clock and consequently the rhythms of rest/activity. In addition to its circadian dependent timing, sleep is reg¬ulated by a homeostatic process that determines its need. The contribution of these two processes in the cellular functioning of the brain has not yet been considered. A highly reliable index of the homeostatic process of sleep is the measure of the amplitude and prevalence of the EEG delta waves (delta activity). It has been shown that sleep need, measured by delta activity, is genetically determined and associated with a Quantitative Trait Locus (QTL) located on the mouse chromosome 13. By using sleep deprivation and brain transcriptome profiling in three inbred mouse strains showing different responses to sleep loss, we found that Homerla, localized within this QTL region is the best transcrip¬tional marker of sleep need. Interestingly Homerla is primarily involved in the recovery from glutamate-induced neuronal hyperactivity by its buffering effect on intracellular cal¬cium. A fundamental function of sleep may therefore reside in the protection and recovery of the brain from a neuronal hyperactivity imposed by prolonged wakefulness.Moreover, time course gene expression experiments showed that 2032 brain tran¬scripts present a rhythmic variation, but only 391 of those remain rhythmic when mice are sleep deprived at four time points around the clock. This finding clearly suggests that most changes in gene transcription over the day are sleep-wake dependent rather than clock dependent and underlines the importance of sleep in mammalian physiology.In the second part of this PhD, I was interested in the social influence on circadian behavior. Most experiments done in the circadian field have been performed on isolated individuals and have therefore ignored the effect of the social context on circadian behav-ior. Eusocial insect species such as ants are characterized by a division of labor: colony tasks are distributed among individuals, some of them requiring continuous activity such as nursing or rhythmic ones such as foraging. Thus ants represent a suitable model to study the influence of the social context on the circadian clock and its output rhythms.The aim of this part was to address the effect of social context on circadian rhythms in the ant species Camponotus fellah and to characterize its circadian clock at the molecu¬lar level. We therefore developed a video tracking system to follow the locomotor activity of all individuals in a colony. Our results show that most ants are arrhythmic within the colony, but develop, when subjected to social isolation, strong rhythms of activity that intriguingly disappear when individuals are reintroduced into the colony. The rhythmicity observed in isolated ants seems to be driven by the circadian clock as it persists under constant conditions (complete darkness). We then tested whether the apparent arrhyth- micity in the colony stemmed from a masking effect of social interactions on circadian rhythms. Indeed, we found that circadian clocks of ants in the colony are functional but their expression at the behavioral level is inhibited by social interactions. The molecular assessment of the circadian clock functional state in the different social context is still under investigation. Our results suggest that social context is a major determinant of circadian behavior in ants.

Interplay between insulin signaling, juvenile hormone, and vitellogenin regulates maternal effects on polyphenism in ants.

Polyphenism is the phenomenon in which alternative phenotypes are produced by a single genotype in response to environmental cues. An extreme case is found in social insects, in which reproductive queens and sterile workers that greatly differ in morphology and behavior can arise from a single genotype. Experimental evidence for maternal effects on caste determination, the differential larval development toward the queen or worker caste, was recently documented in Pogonomyrmex seed harvester ants, in which only colonies with a hibernated queen produce new queens. However, the proximate mechanisms behind these intergenerational effects have remained elusive. We used a combination of artificial hibernation, hormonal treatments, gene expression analyses, hormone measurements, and vitellogenin quantification to investigate how the combined effect of environmental cues and hormonal signaling affects the process of caste determination in Pogonomyrmex rugosus. The results show that the interplay between insulin signaling, juvenile hormone, and vitellogenin regulates maternal effects on the production of alternative phenotypes and set vitellogenin as a likely key player in the intergenerational transmission of information. This study reveals how hibernation triggers the production of new queens in Pogonomyrmex ant colonies. More generally, it provides important information on maternal effects by showing how environmental cues experienced by one generation can translate into phenotypic variation in the next generation.

