Präsentieren wir Ihnen eine visuelle Anleitung zur Krankheit Verteidigung Verhaltensweisen in Blatt-schneiden Ameisen, mit einzelnen Clips und begleitenden Definitionen, dargestellt in einem Szenario mit experimentellen Infektion. Unser Hauptziel ist, helfen, andere Forscher wesentliche defensive Verhaltensweisen zu erkennen und ein gemeinsames Verständnis für die zukünftige Forschung in diesem Bereich bereitzustellen.
Die komplexen Lebensstil, evolutionäre Geschichte der erweiterten Zusammenarbeit und Krankheit Verteidigung von Blatt-schneiden Ameisen sind gut untersucht. Obwohl zahlreiche Studien die Verhaltensweisen im Zusammenhang mit Krankheit Verteidigung und den damit verbundenen Einsatz von Chemikalien und Antibiotika beschrieben haben, hat keine gemeinsame visuelle Referenz vorgenommen. Das Hauptziel dieser Studie war, kurze Clips von Verhaltensweisen Krankheit Verteidigung, sowohl direkt als auch prophylaktisch ausgerichtet ein Antagonist von der Kolonie nach Infektion beteiligt aufnehmen. So wir ein Experiment Infektion mit Sub-Kolonien der Blatt-schneiden Ameisenarten Acromyrmex Echinatiorund die wichtigsten bekannten Pathogenen Bedrohung für die Ameisen Pilz Ernte benutzten zu tun (Leucoagaricus Gongylophorus), einer spezialisierten pathogene Pilze der Gattung Escovopsis. Wir gefilmt und gegenüber infizierten und nicht infizierte Kolonien im frühen und fortgeschrittenen Stadien der Infektion. Wir quantifiziert wesentliche defensive Verhaltensweisen über Behandlungen und zeigen, dass die Verhaltensreaktion auf Erreger Angriff wahrscheinlich zwischen unterschiedlichen Kasten von ArbeiterInnen und frühe und späte Erkennung einer Bedrohung variiert. Basierend auf diesen Aufnahmen haben, die wir eine Bibliothek von Verhaltens-Clips, begleitet von Definitionen der wichtigsten individuellen defensive Verhaltensweisen gemacht. Wir gehen davon aus, dass solch ein Führer kann einen gemeinsamen Bezugsrahmen für andere Forscher arbeiten in diesem Bereich bieten zu erkennen und diese Verhaltensweisen zu studieren und auch mehr Spielraum für den Vergleich von verschiedener Studies um letztlich zu helfen, besser zu verstehen, die Rolle Diese Verhaltensweisen spielen bei Krankheit Verteidigung.
Blatt-schneiden Ameisen sind soziale Insekten, bilden einige der komplexesten Kolonien auf der Erde weit fortgeschritten. Sie sind ein abgeleiteten Zweig der Pilz-wachsende Ameisen (Stamm Attini) bestehend aus den beiden Gattungen Acromyrmex und Atta1. Sie pflegen die Pilz Kulturarten Leucoagaricus Gongylophorus (Basidiomycota: Agaricales), die sie als ihre Hauptnahrung Quelle2,3verlassen. Die Ameisen liefern dieses Pilzes mit frischem Blattmaterial für das Wachstum, und im Gegenzug produziert der Pilz nährstoffreichen geschwollene bodenaggregaten Tipps (Gongylidia), die durch die Ameisen und ihre Brut verbraucht werden. Kolonien sind unterirdisch gebaut, die Pilze Ernte bleibt in externen Gärten4,5und die Ameise Bauern ihre Ernte Monokultur verhindern potenzielle Krankheitserreger6,7,8 ,9,10,11,12. Kolonien Teilen Arbeit zwischen Arbeitnehmern unterschiedlicher Größe (Kaste) und Alter13,14,15, die auf die Verteidigung von Ameisen und Ernte von Krankheitserregern erstreckt.
Wir erwarten, dass Blatt-schneiden Ameisenkolonien anfällig für Krankheiten sein sollte. Gruppenlebens soll die Ausbreitung von Krankheiten zwischen verwandte Berufe durch häufige Interaktionen und somit einfacher Getriebe16zu erleichtern. Die Ameisen sind anfällig für pilzliche Parasiten enthopathogenische, wie Metarhizium Arten und Beauveria Bassiana6. Diese Parasiten sind Generalisten und sind oft der Boden in der Nähe der Nester7,8. Landwirtschaft der Pilz Ernte als Monokultur4,macht5 es wahrscheinlich auch anfällig für Krankheit17,18. Es kann infiziert werden Generalisten pilzlichen Parasiten (inkl. Aspergillus Niger und Trichoderma Arten3); die größte Bedrohung ist jedoch ein Spezialist nekrotrophe Pilz der Gattung Escovopsis (Schlauchpilze: Hypocreales)11. Durch Sekretion von Mycolytic Enzymen und anderen Verbindungen Escovopsis tötet und erhält Nährstoffe aus dem Pilz Ernte12, mit fatalen Folgen für die Ameise Kolonien11,19.
