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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-318564
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.31856
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 19 May 2015 |
| Referee: | Prof. Dr. Jürgen Heinze |
| Date of exam: | 23 March 2015 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Zoologie/Evolutionsbiologie (Prof. Dr. Jürgen Heinze) |
| Keywords: | Cardiocondyla, seminal fluid, male accessory gland proteins, representational difference analysis, 2D-SDS-PAGE, serpin, ejaculatory bulb specific protein, protein disulfide isomerase, NHE-RF, Selenophosphate synthetase 1 |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 31856 |
Abstract (English)
The ant genus Cardiocondyla is characterised by a remarkable male diphenism, with "normal" winged males that often co-occur with "worker-like" (ergatoid) males, which is extraordinary in social insects. These male phenes represent different reproductive tactics. The peaceful winged males are the disperser phene, even though they got lost in some Cardiocondyla species. Ergatoid males mate ...
Abstract (English)
The ant genus Cardiocondyla is characterised by a remarkable male diphenism, with "normal" winged males that often co-occur with "worker-like" (ergatoid) males, which is extraordinary in social insects. These male phenes represent different reproductive tactics. The peaceful winged males are the disperser phene, even though they got lost in some Cardiocondyla species. Ergatoid males mate intranidal and are in many species aggressive fighters that show a striking adaptation to their behaviour. Young queens usually mate inside their maternal nest.
In my study species C. obscurior the winged male phene occurs only when environmental conditions change, while one ergatoid male with sabre-shaped mandibles is regularly in the colony. Queens mated to winged males might have to leave the colony to found a nest elsewhere due to changing conditions and probably need considerably more time until they produce the first sexual offspring. They live longer than queens mated to an ergatoid male. In my second study species C. tjibodana on the other side the winged male phene is common, while ergatoid males with shear-shaped mandibles are rare. Data on queen longevity is lacking. The fact that females mate only during a short period and store the sperm lifelong, as well as the production of the sterile worker offspring before the production of sexual offspring in social insects favours sexual cooperation over sexual conflict.
The aim of this thesis was to study the male accessory glands of the male phenes of C. obscurior as potential proximate cause of the life-prolonging effect. I investigated the protein pattern and the gene expression pattern of these glands by using two-dimensional-SDS-polyacrylamide-gelelectrophoresis (2D-SDS-PAGE) and a representational difference analysis (RDA), respectively. Additionally, I examined the protein pattern of the accessory glands of the male phenes of C. tjibodana and analysed queen longevity based on the male phene they had mated with.
Chapter 2 "Suppression subtractive hybridization reveals differentially expressed genes in the accessory glands of two ant male phenes with different life histories" is based on the result from a study on RNA-level to examine differences in the gene expression in the accessory glands of the male phenes of C. obscurior. 38 US could be assigned to predicted genes and eight of these could be analyzed in detail in a quantitative real-time PCR (qPCR) analysis.
In Chapter 3 "Comparison of the accessory gland proteins of two male-diphenic ant species and the effect on their mating partners" the accessory gland proteins were investigated by 2D-SDS-PAGE. I compared the protein pattern of the two male phenes of C. obscurior and found 56 proteins to be differently regulated. A comparison in C. tjibodana revealed 91 proteins to be up- or down-regulated. The results of a subsequent nano-LC-MS/MS-analysis of some selected protein spots of C. obscurior revealed that SERPINB10, Protein disulfide isomerase A3, Na+/H+ exchange regulatory cofactor, Selenophosphate synthetase 1 and a hypothetical protein are differentially expressed between the two male phenes.
Chapter 4 "Selenophosphate synthetase in the male accessory glands of an insect without selenoproteins" demonstrated that Selenophosphate synthetase 1 is transcribed into a protein in C. obscurior, which has previously not been shown for any social Hymenoptera. Besides details on predicted gene structure, I discussed the possible role of selenophosphate synthetase (SPS1) in relation to oxidative stress defence in social insects.