Social evolution and defences against pathogens in ants

Pathogens represent a threat to all organisms, which generates a coevolutionary arms race. Social insects provide an interesting system to study host-pathogen interactions, because their defences depend on both the individual and collective responses, and involve genetic, physiological, behavioral and organizational mechanisms. In this thesis, I studied the evolutionary ecology of the resistance of ant queens and workers to natural fungal pathogens. Mechanisms that increase within-colony genetic diversity, like polyandry and polygyny, decrease relatedness among colony mates, which reduces the strength of selection for the evolution and maintenance of altruistic behavior. A leading hypothesis posits that intracolonial genetic diversity is adaptive because it reduces the risk of pathogen transmission. In chapter 1, I examine individual resistance in ant workers of Formica selysi, a species that shows natural variation in colony queen number. I discuss how this variation might be beneficial to resist natural fungal pathogens in groups. Overall my results indicate that there is genetic variation for fungal resistance in workers, a requirement for the 'genetic diversity for pathogen resistance' hypothesis. However I was not able to detect direct evidence that group diversity improves the survival of focal ants or reduces pathogen transmission. Thus, although the coexistence of multiple queens increases the within-colony variance in worker resistance, it remains unclear whether it protects ant colonies from pathogens and whether it is comparable to polyandry in other social insects. Traditionally, it was thought that the immune system of invertebrates lacked memory and specificity. In chapter 2, I investigate individual immunity in ant queens and show that they may be able to adjust their pathogen defences in response to their current environment by means of immune priming, which bears similarities with the adaptive immunity of vertebrates. However, my results indicate that the expression of immune priming in ant queens may be influenced by factors like mating status, mating conditions or host species. In addition, I showed that mating increases pathogen resistance in çhe two ant species that I studied (F. selysi and Lasius niger). This raises the question of how ant queens invest heavily in both maintenance and reproduction, which I discuss in the context of the evolution of social organization. In chapter 3,1 investigate if transgenerational priming against a fungal pathogen protects the queen progeny. I failed to detect this effect, and discuss why the detection of transgenerational immune priming in ants is a difficult task. Overall, this thesis illustrates some of the individual and collective mechanisms that likely played a role in allowing ants to become one of the most diverse and ecologically successful groups of organisms. -- Les pathogènes représentent une menace pour tous les organismes, ce qui a engendré l'évolution d'une course aux armements. Les insectes sociaux sont un système intéressant permettant d'étudier les interactions hôtes-pathogènes, car leurs défenses dépendent de réponses aussi bien individuelles que collectives, et impliquent des mécanismes génétiques, physiologiques, comportementaux et organisationnels. Dans cette thèse, j'ai étudié l'écologie évolutive de la résistance des reines et des ouvrières de fourmis exposées à des champignons pathogènes. Les facteurs augmentant la diversité génétique à l'intérieur de la colonie, comme la polyandrie et la polygynie, diminuent la parenté, ce qui réduit la pression de sélection pour l'évolution et la maintenance des comportements altruistes. Une hypothèse dominante stipule que la diversité génétique à l'intérieur de la colonie est adaptative car elle réduit le risque de transmission des pathogènes. Dans le chapitre 1, nous examinons la résistance individuelle à des pathogènes fongiques chez les ouvrières de Formica selysi, une espèce présentant une variation naturelle dans le nombre de reines par colonie. Nous discutons aussi de la possibilité que ces variations individuelles augmentent la capacité du groupe à résister à des champignons pathogènes. Dans l'ensemble, nos résultats indiquent une variation génétique dans la résistance aux champignons chez les ouvrières, un prérequis à l'hypothèse que la diversité génétique du groupe augmente la résistance aux pathogènes. Cependant, nous n'avons pas pu détecter une preuve directe que la diversité du groupe augmente la survie de fourmis focales ou réduise la transmission des pathogènes. Ainsi, bien que la coexistence de plusieurs reines augmente la variance dans la résistance des ouvrières à l'intérieur de la colonie, la question de savoir si cela protège les colonies de fourmis contre les pathogènes et si cela est comparable à la polyandrie chez d'autres insectes sociaux reste ouverte. Traditionnellement, il était admis que le système immunitaire des invertébrés ne possédait pas de mémoire et était non-spécifique. Dans le chapitre 2, nous avons étudié l'immunité individuelle chez des reines de fourmis. Nous avons montré que les reines pourraient être capables d'ajuster leurs défenses contre les pathogènes en réponse à leur environnement, grâce à une pré-activation du système immunitaire (« immune priming ») ressemblant à l'immunité adaptative des vertébrés. Cependant, nos résultats indiquent que cette pré-activation du système immunitaire chez les reines dépend du fait d'être accouplée ou non, des conditions d'accouplement, ou de l'espèce. De plus, nous avons montré que l'accouplement augmente la résistance aux pathogènes chez les deux espèces que nous avons étudié (F. selysi et Lasius niger). Ceci pose la question de la capacité des reines à investir fortement aussi bien dans la maintenance que dans la reproduction, ce que nous discutons dans le contexte de l'évolution de l'organisation sociale. Dans le chapitre 3, nous étudions si la pré-activation trans-générationelle du système immunitaire [« trans-generational immune priming ») protège la progéniture de la reine contre un champignon pathogène. Nous n'avons par réussi à détecter cet effet, et discutons des raisons pour lesquelles la détection de la pré-activation trans-générationelle du système immunitaire chez les fourmis est une tâche difficile. Dans l'ensemble, cette thèse illustre quelques-uns des mécanismes individuels et collectifs qui ont probablement contribué à la diversité et à l'important succès écologique des fourmis.