Um Bedrohungen durch Krankheiten zu bekämpfen, haben die Ameisen bemerkenswerte Verteidigung auf Individuum und Kolonie Ebene, kombiniert biologische Kontrolle, Verhaltens- und Chemische Abwehr zu prophylaktisch und, wenn nötig, in Reaktion auf eine Infektion handeln. Gemeinsam, diese Schutzmaßnahmen verhindern oder verringern die Auswirkungen von Infektionen von Generalist Krankheitserreger und Spezialisten wie Escovopsis. Im großen und ganzen beinhalten sie vermeiden die Kontraktion der Parasiten in der Umgebung20, Parasiten in das Nest, und Begrenzung der Ausbreitung der Infektion innerhalb der Nester zu verhindern. Die ersten Zeilen der Verteidigung enthalten Chemikalien von glandulären Absonderungen3,21,22,23,24,25,26, 27 , pflanzlichen Substraten durch Arbeitnehmer leckte sie vor dem Einbau in den Pilz Garten und Ameisen, die Durchführung der selbst- und Allogrooming zu desinfizieren. Selbst pflegen vor allem beim Betreten des Nests, können Arbeitnehmer auch saure fäkale Ausscheidungen auf ihren Körper27anwenden. Diese prophylaktische Schutzmaßnahmen sind nachweislich wichtige Infektion durch pathogene Bedrohungen6,7,8,9,10,11zu vermeiden, 12.
Wenn nicht erste Abwehr und ein Erreger wie Escovopsis gelingt es beim Eintritt in das Nest und den Pilz Garten und Infektion in einem frühen Stadium erkannt wird, verwenden Sie die Ameisen Pilz Sporen25,28. entfernen Pflege Die Ameisen können gelten Sekrete aus den Metapleural Drüsen oder übertragen die Sporen auf die Infrabuccal Tasche (Mundhöhle), wo sie mit einem chemischen Cocktail mit Metapleural und Lippen Drüse Absonderungen26gemischt sind. Es gibt mehr als 20 bekannte Verbindungen in diese Drüsen, einschließlich γ – Keto – carboxylic- und Indoleactic Säuren3. Diese sind aktiv angewandten25, Antibiotika, fungistatisch und pilztötenden Eigenschaften29und Escovopsis Spore Keimung30hemmen können. Sporen in die Infrabuccal Tasche gespeichert sind später außerhalb der Kolonie31,32vertrieben. Die meisten dieses Pilzes Pflege folgende frühe Erkennung erfolgt durch minorarbeiterinnen28,33. Jedoch wenn ein Erreger schafft eine Erkennung zu vermeiden und breitet sich im Pilz Garten, sowohl kleinere und größere Arbeiter Unkraut infizierten Teile der Pilz28und das abgetragene Material lagert sich außerhalb der Nest-31. Darüber hinaus verwaltet Arten der Blatt-schneiden-Gattung Acromyrmex verwenden biologische Kontrolle in Form von Antibiotika produziert von symbiotischen Actinobacteria34,35,36— auf die Ameise Kutikula37von vorwiegend jungen großen Arbeiter34,38,39,40— , Verbindungen zu produzieren, die Myzel Wachstum des Escovopsis zu verhindern 34 , 38 , 41. dieser antibiotischen Produktion kann wiederum durch Escovopsisbeeinträchtigt werden-Verbindungen während einer Infektion19produziert.
