This thesis is concerned with phenotypic plasticity in ants. It presents an evolutionary series of studies that focus on the expression of plastic traits. The most powerful and probably the most successful strategy to alter the fitness of a species by means of adaptation without mutational changes is the flexibility of the genotype to be expressed in different phenotypes. Ant societies are by ...
Abstract (English)
This thesis is concerned with phenotypic plasticity in ants. It presents an evolutionary series of studies that focus on the expression of plastic traits. The most powerful and probably the most successful strategy to alter the fitness of a species by means of adaptation without mutational changes is the flexibility of the genotype to be expressed in different phenotypes. Ant societies are by definition a result of plasticity. Without plasticity there would be neither worker caste nor any other derived phenotype. Without plasticity I imagine the world to be more uniform and much less exciting. This thesis is organized as follows. As my studies are centered on plasticity, Chapter 1 summarizes both, the state of research and the main findings of this thesis. Chapter 2 briefly describes the evolution of this thesis, focusing on the constraints and opportunities I faced. The third chapter discusses the methodology. The remaining chapters present the six studies that I conducted during the course of my Ph.D., addressing natural history, sex ratio theory, chemical ecology, DNA based phylogeny and RNA expression patterns. The species I studied represent four genera of three subfamilies within the Formicidae. Crematogaster smithi (Myrmicinae) contains a peculiar morph specialized for the production of haploid eggs. I describe (Chapter 5) a novel association of the allocation of resources and sex ratio in natural populations; i.e. haploid worker-produced eggs lead to a female biased sex ratio in favor of the workers. In Chapter 4 I describe the chemical hydrocarbon signature exhibited by the female morphs. While collecting C. smithi in the Chiricahua Mountains, Arizona, USA during the annual monsoon season we discovered a mating aggregation of Acropyga epedana (Formicinae), an ant with a bizarre life history living in obligate mutualistic association with mealybugs. We studied (Chapter 7) the mating flight, behavior of workers and provide demographic data of an excavated colony. From the botanical garden of Bonn, Germany I collected the tramp ant Technomyrmex vitiensis (Dolichoderinae) and we described (Chapter 6) the morphology of the wingless reproductive morph that displays an alternative life history strategy compared to winged queens. I updated (Chapter eight) the phylogeny of the ant genus Cardiocondyla (Myrmicinae) incorporating nuclear markers and more taxa and reviewed the topology in respect to the evolution of the male polyphenism exhibited by this genus. For comparative evolutionary studies on Cardiocondyla, a reliable phylogeny is indispensable. And finally, I studied (Chapter 9) the genome-wide response to sex of Cardiocondyla obscurior queens at two time points, using the fire ant EST library and present first insights on the complex changes associated with mating.
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Arbeit handelt von phenotypischer Plastizität bei Ameisen und besteht aus verschiedenen Studien die sich mit der Ausprägung plastischer Merkmale beschäftigen. Die adaptive Flexibilität des Genoms, das sich in verschiedenen Phenotypen exprimieren kann, ist die wahrscheinlich erfolgreichste Möglichkeit die Fitneß einer Art zu verändern, ohne das es zu Mutationen kommen muß. Ameisen ...
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Arbeit handelt von phenotypischer Plastizität bei Ameisen und besteht aus verschiedenen Studien die sich mit der Ausprägung plastischer Merkmale beschäftigen. Die adaptive Flexibilität des Genoms, das sich in verschiedenen Phenotypen exprimieren kann, ist die wahrscheinlich erfolgreichste Möglichkeit die Fitneß einer Art zu verändern, ohne das es zu Mutationen kommen muß. Ameisen sind definiert als ein Resultat dieser Plastizität; ohne Plastizität gäbe es weder eine Außendienstarbeiterinnenkaste noch sonstige abgeleitete Phenotypen. Ohne Plastizität wäre die Welt wohl sehr viel uniformer und wahrscheinlich um einiges weniger spannend. Die Arbeit unterteilt sich folgendermaßen: Da sich meine Projekte alle mit Plastizität befassen versuche ich in Kapitel 1 in mehreren Abschnitten in das Thema einzuleiten und präsentiere jeweils meine Ergebnisse. In Kapitel 2 beschreibe ich, wie die Arbeit entstanden ist und Kapitel 3 ist eine Zusammenfassung der Methodik. Die restlichen sechs Kapitel stellen meine Studien der letzten drei Jahre dar, die sich mit Naturgeschichte, Geschlechterverhältnis, chemischer Ökologie, DNS-basierter Phylogenie und RNS Expressionsmustern beschäftigen. Die Arten, die ich untersucht habe, repräsentieren vier Gattungen dreier Unterfamilien innerhalb der Formicidae. Crematogaster smithi (Myrmicinae) zeichnet sich durch besondere Morphe aus, die auf die Produktion von haploiden Eiern spezialisiert sind. Ich beschreibe einen neuen Zusammenhang zwischen der Allokation von Ressourcen und dem Geschlechterverhältnis von Populationen im Feld; d.h. haploide Eier, die von diesen Morphen gelegt werden, führen zu einem Geschlechterverhältnis zu Gunsten der Arbeiterinnen. Im vierten Kapitel beschreibe ich zudem die kutikulären Kohlenwasserstoffsignaturen der weiblichen Morphen. Zu der Zeit als ich C. smithi in den Chiricahua Mountains in den USA gesammelt habe, beobachteten wir ein Lek von sich Paarenden und Umwerbenden Geschlechtstieren von Acropyga epedana (Formicidae). Diese Art zeichnet sich durch einen obligaten Mutualismus mit einer Wurzellaus aus. Wir zeichnen in Kapitel 7 ein Bild des Paarungsverhaltens und des Verhaltens der Arbeiterinnen, zudem liefern wir demographische Daten einer freigelegten Kolonie. Im Botanischen Garten in Bonn habe ich die invasive Ameisenart Technomyrmex vitiensis (Dolichoderinae) gesammelt und beschreibe in Kapitel 6 die Morphologie von flügellosen Königinnen die, verglichen mit regulären geflügelten Königinnen der Art, eine alternative Reproduktionsstrategie inne haben. Mit Hilfe von nuklearen Markern, und unter Einbeziehung zusätzlicher Proben, habe ich die Phylogenie der Gattung Cardiocondyla (Myrmicinae) auf den neusten Stand versucht zu bringen (Kapitel 8). Ich diskutiere die Ergebnisse im Hinblick auf die Evolution des Männchen-Polyphaenismus. Da Cardiocondyla ein Modelorganismus für vergleichende evolutionäre Fragestellung ist, ist eine solide Phylogenie unabdingbar. Abschließend beschäftige ich mich im neunten Kapitel mit den Folgen von Sex auf RNS Ebene bei Cardiocondyla-Königinnen über die Zeit. Die Arbeit basiert auf den für Solenopsis invicta entwickelten ESTs und beschreibt die komplexen Veränderungen welche durch Paarung ausgelöst werden.
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