Characterisation of "fou2", a constitutive wound-activated mutant and analysis of the proteome and leaf physiology in the region proximal to wounds in Arabidopsis

Résumé : Les jasmonates (JA), une famille d'hor1none végétale, jouent un rôle central dans la réponse à la blessure, et aux attaques d'insectes et de pathogènes. Les JA sont principalement dérivés d'un acide gras, l'acide linolénique. L'addition par une lipoxygénase d'une molécule d'oxygène à l'acide linolénique initie la synthèse de JA. Cependant les mécanismes régulant l'activation de la biosynthèse de JA ne sont pas encore connus. C'est pour cette raison que dans ce travail, nous avons caractérisé chez Arabidopsis thaliana (l'Arabette des Dames) un mutant fou2 dont l'activité lipoxygénase est plus élevée que celle d'une plante sauvage. Les niveaux de JA sont constitutivement plus élevés et l'activation de la synthèse de JA après blessure est fortement plus induite chez fou2 que chez le type sauvage. En outre, fou2 est plus résistant au pathogène Botrytis cinerea et à la chenille Spodoptera littoralis. Afin de comprendre quel mécanisme chez fou2 génére ce phénotype, nous avons cloné le gène responsable du phénotype de fou2. Le mutant fou2 porte une mutation dans le gène d'un canal à deux pores transportant probablement du potassium, du lumen de la vacuole végétale vers le compartiment cytosolique. L'analyse du protéome de fou2 a permis d'identifier une expression plus élevée de sept protéines régulées par les JA ou le stress. La découverte de l'implication d'un canal dans le phénotype de fou2 renforce l'hypothèse que les flux de cations pourraient être impliqués dans les étapes précoces de la synthèse des JA. Nous avons également étudié le protéome et la physiologie d'une feuille blessée, Pour évaluer les changements d'expression protéique en réponse à la blessure et contrôlés par les JA, nous avons quantifié l'expression de 5937 protéines chez une plante d'Arabidopsis sauvage et chez un mutant incapable de synthétiser des JA. Parmi ces 5937 protéines, nous avons identifié 99 protéines régulées par la blessure chez le type sauvage. Nous avons observé pour 65% des protéines dont l'expression protéique changeait après blessure une bonne corrélation entre la quantité de transcrits et de protéines. Plusieurs enzymes de la voie des chorismates impliquées dans la biosynthèse des acides aminés phénoliques étaient induites par les JA après blessure. Une quantification des acides aminés a montré que les niveaux d'acides aminés phénoliques augmentaient significativement après blessure. La blessure induisait aussi des changements dans l'expression de protéines impliquées dans la réponse au stress et particulièrement au stress oxydatif. Nous avons quantifié l'état réduit et oxydé du glutathion, un tripeptide qui, sous sa forme réduite, est l'antioxydant majeur des cellules. Nous avons trouvé une quantité significativement plus élevée de glutathion oxydé chez le type sauvage blessé que chez la plante aus blessée. Ce résultat suggère que la génération d'un stress oxydatif et la proportion relative de glutathions réduits et oxydés sont contrôlés par les JA après blessure. Abstract : Plants possess a family of potent fatty acid-derived wound-response and developmental regulators: the jasmonates. These compounds are derived from the tri?unsaturated fatty acid a-linolenic-acid (18:3). Addition of an oxygen molecule to 18:3 by 13-lipoxygenases (13-LOX) initiates JA biosynthesis. Actually components regulating the activation of JA biosynthesis are poorly defined. Therefore we characterized in Arabidopsis thaliana the fatty acid Qxygenation upregulated 2 (fou2) mutant, which was previously isolated in a screen for mutants with an enhanced 13-LOX activity. As a consequence of this increased 13-LOX activity, JA levels in fou2 are higher than in wild type (WT) and wounding strongly increased JA biosynthesis compared to WT. fou2 was more resistant to the fungus Botrytis cinerea and the generalist caterpillar Spodaptera littomlis, The fou2 mutant carries a missense mutation in the Two Pore Channel 1 gene (TPCJ), which encodes a vacuolar cation channel transporting probably K* into the cytosol. Patchclamp analysis of fou2 vacuolar membranes showed faster time-dependent conductivity and activation of the mutated channel at lower membrane potentials than wild-type. Proteomic analysis of fou2 leaves identified increased levels of seven biotic stress- and JA- inducible proteins. The discovery of the implication of a channel in the fou2 phenotype strenghtens the hypothesis that cation fluxes might be implicated in early steps of JA synthesis. We further concentrated on the proteome and leaf physiology in the region proximal to wounds in Arabidopsis using the WT and the aos JA-biosynthesis deficient mutant in order to find JA- induced proteins changes. We used two successive proteomic methods to assess protein changes in response to wounding Arabidopsis leaves, two dimensional electrophoresis (2DE) and linear trap quadrupole ion-trap mass spectrometry. In total 5937 proteins were quantified. We identified 99 wound-regulated proteins in the WT. Most these proteins were also wound-regulated at the transcript level showing a good correlation between transcript and protein abundance. We identified several wound-regulated enzymes involved in amino acid biosynthesis and confirmed this result by amino acid quantification. Proteins involved in stress reponses were upregulated, particularly in redox species regulation. We found a significantly higher quantity of oxidized glutathione in wounded WT relative to wounded aos leaves. This result suggests that levels of reduced glutathione are controlled by JA after wounding.

Genetic differentiation of disjunct populations of the ants Formicaaquilonia and Formica lugubris in Europe.

The species Formica aquilonia and F. lugubris of the mound-building red wood ants have a disjunct boreoalpine distribution in Europe. The populations of F. aquilonia in Finland, Switzerland and the British Isles show little genetic differentiation, whereas the populations of F. lugubris show considerable differentiation. The Central European populations morphologically identified as F. lugubris can be genetically divided into two groups (here called types A and B). Type B is found in the Alps and the Jura mountains, and is genetically inseparable from F. aquilonia. Type A lives sympatrically with type B in the Jura mountains and is also found in the British Isles. Sympatry of the two types in the Jura shows that these are separate species. It remains open whether type B is morphologically atypical F. aquilonia or whether it is a separate species, perhaps with a past history of introgression between F. aquilonia and F. lugubris. The gene frequencies in the Finnish populations of F. lugubris differ from those of both types A and B. Genetic differences within F. lugubris indicate that the populations have evolved separately for a long time. The social structure of F. lugubris colonies also shows geographic variation. The nests in Finland and the British Isles seem to be mainly monogynous and monodomous, whereas the nests in Central Europe are polygynous and form polydomous colonies. F. aquilonia has polygynous and polydomous colonies in all populations studied.