Abbildung 1: morphologische Merkmale Ant. Eine schematische Zeichnung einer Ameise zeigt die morphologischen Strukturen im Protokoll erwähnt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Blatt-schneiden Ant Verteidigung bilden damit eine integrierte Montage von Verhaltens- und chemischen Mechanismen, die gemeinsam diese Ameisen sehr effizienten Schutz vor Krankheit42zur Verfügung zu stellen. Das Verständnis dieser Schutzmaßnahmen ist von breites Interesse, und sie wurden ausgiebig recherchiert16,20,42,43,44. Allerdings ist eine visuelle Zusammenstellung der defensive Verhaltensweisen, die eindeutige Definition helfen würde und Beschreibung von ihnen für den systematischen Einsatz von Forschern, unseres Wissens nicht verfügbar. Obwohl die Terminologie Ameise Verhalten beschreiben relativ standardisiert ist, gibt es daher keine Gewissheit, dass die gleichen Verhaltensstörungen Handlungen konsequent in verschiedenen Studien benannt sind. Hier ist unser oberstes Ziel, dies zu beheben, indem Sie Klarheit und Standardisierung durch eine Zusammenstellung von video-Aufnahmen von einzelnen prophylaktischen und defensive Verhaltensweisen begleitet von zugehörigen Definitionen. Wir drehten diese Clips während eines Verhaltens Experimentes, in denen wir beobachtet und quantifiziert Verhaltensweisen im Rahmen der experimentellen Escovopsis Infektionen Acromyrmex Echinatior Sub-Kolonien, deren Ergebnisse wir auch hier präsentieren als ein anschauliches Beispiel für die Verwendung dieser Zusammenstellung für Verhaltensstudien.
Das primäre Ziel dieser Studie war es, zu beobachten und aufzeichnen charakteristischen Blatt-schneiden Ameise defensiv Verhalten in Anwesenheit von Pilz-Garten-Infektion mit Escovopsis, Erstellen von Referenz-Clips für verwenden durch die breitere Wissenschaftsgemeinschaft. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Verhaltensweisen nicht ausschließen, Verteidigung der Kolonien von Escovopsis, sondern kann auch eine Rolle in der Verteidigung gegen andere Verunreinigungen und Infektionen6,7,8,9 ,10,11,12, und bei der Verteidigung der Ameisen sich42. Unser Protokoll bietet eine Kulisse für breitere Forschung auf Verteidigung in Pilz-wachsende Ameisen. Dies ist besonders nützlich sein: (i) für junge Forscher, die nicht vertraut mit diesen Verhaltensweisen; (Ii) zur Sicherung einheitlicher Definitionen für und Beobachtungen der Verhaltensweisen; (Iii) die Vergleiche über Studien und Ameisenarten zu erleichtern; (iv) weil eine Reihe von diesen Verhaltensweisen so selten, die selbst erfahrene auftreten kann können Forscher nie sie beobachtet haben; (iv) weil verstehen und erkennen Verhaltensweisen unter kontrollierten Bedingungen im Labor Hilfe studiert in Situ wo Bedingungen schwerer sind zu kontrollieren.
Die Ergebnisse unseres Verhaltens Studie stehen im Einklang mit früheren Arbeiten, die zeigten, dass geringfügige Arbeitnehmer Pilz Bräutigam – entscheidend, wenn eine Infektion frühzeitig erkannt – mehr als große Arbeiter25,28,32. Hier stieg wichtige Arbeitskräfte die Zahl der Pilz Pflege nach Escovopsis Infektion (Abbildung 2eine). Dies deutet darauf hin, dass geringfügige Arbeitskräfte sind der vorherrschende Pilz-Piste, sondern, dass wichtige Mitarbeiter behilflich sein können bei der Verhinderung der Ausbreitung von mehr Infektionen. Die größeren großen Arbeiter können Sporen schneller, entfernen, während minorarbeiterinnen eher für weniger zugänglichen Sporen entfernen könnte. Wir fanden auch, dass Arbeitnehmer erfolgreich Sporen in rund der Hälfte der infizierten Sub Kolonien (vier von neun), entfernt Wenn sie, zum Zeitpunkt der Infektion eingeführt wurden, und somit konnte der Erreger frühen (Abb. 3c) erkennen. Insgesamt, diese Punkte zu einer Reihe von Verhaltensreaktionen, wo die Ameisen zunächst versuchen, Escovopsis Infektion vorbei Sporen zu entfernen (und so vor eine Infektion breitet sich), anstatt Teile des Gartens Pilz zu entfernen (Abbildung 3a, b. ). Dies ändert sich im Laufe der Zeit, wenn die Infektion fortschreitet wenn Ameisen sind eher Teile der Pilz Garten28entfernen. Obwohl unsere Stichprobengrößen zu klein waren, um schlüssig sein, und wir können nicht ausschließen, dass gleichzeitige Infektionen Jäten Verhalten induziert, unterstützt unsere Daten diesen Trend mit Pilz Jäten überwiegend anwesend in einem späteren Stadium der Infektion (Abbildung 3 ein). In der Regel geringen Pilz Jäten könnte darauf hindeuten, dass die Ameisen sonstige Abwehr (z.B.Chemikalien) verwendet, um weitere Wachstum von Escovopsishemmen oder, dass keiner unserer experimentellen Sub Kolonien zu stark infiziert wurden (machen die zerstörerischer Verteidigung unnötige).
