Covariation between colony social structure and immune defences of workers in the ant Formica selysi

Several ant species vary in the number of queens per colony, yet the causes and consequences of this variation remain poorly understood. In previous experiments, we found that Formica selysi workers originating from multiple-queen (=polygyne) colonies had a lower resistance to a fungal pathogen than workers originating from single-queen (=monogyne) colonies. In contrast, group diversity improved disease resistance in experimental colonies. This discrepancy between field and experimental colonies suggested that variation in social structure in the field had antagonistic effects on worker resistance, possibly through a down-regulation of the immune system balancing the positive effect of genetic diversity. Here, we examined if workers originating from field colonies with alternative social structure differed in three major components of their immune system. We found that workers from polygyne colonies had a lower bacterial growth inhibitory activity than workers from monogyne colonies. In contrast, workers from the two types of colonies did not differ significantly in bacterial cell wall lytic activity and prophenoloxidase activity. Overall, the presence of multiple queens in a colony correlated with a slight reduction in one inducible component of the immune system of individual workers. This reduced level of immune defence might explain the lower resistance of workers originating from polygyne colonies despite the positive effect of genetic diversity. More generally, these results indicate that social changes at the group level can modulate individual immune defences.

Pseudogynes (=sécrétergates) et répartition des individus à l'intérieur d'une fourmilière de Formica lugubris Zett (Hymenoptera, Formicidae)

Following the discovery of numerous pseudogynes (= secretergates) in a polycalic colony ofFormica lugubris Zett, the author describes the qualitative and quantitative aspects of the distribution of individuals inside the nest. Workers are distributed in three clusters, the first (21 %) could consist of foragers, living in the upper part of the nest, and is distinguished by a low percentage of secretergates (1 %). The two others contain mainly domestic workers. Queens inhabit two areas (intermediate and deep). The percentage of secretergates increases with depth in the nest. Measurements of normal workers and secretergates show that the latter are significantly smaller.

Etudes de quelques facteurs influençant la fécondité des reines de Wasmannia auropunctata R. (Hymenoptera, Formicidae)

Il existe dans les sociétés polygynes de la petite fourmi de feu Wasmannia auropunctata, une très grande variation de la fécondité des reines. Ceci est dû en partie, à des facteurs individuels comme l'âge des reines et à des facteurs sociaux comme la composition de la société (quantité et qualité du couvain).

Social evolution in the sweat bee Halictus scabiosae

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

Stay or drift? Queen acceptance in the ant Formica paralugubris

The acceptance of new queens in ant colonies has profound effects on colony kin structure and inclusive fitness of workers. Therefore, it is important to study the recognition and discrimination behaviour of workers towards reproductive individuals entering established colonies. We examined the acceptance rate of queens in populations of the highly polygynous ant F. paralugubris, where the genetic differentiation among nests and discrimination ability among workers suggest that workers might reject foreign queens. We experimentally introduced young queens in their natal nest and in foreign nests. Surprisingly, the survival rate of mated queens did not differ significantly when introduced in a foreign male-producing nest, a foreign female-producing nest, or the natal nest. Moreover, the survival of virgin queens in their natal nest was twice the one of mated queens, suggesting that mating status plays an important role for acceptance. The results indicate that other factors than queen discrimination by workers are implicated in the limited long-distance gene flow between nests in these populations.

Estimating patterns of leaf herbivory along an altitudinal transect in NE Queensland rainforests: might global warming increase leaf herbivory in tropical rainforests?

Climate change has been taking place at unprecedented rates over the past decades. These fast alterations caused by human activities are leading to a global warming of the planet. Warmer temperatures are going to have important effects on vegetation and especially on tropical forests. Insects as well will be affected by climate change. This study tested the hypothesis that higher temperatures lead to a higher insect pressure on vegetation. Visual estimations of leaf damage were recorded and used to assess the extent of herbivory in nine 0.1ha plots along an altitudinal gradient, and therefore a temperature gradient. These estimations were made at both a community level and a species level, on 2 target species. Leaf toughness tests were performed on samples from the target species from each plot. Results showed a strong evidence of increasing insect damage along increasing temperature, with no significant effect from the leaf toughness.