Chapter 5 "Queen and male longevity in the Southeast Asian ant Cardiocondyla tjibodana Karavaiev, 1935" presented the results of the study on queen and male longevity in C. tjibodana. Contrary to C. obscurior, queens in C. tjibodana live on average equally long, independent of the male phene they mated with. Moreover, queens do not show an increase of egg laying rate with age, as it has been shown in C. obscurior and C. kagutsuchi.
Interestingly we found SERPINB10 on the RNA-level, as well as on the protein level. While a possible function of Na+/H+ exchange regulatory cofactor 2 (NHE-RF2), a hypothetical protein and ejaculatory bulb specific protein 3-like remains unknown, SPS1 might help in reactive oxygen species defence. Growth hormone-inducible transmembrane protein-like (ghitm), SERPINB10 and leucine-rich repeat (LRR) and immunoglobulin-like domain-containing nogo receptor-interacting protein 2-like might function in an immune system related manner.
In summary, my research provides very good candidate genes and proteins to be related to queen longevity, which can serve as an informative basis that can be built upon in future research on this subject.
Translation of the abstract (German)
Die Ameisengattung Cardiocondyla ist durch einen bemerkenswerten Männchendiphänismus gekennzeichnet. Es ist außergewöhnlich für soziale Insekten, dass "normale" geflügelte Männchen zusammen mit "arbeiterinnenähnlichen" (ergatoiden) Männchen vorkommen. Die beiden Männchenphänen weisen verschiedene reproduktive Taktiken auf. Die friedlichen geflügelten Männchen sind die Verbreitungsphäne, obwohl ...
Translation of the abstract (German)
Die Ameisengattung Cardiocondyla ist durch einen bemerkenswerten Männchendiphänismus gekennzeichnet. Es ist außergewöhnlich für soziale Insekten, dass "normale" geflügelte Männchen zusammen mit "arbeiterinnenähnlichen" (ergatoiden) Männchen vorkommen. Die beiden Männchenphänen weisen verschiedene reproduktive Taktiken auf. Die friedlichen geflügelten Männchen sind die Verbreitungsphäne, obwohl sie in einigen Arten von Cardiocondyla nicht mehr vorkommen. Ergatoide Männchen paaren sich im Nest und sind in vielen Arten aggressive Kämpfer, mit auffallenden, an ihr Verhalten angepassten Adaptierungen. Jungköniginnen paaren sich oft innerhalb des Nestes.
In der von mir untersuchten Art C. obscurior tritt die geflügelte Männchenphäne nur auf, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern. Normalerweise ist ein ergatoides Männchen mit säbelförmigen Mandibeln in der Kolonie. Königinnen, welche sich mit einem geflügelten Männchen gepaart haben, müssen wegen der sich ändernden Umweltbedingungen vermutlich das Nest verlassen und anderorts eine neue Kolonie grünend. Deswegen brauchen sie vermutlich deutlich mehr Zeit, bis sie die ersten Geschlechtstiere produzieren. Sie leben länger, als Königinnen die sich mit einem ergatoiden Männchen gepaart haben. In C. tjibodana, einer weiteren Art, die von mir untersucht wurde, ist andererseits die geflügelte Phäne üblich, wohingegen ergatoide Männchen, die hier scherenförmige Mandibeln haben, selten sind. Daten zur Langlebigkeit der Königinnen fehlen. Weibchen paare sich nur während einer kurzen Zeit und speichern das Sperma lebenslang. Zusammen mit der Tatsache, dass in sozialen Insekten sterile Arbeiterinnen vor Geschlechtstieren produziert werden, führt das dazu, dass sexuelle Kooperation gegenüber sexuellem Konflikt begünstigt ist.