Single loci with major effects in fire ants : the effects of the complementary sex-determining locus and the green beard supergene on gene expression

Etant données la complexité et la redondance des réseaux de gènes influençant de nombreux phénotypes, l'étude des rares cas d'un locus unique ayant des effets importants sur de nombreux phénotypes peut fournir des informations cruciales sur l'évolution des traits complexes. Nous avons séquencé le génome de la fourmi de feu Solenopsis invicta pour étudier comment l'expression des gènes détermine les effets majeurs et étendus de deux loci uniques sur le phénotype. Le premier locus concerne la détermination du sexe par le modèle des allèles complémentaires. Ce locus est connu pour déterminer le sexe chez tous les hyménoptères mais n'a été caractérisé que chez les abeilles. Les hétérozygotes pour ce locus se développent en reines diploïdes (ou ouvrières stériles) alors que les homozygotes se développent en mâles diploïdes incapables de produire du sperme et les hémizygotes en mâles haploïdes fertiles. Nous avons comparé l'expression des gènes entre les reines et les deux types de mâles au stade pupe, ainsi que 1 et 11 jours après l'émergence. Nous avons trouvé un changement prononcé de l'expression des gènes chez les mâles diploïdes, passant de très proche de celle des reines au stade pupe à identique aux mâles haploïdes 11 jours après l'émergence. Cela signifie que les mâles diploïdes sont condamnés à être stériles parce que les effets après émergence du locus de détermination du sexe ne per¬mettent pas d'effacer les effets de la ploïdie sur l'expression des gènes pendant le stade pupe, quand la spermatogénèse prend place. Le second locus aux effets majeurs que nous avons étudié est le supergène dit "green beard", qui consiste en 616 gènes couvrant 55% d'un chromosome (13 Mb) et est caractérisé par une absence de recombinaison entre les deux variants du supergène : "Social B" et "Social b" (SB et Sb). Au travers de l'effet "green beard", par lequel les ouvrières avec le supergène Sb discriminent favorablement les reines qui partagent ce supergène de façon perceptible, le génotype des reines fondatrices au niveau de ce supergène détermine l'organisation de la colonie : soit elle contient une seule reine SB/SB, soit plusieurs reines SB/Sb. Nous avons montré que le chromosome Sb a évolué comme le chromosome Y, accumulant probablement des allèles favorables dans des colonies avec plusieurs reines mais défavorables dans des colonies avec une seule reine (cf. gènes sexuellement antagonistes), ainsi que des transposons et des séquences répéti¬tives. Nous avons également montré que le polymorphisme du supergène cause de grandes différences d'expression chez les ouvrières et particulièrement les reines mais pas chez les mâles. Pour comprendre comment le polymorphisme du supergène chez les reines peut affecter l'organisation de la colonie, nous avons comparé l'expression entre les génotypes SB/SB et SB/Sb chez des reines vierges (1 et 11 jours) et des reines matures. Nous avons montré que les reines SB/SB sur-régulent des gènes impliqués dans la reproduction, expli-quant pourquoi elle grandissent plus rapidement et peuvent fonder des colonies de façon indépendante, tandis que les reines SB/Sb (qui ne peuvent fonder une nouvelle colonie) sur-régulent des gènes de signalement chimique qui affectent l'organisation des colonies par l'effet "green beard". - Given the complexity and redundancy of the gene networks that underlie many pheno- types, the study of rare cases of a single locus having major effects on many phenotypes can give powerful insights into the evolution of complex traits. We sequenced the genome of Solenopsis invicta fire ants to study how gene expression mediates the widespread major effects of two single loci on phenotype. The first is the complementary sex-determining locus, which is known to exist in most Hymenoptera despite being characterized only for honeybees. Heterozygotes at this locus become diploid queens (or sterile workers), homozy¬gotes become aspermic diploid males, and hemizygotes become fertile haploid males. We compared gene expression between queens and both types of males in pupae and 1 and 11 days after eclosion. We found a pronounced shift in gene expression in diploid males, from being nearly identical to queens as pupae to identical to haploid males 11 days after eclosion. This means that diploid males are condemned to sterility because the overriding effects of the sex locus after eclosion cannot undo the ploidy effects on expression during the pupal stage, when spermatogenesis must be completed. The second locus with major ef¬fects that we studied was the so-called "green beard" supergene, which consists of 616 genes encompassing 55% of one chromosome (13 Mb), without recombination between the two variants "Social B" and "Social b" (SB and Sb) supergene. Through the green beard effect, i.e. workers with the Sb supergene discriminating in favor of queens who perceptibly share this supergene, the founding queen's genotype at the supergene determines colony organi¬zation: either headed by a single SB/SB queen or many SB/Sb queens. We show that the Sb chromosome evolved like a Y-chromosome, probably accumulating alleles beneficial in multi-queen colonies but disadvantageous in single-queen colonies (cf. sexually antagonistic genes), as well as transposons and repetitive sequences. We also show that the polymor¬phism of the supergene causes widespread expression differences in workers and especially queens but not in males. To understand how the polymorphism at the supergene in queen can transform colony organization, we compared the expression between SB/SB and SB/Sb virgin queens (1 and 11 days) and mother queens. We show that SB/SB queens up-regulate genes involved in reproduction, explaining why they mature faster and can found colonies independently, while SB/Sb queens (which cannot found colonies) up-regulate chemical signaling genes that can transform colonies through the green beard effect.