Els Odonats d'Osona

Treball de recerca realitzat per un alumne d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit cientí­fic del Jovent l'any 2009. 'Els Odonats d'Osona. 1988-2008' és un treball de recerca que consisteix en un estudi de les libèl·lules o odonats de la comarca. Basat en l'estudi realitzat pel grup Meganeura d'odonats entre els anys 1988 i 1993, aquest treball inclou un inventari dels odonats que es troben actualment a Osona, anàlisis de la qualitat dels medis aquàtics, un llistat d'aquelles espècies que es troben amenaçades i l'ús d'altres espècies com a bioindicadors del medi aquàtic. A partir dels resultats obtinguts en el treball i utilitzant els resultats que va obtenir el grup Meganeura en el seu estudi, finalment s'ha elaborat un estudi comparatiu entre els dos treballs per poder observar com han evolucionat les poblacions d'odonats en els darrers 20 anys i quins factors hi han intervingut. Un cop enllestit el treball s'ha pogut observar que la qualitat del medi aquàtic a Osona ha millorat molt des que Meganeura va fer el seu estudi, i això s'ha vist reflectit en un augment molt significatiu de la diversitat d'odonats. Tot i això, hi ha zones on la contaminació de l'aigua encara és present, i caldria pendre mesures per erradicar-la. El principal objectiu del treball, però, és posar a l'abast de tothom un apassionant grup d'insectes força desconegut i poc estudiat fins ara.

Relations entre le poids la fécondité des reines de fourmis récemment accouplées et leur mode de fondation

Schématiquement on distingue chez les fourmis deux modes principaux de fondation des nouvelles sociétés: la fondation indépendante et la fondation dépendante. Ces deux stratégies entraînent des particularités biologiques importantes. On a étudié dans le présent travail les conséquences du type de fondation sur la fécondité des jeunes reines. Chez les reines monogynes des espèces à fondation indépendante (Camponotus ligniperda, Camponotus herculeanus, Lasius niger), on observe une fécondité d'abord très faible puis qui augmente ensuite régulièrement avec le temps. Chez les reines polygynes des espèces à fondation dépendante (Plagiolepis pygmaea, Iridomyrmex humilis), la fécondité atteint pratiquement son niveau maximal dans les semaines qui suivent l'accouplement. Ces différences dans le niveau de l'activité ovarienne sont confrontées à l'espérance de vie des femelles. ll apparaît que les espèces monogynes à fondation indépendante ont une durée de vie de plusieurs années; leur fécondité ne s'exprimera pleinement qu'au bout de plusieurs saisons d'activité. A l'inverse, les reines polygynes à fondation dépendante ont une vie bien plus courte; elles compensent ce handicap par une ponte qui atteint son niveau maximal dès la fondation.

Problèmes posés par Formica paralugubris, nouvelle espèce de fourmis des bois

Les nombreux travaux liés à la découverte d'une super-colonie de fourmis des bois dans le Jura suisse à partir des années 70 ont abouti à la description d'une nouvelle espèce : Formica paralugubris Seifert. Cette dernière est une espèce jumelle sympatrique de Formica lugubris en Suisse. Les auteurs résument les connaissances actuelles, notamment les aspects relatifs à la distribution et aux stratégies de reproduction de ces deux espèces jusqu'alors confondues en Europe.

Development of specific ITS markers for plant DNA identification within herbivorous insects

DNA based techniques have proved to be very useful methods to study trophic relationships 17 between pests and their natural enemies. However, most predators are best defined as omnivores, 18 and the identification of plant-specific DNA should also allow the identification of the plant 19 species the predators have been feeding on. In this study, a PCR approach based on the 20 development of specific primers was developed as a self-marking technique to detect plant DNA 21 within the gut of one heteropteran omnivorous predator (Macrolophus pygmaeus) and two 22 lepidopteran pest species (Helicoverpa armigera and Tuta absoluta). Specific tomato primers 23 were designed from the ITS 1-2 region, which allowed the amplification of a tomato DNA 24 fragment of 332 bp within the three insect species tested in all cases (100% of detection at t = 0) 25 and did not detect DNA of other plants nor of the starved insects. Plant DNA half-lives at 25ºC 26 ranged from 5.8h, to 27.7h and 28.7h within M. pygmaeus, H. armigera and T. absoluta, 27 respectively. Tomato DNA detection within field collected M. pygmaeus suggests dietary mixing 28 in this omnivorous predator and showed a higher detection of tomato DNA in females and 29 nymphs than males. This study provides a useful tool to detect and to identify plant food sources 30 of arthropods and to evaluate crop colonization from surrounding vegetation in conservation 31 biological control programs.