Ziel dieser Arbeit war es die akzessorischen Drüsen der Männchenphänen von C. obscurior als mögliche, unmittelbare Ursache des lebensverlängernden Effekts zu untersuchen. Ich habe das Proteinmuster dieser Drüsen mit einer zweidimensionalen Polyacrylamid-Gel-Elektrophorese (2D-SDS-PAGE) und das Genexpressionsmuster mit einer Untersuchung repräsentativer Unterschiede (RDA) erforscht. Zusätzlich habe ich das Proteinmuster der akzessorischen Drüsen der Männchenphänen von C. tjibodana untersucht, ebenso wie die Langlebigkeit der Königinnen in Abhängigkeit von der Männchenphäne mit der sie sich gepaart haben.
Kapitel 2 "Suppression subtractive hybridization reveals differentially expressed genes in the accessory glands of two ant male phenes with different life histories" basiert auf den Ergebnissen einer Studie auf RNA-Niveau, welche die Unterschiede in der Genexpression der akzessorischen Drüsen der Männchentypen in C. obscurior untersucht. Es konnten 38 einzigartige Sequenzen vorhergesagten Genen zugeordnet werden und acht davon konnten in einer quantitativen Echtzeit-PCR (qPCR)-Analyse detaillierter untersucht werden.
In Kapitel 3 "Comparison of the accessory gland proteins of two male-diphenic ant species and the effect on their mating partners" wurden die Proteine der akzessorischen Drüsen mittels 2D-SDS-PAGE untersucht. Ich habe die Proteinmuster der zwei Männchenphänen in C. obscurior verglichen und dabei 56 unterschiedlich regulierte Proteine gefunden. Ein Vergleich in C. tjibodana brachte 91 Proteine welche höher oder niedriger exprimiert waren. Eine nachfolgende nano-LCMS/MS-Analyse einiger ausgewählter Proteinpunkte zeigte, dass SERPINB10, Protein disulfide isomerase A3, Na+/H+ exchange regulatory cofactor, Selenophosphate-synthetase 1 (SPS1) und ein hypothetisches Protein zwischen den beiden Männchenphänen unterschiedlich reguliert sind.
Kapitel 4 "Selenophosphate synthetase in the male accessory glands of an insect without selenoproteins" bewies, dass Selenophosphate synthetase in C. obscurior tatsächlich in ein Protein umgeschrieben wird. Bisher wurde das in sozialen Hymenopteren noch nicht gezeigt. Neben einigen Details zur Genstruktur diskutierte ich eine mögliche Rolle von SPS1 im Zusammenhang mit einem Schutz gegen oxydativen Stress in sozialen Insekten.
Kapitel 5 "Queen and male longevity in the Southeast Asian ant Cardiocondyla tjibodana Karavaiev, 1935" präsentierte die Ergebnisse der Langlebigkeitsstudie von Männchen und Königinnen von C. tjibodana. Im Gegensatz zu C. obscurior ist die Lebenserwartung von Königinnen von C. tjibodana unabhängig von der Männchenphäne mit der sie gepaart haben. Des Weiteren zeigen Königinnen keinen Anstieg der Eilegerate mit dem Alter, wie es für C. obscurior und C. kagutsuchi gezeigt wurde.
Interessanterweise fanden wir SERPINB10 auf RNA-Ebene und auch auf Proteinebene. Während die Funktion des Na+/H+ exchange regulatory cofactor 2 (NHE-RF2), eines hypothetischen Proteins und des ejaculatory bulb specific protein 3-like unbekannt bleibt, könnte SPS1 in der Verteidigung gegen reaktive Sauerstoffarten helfen. Growth hormone-inducible transmembrane protein-like (ghitm), SERPINB10 und leucine-rich repeat (LRR) and immunoglobulin-like domain-containing nogo receptor-interacting protein 2-like könnten eine Immunsystem verwandte Funktion haben.
Zusammenfassend liefert meine Forschung sehr gute Kandidaten, sowohl Gene als auch Proteine, die mit der Langlebigkeit der Königin zusammenhängen könnten. Diese können als Ausgangspunt für weitere Forschung auf diesem Gebiet dienen.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 23:58
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