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass selbst pflegen mit fäkalen Flüssigkeit ist charakteristisch für Ameisen, die den Pilz Garten betreten, und als eine prophylaktische Maßnahme, anstatt mit einer Infektion verbunden. Ähnliche Beobachtungen in Gründerin Weibchen, die sich pflegen und übertragen fäkale Tröpfchen mit ihren Mund auf ihre Beine, betritt das Nest gesehen worden oder bei der Handhabung der Ernte-27. Eine Infektion sollte in der Theorie die Tätigkeit der Arbeitnehmer am Rande der Pilz Garten erhöhen, wenn das entfernte infizierte Material wird durchgeführt und fiel in den Abfall Stapel. Fäkale Fluid Pflege kann daher während der Infektion, Krankheit zu minimieren auch indirekt erhöhen. Wir erwarten das entgegengesetzte Muster für schwere Infektionen mit reduzierte Bewegung am Rande des Gartens Pilz, wie Arbeitnehmer entweder den Pilz aufgeben oder mehr extreme wie z. B. chemische Verteidigung Maßnahmen.
Während fäkale Flüssigkeiten als eine wichtige prophylaktische chemische für eine Einzelperson dienen könnte, ist Allogrooming von nestmitglieder auf andere Arbeitnehmer verwendet, wenn sie fremde Partikel oder Mikroben zu erkennen. Der wesentliche Unterschied beobachtet wir zwischen der Häufigkeit (Tabelle 1) der fäkalen Fluid Pflege (n = 304) und der Allogrooming (n = 48) kann einen Unterschied in der Erregernachweis hinweisen. Ameisen sind nicht leicht Krankheitserreger auf sich selbst mit ihren Antennen erkennen; Allogrooming erfolgt auf der anderen Seite durch nestmitglieder, wer kann den gesamten Körper einer Ameise zu inspizieren und nur wählen, wenn nötig zu pflegen. Da Escovopsis ein Parasit der Pilz Garten anstatt der Ameisen ist, könnte dies auch die geringe Menge an Allogrooming erklären.
Wir beobachteten selten Metapleural Drüse, Pflege, und erst in einem späteren Stadium der Infektion. Arten von Pilz-wachsende Ameisen mit reichlich Pseudonocardia bakterielle Abdeckung pflegen die Metapleural Drüsen weniger als25,47Arten mit weniger oder keine zu decken. A. Echinatior eine Fülle von der Symbiont47hat, kann dies die niedrigen Drüse Pflege Frequenz erläutern. Die Metapleural Drüse Sekretion ist auch teuer,30zu produzieren und kann innerhalb der Infrabuccal Tasche für längere Zeit, was bedeutet, dass die Notwendigkeit für die Pflege der Metapleural Drüse selten sein kann gespeichert werden. Während Metapleural Drüse, die Pflege die Ameisen gleichzeitig wechseln Sie die Beine und lecken das Bein, das nur die Drüse präpariert hatte; die Sporen sind dabei übertragen die Infrabuccal Tasche, wo Drüse Absonderungen sind entscheidend für die Hemmung der Escovopsis“Potenzial für anschließende Keimung25. Minorarbeiterinnen sind häufiger im Nest und haben größere Metapleural Drüsen pro Einheit Körper Masse30, was darauf hindeutet, dass sie für die Mehrheit der Metapleural Drüse Absonderungen verantwortlich sind. Dies könnte auch erklären, warum in unserer Studie die höchste Frequenz von Pilz grooming minorarbeiterinnen gehörte.
Wir erwarten, dass Behavior(s) zeigt aktive Verwendung von Antibiotika aus der bakteriellen Symbionten Pseudonocardia, häufig auf die Nagelhaut Acromyrmex Arbeiter beobachtet und bekannt, um eine Rolle in der Verteidigung gegen Escovopsis beobachten 36 , 39 , 40. die wahrscheinlichste Erklärung für ein solches Verhalten nicht zu beobachten ist, dass andere Verhaltensweisen, die Anwendung dieser Antibiotika berücksichtigt werden kann, wie z. B. selbst pflegen durch Pilz Pflege und/oder Jäten, macht es schwer, als beobachten kann eine unterschiedliche Verhalten.