Le remplacement des reines dans les colonies orphelines de la fourmi d 'Argentine Iridomyrmex humilis (Mayr). Mécanismes et conséquences

Chez de nombreuses espèces, comme la fourmi d'Argentine Iridomyrmex humils (Mayr), les ouvrières sont totalement stériles. Quel est le devenir d'une colonie en cas de mort de la reine? Afin de répondre à cette question, nous avons orpheliné des colonies de fourmis d'Argentine. Environ 70 jours après l'orhelinage, ces colonies ont produits des mâles et des sexués femelles qui se sont accouplés dans le nid, ce qui a permis le remplacement des reines. Cette production de sexués est probablement possible grâce à la présence constante de couvain mâle dans les colonies et à la levée de l'inhibition des reines sur la production de sexués femelles après l'orphelinage. La possiblilité de produire de nouvelles reines fécondées joue vraisemblablement un rôle primordial dans l'introduction de cette espèce dans de nouveaux habitats.

Role of NOX enzymes in phagocyte response and signaling upon Chlamydia infection

Les membres de l'ordre des Chlamydiales peuvent infecter un choix étendu d'animaux, insectes, et protistes. Comme toutes bactéries intracellulaires obligatoires, les Chlamydiales ont besoin d'une cellule hôte pour se répliquer. Chaque fois qu'une cellule est infectée une lutte commence entre les mécanismes de défense de la cellule et l'arsenal de facteurs de virulence de la bactérie. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés à déterminer le rôle de deux mécanismes de l'immunité innée de l'hôte. En premier, nous avons étudié les NADPH oxidases, une source de molécules superoxydantes (MSO). Leur rôle dans la restriction de la réplication de Waddlia chondrophila et Estrella iausannensis a été étudié dans l'organisme modèle Dictyostelium discoideum et les macrophages humains. Différentes protéines Nox étaient nécessaires pour contrôler la réplication de W. chondrophila ou E. Iausannensis. De plus, nous avons déterminé que parmi les Chlamydiales, cinq espèces possédaient une catalase. Cette enzyme peut dégrader l'eau oxygénée, une MSO. L'activité de la catalase a été démontrée in vitro et dans les corps élémentaires. Avant de pouvoir étudier le rôle de NOX2 dans des macrophages infectés avec E. Iausannensis, nous avons dû établir la capacité de la bactérie à se répliquer clans les macrophages avec son trafic intracellulaire. Le deuxième mécanisme d'immunité innée que nous avons étudié est l'autophagie. Dans les cellules infectées l'autophagie permet de digérer les bactéries envahissantes. Deux protéines de la voie autophagique (Atg1 et Atg8) jouent un rôle dans la restriction de la croissance de W. chondrophila dans D. discoideum. D'avantage d'études sur l'immunité innée et les bactéries apparentés aux Chlamydia sont indispensables, car les réponses paraissent être spécifiques pour chaque espèce. - Members of the Chlamydiales order are able to infect a large variety of animals, insects, and protists. These obligate intracellular bacteria require a host cell for replication. Each time a cell is infected a struggle begins between the virulence arsenal of the bacteria and the defense mechanisms activated by the host. Each bacterial species will exhibit a selection of virulence factors that will allow it to overcome the defense of the host in some species, but not others. In this thesis we were interested in dissecting the role of two host innate immunity mechanisms. First we determined the role of NADPH oxidases, a source of reactive oxygen species (ROS), in restricting replication of Waddlia chondrophila and EstreHa lausannensis in the model organism Dictyostelium discoideum and human macrophages. Different Nox proteins were required to restrict growth of W. chondrophila and E. lausannensis. Additionally, we determined that five Chlamydia- related bacterial species encode for catalase, an enzyme that is able to degrade hydrogen peroxide, a ROS. The activity of the catalase was demonstrated in vitro and in elementary bodies. To study the role of NOX2 in macrophages for E. lausannensis we first had to determine the ability of E. lausannensis to grow in macrophages. Besides demonstrating its replication we also determined the intracellular trafficking of E. lausannensis. The second innate immunity mechanism studied was autophagy. Through autophagy bacteria can be targeted to degradation. Atg1 and Atg8, two autophagic proteins appeared restrict W. chondrophila replication in D. discoideum. More studies on innate immunity and Chlamydia-related bacteria are required. It appears that the responses to innate immunity are species specific and it will be difficult to generalize data obtained for W. chondrophila to the Chlamydiales order.