Impact of social structure variation on population genetics, social conflicts and life histories in ants

Summary The evolution of social structures and breeding systems in animals is a complex process that combines ecological, genetical and social factors. This thesis sheds light on important changes in population genetics, life-history and social behavior that are associated with variation in social structure in ants. The socially polymorphic ant Formica selysi was chosen as the model organism because single- and multiple-queen colonies occur in close proximity within a single large population. The shift from single- to multiple-queen colonies is generally associated with profound changes in dispersal behavior and mode of colony founding. In chapter 1, we examine the genetic consequences of variation in social structure at both the colony and population levels. A detailed microsatellite analysis reveals that both colony types have similar mating systems, with few or no queen turnover. Furthermore, the complete lack of genetic differentiation observed between single- and multiple-queen colonies provides no support to the hypothesis that change in queen number leads to restricted gene flow between social forms. Besides changes in the genetic composition of the colony, the variation in the number of queens per colony is associated with changes in a network of behavioral and life-history traits that have been described as forming a "polygyny syndrome". In chapter 2, we demonstrate that multiple-queen colonies profoundly differ from single-queen ones in terms of size, nest density and lifespan of colonies, in weight of queens produced, as well as in allocation to reproductive individuals relative to workers. These multifaceted changes in life-history traits can provide various fitness benefits to members of multiple-queen colonies. Increasing the number of queens in a colony usually results in a decreased level of aggression towards non-nestmates. The phenotype matching hypothesis predicts that, compared to single-queen colonies, multiple-queen colonies have more diverse genetically-derived cues used for recognition, resulting in a lower ability to discriminate non-nestmates. In sharp contrast to this hypothesis, we show in chapter 3 that single- and multiple-queen colonies exhibit on average similar levels of aggression. Moreover, stronger aggression is recorded between colonies of different social structure than between colonies of the same social structure. Several hypotheses propose that the evolution of multiple-queen colonies is at least partly due to benefits resulting from an increase in colony genetic diversity. The task-efficiency hypothesis holds that genetic variation improves task performance due to a more complete or more sensitive expression of the genetically-based division of labor. In .chapter 4, we evaluate if higher colony genetic diversity increases worker size polymorphism and thus may improve division of labor. We show that despite the fact that worker size has a heritable component, higher levels of genetic diversity do not result in more polymorphic workers. The smaller size and lower polymorphism levels of workers of multiple-queen colonies compared to single-queen ones further indicate that an increase in colony genetic diversity does not increase worker size polymorphism but might improve colony homeostasis. In chapter 5, we provide clear evidence for an ongoing conflict between queens and workers on sex allocation, as predicted by kin selection theory. Our data show that queens of F. selysi strongly influence colony sex allocation by biasing the sex ratio of their eggs. However, there is also evidence that workers eliminated some male brood, resulting in a population sex-investment ratio that is between the queens' and workers' equilibria. Résumé L'évolution des structures sociales et systèmes d'accouplement chez les animaux est un processus complexe combinant à la fois des facteurs écologiques, génétiques et sociaux. Cette thèse met en lumière des changements importants dans