Caste differentiation in lower termites

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	17 February 2010
Referee:	Judith (Prof. Dr.) Korb
Date of exam:	25 September 2008
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie
Keywords:	Termiten , Genexpression , Holzfressende Termiten , Fortpflanzung , Sozialverhalten , Differentielle Genexpression , Kaste , RNS-Interferenz , Kastendetermination , Reproduktive Arbeitsteilung , Kutikuläre Kohlenwasserstoffe , caste determination , reproductive division of labor , termites , gene expression , cuticular hydrocarbons
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 590 Zoological sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	13093

Abstract (English)

Social insects are prominent model organisms of evolutionary biology. Their castes are an example of phenotypic plasticity and differential gene expression produces strong differences among their traits. The highly structured life of social insects is characterized by reproductive division of labor and complexity of communication. For instance, in social Hymenoptera or termites the presence of a ...

Abstract (English)

Social insects are prominent model organisms of evolutionary biology. Their castes are an example of phenotypic plasticity and differential gene expression produces strong differences among their traits. The highly structured life of social insects is characterized by reproductive division of labor and complexity of communication. For instance, in social Hymenoptera or termites the presence of a reproductive inhibits the development of other reproductives within the nest. These feedback mechanisms ensure an adapted and self-regulating caste differentiation within an insect society. While substantial progress has been achieved in explaining ultimate causes of social behavior, the proximate mechanisms behind the division into reproducing and non-reproducing castes are poorly understood in molecular terms. Especially, the maintenance of reproductive primacy by fertile individuals (in termites: king and queen) remains a mystery.
In this thesis the proximate basis of reproductive division of labor in lower wood-dwelling termites was investigated on the molecular (differential gene expression between neotenic queens and non-reproducing workers) and chemical (cuticular hydrocarbon profiles in correlation to fertility) level.
To investigate possible functions of the identified genes over expressed in neotenic queens I establish RNA interference (RNAi) for lower wood-dwelling termites. This RNAi approach might help to gain further insights into the reproductive division of labor by probing gene function of those genes.
This thesis presents the first data on the relationship between queen/worker castes and genes expression as well as on differences in chemical odor profiles associated with fertility in termites. It contributes to the emerging field of sociogenomics and provides a step forward to understand the proximate basis of a key characteristic of insects� sociality - the reproductive division of labor.

Translation of the abstract (German)

Soziale Insekten sind bedeutende Modellorganismen der Evolutionsbiologie. Ihre Kasten sind ein Beispiel phänotypischer Plastizität, wobei die großen Unterschiede zwischen den Kasten auf differentieller Genexpression beruhen. Die hochkomplexen Strukturen sozialen Lebens dieser Insekten sind durch eine reproduktive Arbeitsteilung und vielfältige Kommunikationsmechanismen gekennzeichnet. So hemmt ...

Translation of the abstract (German)

Soziale Insekten sind bedeutende Modellorganismen der Evolutionsbiologie. Ihre Kasten sind ein Beispiel phänotypischer Plastizität, wobei die großen Unterschiede zwischen den Kasten auf differentieller Genexpression beruhen. Die hochkomplexen Strukturen sozialen Lebens dieser Insekten sind durch eine reproduktive Arbeitsteilung und vielfältige Kommunikationsmechanismen gekennzeichnet. So hemmt beispielsweise bei sozialen Hymenopteren oder Termiten die Anwesenheit von Geschlechtstieren die Entwicklung weiterer Geschlechtstiere im Nest. Durch diesen Feedback-Mechanismus wird innerhalb einer Insektengemeinschaft eine angepaßte und sich selbst regulierende Kastendifferenzierung gewährleistet.
Während bei der Untersuchung der ultimativen Ursachen sozialen Verhaltens große Fortschritte erzielt werden konnten, sind die unmittelbaren Mechanismen, welche hinter der Aufspaltung in reproduzierende und nicht reproduzierende Kasten stehen, vor allem auf molekularer Ebene noch unzureichend verstanden. Ein besonderes Mysterium hierbei ist die Aufrechterhaltung der reproduktiven Vorrangstellung fruchtbarer Individuen.
Die unmittelbaren Grundlagen reproduktiver Arbeitsteilung auf molekularer (differentielle Genexpression zwischen neotenen Königinnen und nicht reproduzierenden Arbeitern) und chemischer (kutikuläre Kohlenwasserstoffe im Zusammenhang mit Fertilität) Ebene wurden während dieser Doktorarbeit an niederen, holzbewohnenden Termiten eingehend untersucht.
Um mögliche Funktionen der in neotenen Königinnen überexprimierten Gene zu untersuchen, habe ich RNA Interferenz (RNAi) für niedere holzbewohnende Termiten etabliert. Dieser RNAi Ansatz könnte die Erforschung der Funktionen dieser Gene ermöglichen und helfen, einen tieferen Einblick in die molekularen Mechanismen der reproduktiven Arbeitsteilung zu erlangen.
Diese Doktorarbeit präsentiert die ersten Daten zur differentiellen Genexpression von Königin- und Arbeiterkaste sowie Unterschiede in chemischen Geruchsprofilen, die mit der Fruchtbarkeit bei Termiten zusammenhängen.
Sie trägt somit zu dem immer wichtiger werdenden Bereich der Soziogenomik bei und ermöglicht einen Einblick in die unmittelbaren Grundlagen eines der Schlüsselkriterien der Sozialität bei Insekten - die reproduktive Arbeitsteilung.

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