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.

Evolution of decision-making and learning under fluctuating social environments

The capacity to learn to associate sensory perceptions with appropriate motor actions underlies the success of many animal species, from insects to humans. The evolutionary significance of learning has long been a subject of interest for evolutionary biologists who emphasize the bene¬fit yielded by learning under changing environmental conditions, where it is required to flexibly switch from one behavior to another. However, two unsolved questions are particularly impor¬tant for improving our knowledge of the evolutionary advantages provided by learning, and are addressed in the present work. First, because it is possible to learn the wrong behavior when a task is too complex, the learning rules and their underlying psychological characteristics that generate truly adaptive behavior must be identified with greater precision, and must be linked to the specific ecological problems faced by each species. A framework for predicting behavior from the definition of a learning rule is developed here. Learning rules capture cognitive features such as the tendency to explore, or the ability to infer rewards associated to unchosen actions. It is shown that these features interact in a non-intuitive way to generate adaptive behavior in social interactions where individuals affect each other's fitness. Such behavioral predictions are used in an evolutionary model to demonstrate that, surprisingly, simple trial-and-error learn¬ing is not always outcompeted by more computationally demanding inference-based learning, when population members interact in pairwise social interactions. A second question in the evolution of learning is its link with and relative advantage compared to other simpler forms of phenotypic plasticity. After providing a conceptual clarification on the distinction between genetically determined vs. learned responses to environmental stimuli, a new factor in the evo¬lution of learning is proposed: environmental complexity. A simple mathematical model shows that a measure of environmental complexity, the number of possible stimuli in one's environ¬ment, is critical for the evolution of learning. In conclusion, this work opens roads for modeling interactions between evolving species and their environment in order to predict how natural se¬lection shapes animals' cognitive abilities. - La capacité d'apprendre à associer des sensations perceptives à des actions motrices appropriées est sous-jacente au succès évolutif de nombreuses espèces, depuis les insectes jusqu'aux êtres hu¬mains. L'importance évolutive de l'apprentissage est depuis longtemps un sujet d'intérêt pour les biologistes de l'évolution, et ces derniers mettent l'accent sur le bénéfice de l'apprentissage lorsque les conditions environnementales sont changeantes, car dans ce cas il est nécessaire de passer de manière flexible d'un comportement à l'autre. Cependant, deux questions non résolues sont importantes afin d'améliorer notre savoir quant aux avantages évolutifs procurés par l'apprentissage. Premièrement, puisqu'il est possible d'apprendre un comportement incorrect quand une tâche est trop complexe, les règles d'apprentissage qui permettent d'atteindre un com¬portement réellement adaptatif doivent être identifiées avec une plus grande précision, et doivent être mises en relation avec les problèmes écologiques spécifiques rencontrés par chaque espèce. Un cadre théorique ayant pour but de prédire le comportement à partir de la définition d'une règle d'apprentissage est développé ici. Il est démontré que les caractéristiques cognitives, telles que la tendance à explorer ou la capacité d'inférer les récompenses liées à des actions non ex¬périmentées, interagissent de manière non-intuitive dans les interactions sociales pour produire des comportements adaptatifs. Ces prédictions comportementales sont utilisées dans un modèle évolutif afin de démontrer que, de manière surprenante, l'apprentissage simple par essai-et-erreur n'est pas toujours battu par l'apprentissage basé sur l'inférence qui est pourtant plus exigeant en puissance de calcul, lorsque les membres d'une population interagissent socialement par pair. Une deuxième question quant à l'évolution de l'apprentissage concerne son lien et son avantage relatif vis-à-vis d'autres formes plus simples de plasticité phénotypique. Après avoir clarifié la distinction entre réponses aux stimuli génétiquement déterminées ou apprises, un nouveau fac¬teur favorisant l'évolution de l'apprentissage est proposé : la complexité environnementale. Un modèle mathématique permet de montrer qu'une mesure de la complexité environnementale - le nombre de stimuli rencontrés dans l'environnement - a un rôle fondamental pour l'évolution de l'apprentissage. En conclusion, ce travail ouvre de nombreuses perspectives quant à la mo¬délisation des interactions entre les espèces en évolution et leur environnement, dans le but de comprendre comment la sélection naturelle façonne les capacités cognitives des animaux.