la génétique des populations, les traits d'histoire de vie et les comportements sociaux qui sont associés à des variations de structure sociale chez les fourmis. Durant ce travail, nous avons étudié une population de Formica selysi composée à la fois de colonies à une reine et de colonies à plusieurs reines. La transition de colonie à une reine à colonie à plusieurs reines est généralement associée à des changements profonds dans le comportement de dispersion ainsi que le mode de fondation des sociétés. Dans le chapitre 1, nous examinons les conséquences génétiques de la variation de structure sociale tant au niveau de la colonie qu'au niveau de la population. Une analyse détaillée à l'aide de marqueurs microsatellites nous révèle que les deux types de colonies ont des systèmes d'accouplements similaires avec peu ou pas de renouvellement de reines. L'absence totale de différenciation génétique entre les colonies à une et à plusieurs reines n'apporte aucun support à l'hypothèse selon laquelle un changement dans le nombre de reines conduit à un flux de gènes restreint entre les deux formes sociales. A côté de changements dans la composition génétique de la colonie, la variation du nombre de reines dans une colonie est associée à une multitude de changements comportementaux et de traits d'histoire de vie qui ont été décrits comme formant un "syndrome polygyne". Dans le chapitre 2, nous démontrons que les colonies à plusieurs reines diffèrent profondément des colonies à une reine en terme de taille, densité de nids, longévité des colonies, poids des nouvelles reines produites ainsi que dans l'allocation entre les individus reproducteurs et les ouvrières. Ces changements multiples dans les traits d'histoire de vie peuvent apporter des bénéfices variés en terme de fitness aux colonies à plusieurs reines. L'augmentation du nombre de reines dans une colonie est généralement associée à une baisse du degré d'agressivité envers les fourmis étrangères au nid. L'hypothèse "phénotype matching" prédit que les colonies à plusieurs reines ont une plus grande diversité dans les facteurs d'origine génétique utilisés pour la reconnaissance, résultant en une capacité diminuée à discriminer une fourmi étrangère au nid. Contrairement à cette hypothèse, nous montrons dans le chapitre 3 que les colonies à une et à plusieurs reines ont des niveaux d'agressivité similaires. De plus, une agressivité accrue est observée entre colonies de structures sociales différentes comparée à des colonies de même structure sociale. Plusieurs hypothèses ont proposé que l'évolution de colonies ä plusieurs reines soit en partie due aux bénéfices résultant d'une augmentation de la diversité génétique dans la colonie. L'hypothèse "task efficiency" prédit que la diversité génétique améliore l'efficacité à effectuer certaines tâches grâce à une expression plus complète et plus souple d'une division du travail génétiquement déterminée. Nous évaluons dans le chapitre 4 si un accroissement de la diversité génétique augmente le polymorphisme de taille des ouvrières, d'où peut ainsi découler une meilleure division du travail. Nous montrons qu'en dépit du fait que la taille des ouvrières soit un caractère héritable, une forte diversité génétique ne se traduit pas par un plus fort polymorphisme chez les ouvrières. Les ouvrières de colonies à plusieurs reines sont plus petites et moins polymorphes que celles des colonies à une seule reine. Dans le chapitre 5, nous démontrons l'existence d'un conflit ouvert entre reines et ouvrières à propos de l'allocation dans les sexes, comme le prédit la théorie de la sélection de parentèle. Nos données révèlent que les reines de F. selysi influencent fortement l'allocation dans les sexes en biaisant la sexe ratio des oeufs. Cependant, certains indices indiquent que les ouvrières éliminent une partie du couvain mâle, ce qui a pour effet d'avoir un investissement dans les sexes au niveau de la population intermédiaire entre les intérêts des reines et des ouvrières.

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.