Caste differentiation in Cardiocondyla obscurior

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Number of Pages:	100
Date:	11 November 2021
Referee:	PD Dr. Jan Oettler
Date of exam:	12 October 2021
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Zoologie/Evolutionsbiologie (Prof. Dr. Jürgen Heinze)
Keywords:	Caste differentiation, germ cell development, urate, embryogenesis
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:	50832

Abstract (English)

In ants reproductive division of labor is a key feature of eusociality and is facilitated by the development of morphological distinct castes. In the myrmicine ant Cardiocondyla obscurior queens monopolize reproduction while workers are sterile and have no reproductive power. This extreme form of worker sterility is only found in 11 out of 283 genera. The species is proposed as a model for ...

Abstract (English)

In ants reproductive division of labor is a key feature of eusociality and is facilitated by the development of morphological distinct castes. In the myrmicine ant Cardiocondyla obscurior queens monopolize reproduction while workers are sterile and have no reproductive power. This extreme form of worker sterility is only found in 11 out of 283 genera. The species is proposed as a model for phenotypic plasticity and late larval stages have been studied with regard to imaginal wing disc development and gene expression. In this thesis, the development of queen and worker embryos and larvae is described in more detail.
A visual marker to separate queen from worker castes during development is described, presumably urate depositions (Chapter 4). We found the same visual marker in four additional Cardiocondyla species, but not in 50 other ant species spanning the ant phylogeny.
The visual distinction between the castes allowed to reconstruct ovarian development in queens, showing differences to other insects. One of these differences is the active elongation process of the
ovarioles from the initial gonadal cell cluster (Chapter 4). Further, the embryogenesis of C. obscurior is characterized in five embryonic stages, showing similarities to the long-germ-type development in holometabolous insects (Chapter 5).
Lastly, a model is presented how caste in C. obscurior is determined (Chapter 6). This occurs during the third embryonic stage and involves the interaction of the homeotic gene Abd-B and the sex differentiation gene doublesex (dsx). The interplay of the sex-specific isoforms of dsx with Abd-B
ensure that the somatic gonadal precursor cells (SGPs), necessary for gonad formation, localize at the correct posterior segment. The mis-localization of SGPs results in the development of sterile workers.
Taken together, this thesis lays the basis for understanding caste determination and differentiation in the ant Cardiocondyla obscurior.

Translation of the abstract (German)

In Ameisen ist die reproduktive Arbeitsteilung ein Schlüsselmoment der Eusozialität und wird durch die Entwicklung von morphologisch unterschiedlichen Kasten ermöglicht. In der Knotenameise Cardiocondyla obscurior monopolisieren Königinnen die Reproduktion, während Arbeiterinnen steril sind und keinen reproduktiven Einfluss haben. Diese extreme Art der Arbeiterinnensterilität findet sich ...

Translation of the abstract (German)

In Ameisen ist die reproduktive Arbeitsteilung ein Schlüsselmoment der Eusozialität und wird durch
die Entwicklung von morphologisch unterschiedlichen Kasten ermöglicht. In der Knotenameise Cardiocondyla obscurior monopolisieren Königinnen die Reproduktion, während Arbeiterinnen steril sind und keinen reproduktiven Einfluss haben. Diese extreme Art der Arbeiterinnensterilität findet sich lediglich in 11 von 283 Gattungen. Diese Spezies wird als Modell für phänotypische Plastizität vorgeschlagen und ihre späten Larvalstadien wurden in Bezug auf die Entwicklung der
Flügelimaginalscheiben und Genexpression hin untersucht. In dieser Arbeit wird detailliert über die Entwicklung von Königinnen und Arbeiterinnen Embryonen und Larven berichtet.
Hier beschreiben wir ein sichtbares Merkmal, welches erlaubt Königinnen- von Arbeiterinnenkaste während ihrer Entwicklung zu unterscheiden (Kapitel 4). Dabei handelt es sich vermutlich um Uratablagerungen. Dasselbe Merkmal fanden wir in vier weiteren Cardiocondyla Spezies. Allerdings
fehlte dieses in 50 weiteren Spezies in der Ameisenphylogenie.
Die sichtbare Unterscheidung der Kasten ermöglichte die Rekonstruktion der Entwicklung der Ovarien von Königinnen, welche Unterschiede zu anderen Insekten aufwies. Einer dieser Unterschiede ist der aktive Verlängerungsprozess der Ovariolen aus dem gonadalen Zellhaufen (Kapitel 4). Ferner ist die Embryogenese von C. obscurior in fünf Embryonalstadien eingeteilt, welche Ähnlichkeiten zur Langkeim Entwicklung in holometabolen Insekten aufzeigen (Kapitel 5).
Als letztes wird ein Model vorgestellt, welches die Kaste in C. obscurior determiniert (Kapitel 6). Dies geschieht während des dritten Embryonalstadiums und beinhaltet die Interaktion des homeotischen Genes Abdominal-B (Abd-B) und das Sexdifferenzierungsgen doublesex (dsx). Das Zwischenspiel der sex-spezifischen Isoformen von dsx und Abd-B erlaubt es den somatischen Gonadenvorläuferzellen (SGPs), welche wichtig sind für die Entwicklung der Gonaden, sich am richtigen posterior gelegenen Segment anzusiedeln. Eine Fehlansiedlung der SGPs resultiert in die Entwicklung von sterilen Arbeiterinnen.
Zusammenfassend legt diese Arbeit die Basis für das Verständnis von Kastendeterminierung und -
differenzierung in der Ameise Cardiocondyla obscurior.

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