Wir beobachteten das ungewöhnliche Verhalten der erbrechend Flüssigkeitströpfchen auf den Pilz-Garten. Regurgitation von Nahrung für Nestmates wurde zuvor in Blatt-schneiden Ameisen22beschrieben. In unserem Experiment Unterschied sich Tröpfchen in der Farbe von transparent bis dunkelbraun, schlägt sie eine Nahrungsquelle für andere Ameisen werden und/oder Wasser versorgen können. Wir beobachten nur zwei Gelegenheiten, wo andere Ameisen aus den Tröpfchen, trank, so dass wir feststellen kann, ob die Tropfen andere Ameisen profitieren oder dazu dienen, den Pilz zu rehydrieren, wenn die Luftfeuchtigkeit niedrig ist. Die meisten Beobachtungen dieses Verhaltens waren bei Escovopsis Infektionen, die eine defensive Rolle, z. B. immun Grundierung von Regurgitation von antimikrobiellen Peptiden16,48mit sich bringen könnte. Wir können nicht auf diese Schlussfolgerungen da dieses Verhalten selten war, aber es eine interessante Linie weiter, zum Beispiel wäre durch die Bestimmung zu untersuchen, ob Tröpfchen antimikrobielle Eigenschaften haben.
Angesichts dieser Beobachtungsstudien der komplexen defensive Verhaltensweisen von Blatt Scherblock Ameise, einschließlich jeder Vergleich mit und ohne Garten Pilzinfektion, wäre äußerst schwierig, im Feld, experimentelle Daten können wertvolle Einblicke in Diese Verhaltensweisen unter mehr kontrollierten Bedingungen. Während die Verhaltensweisen finden Sie unter natürlichen Bedingungen die Bemerkungen unter Laborbedingungen abweichen könnte, Tools wie unser Katalog der wichtigsten defensive Verhaltensweisen müssen entwickelt werden, um beide zu verbessern experimentelle und Bereich Studien in der Zukunft. Der versuchsansatz kann jedoch teilweise erklären, warum einige Verhaltensweisen waren extrem selten (z. B. Allogrooming, Metapleural Drüse Pflege) in unserer Demonstration dieser Verhaltensstörungen Definitionen zu verwenden. Zukünftige Studien sollten daher die Grenzen dieser Versuchsaufbau Wege natürlicher Beobachtungen finden. Zusätzliche Faktoren könnten auch in das aktuelle Protokoll, beispielsweise die Unterscheidung zwischen Actinobacteria tragen (jüngere) Arbeitnehmer und ältere Arbeitnehmer mit weniger reichlich vorhanden, die auf die Bedrohung durch eine Escovopsis anders reagieren können integriert werden Infektion. Gibt es Trade-Offs zwischen Beobachtungen genauer (z. B. durch scoring fokale Individuen), oder mit größeren Sub Volksstärke (größere Anzahl der Arbeitnehmer) und der Höhe der Zeit oder Anzahl von Sub-Kolonien oder Einzelpersonen, die gefilmt werden kann einen bestimmten Punkt in der Zeit. Dennoch, während das Set-up für größere Verhaltensstudien mit einem Fokus auf die Bewältigung eines Verhaltens Ziel ausgeweitet werden könnte, in diesem Fall konzentrierten wir uns auf erfolgreich präsentiert eine Methode zur Erfassung und spezifische defensive Verhaltensweisen definieren.
Wir dokumentiert Verhaltensweisen, die zur Verteidigung in Blatt-schneiden Ameisen beitragen und mehr deutlich, haben systematisch identifiziert, beschrieben und defensive Verhaltensweisen auf Film gefangengenommen. Unsere repräsentative Ergebnisse verstärken weitere Forschung in diesem Bereich, was darauf hindeutet, warum ist es schwer für einen Krankheitserreger, Pilz-Landwirtschaft Ameisenkolonien, erfolgreich zu infizieren, wenn mit Blick auf eine umfangreiche von defensive Verhaltensweisen Reihe und die damit Anwendung der antimikrobiellen verbundenen Verbindungen. Unser Hauptziel war es, ein neues Tool für die künftige Arbeit in diesem Bereich zur Verfügung zu stellen, und wir hoffen, dass die Verhaltensstörungen Katalog wertvolle für die Sicherung von Konsens und schlanken Definitionen, Beobachtungen und Interpretationen von Verhaltensweisen, die als eine wichtige Ressource dienen wird für die zukünftige Forschung.
The authors have nothing to disclose.
Wir möchten Linie Vej Ugelvig und Kirsten Sheehy für nützliche Gespräche über Mechanismen der Antenne Reiniger Pflege und Dreharbeiten Aufbau bedanken. Michael Poulsen stützt sich auf eine Villum Kann Rasmussen Young Investigator Fellowship (VKR10101) und Tabitha Innocent durch ein Marie-Curie-einzelne europäische Fellowship (IEF gewähren 627949). Wir möchten auch Danke das Smithsonian Tropical Research Institute für die Nutzung der Einrichtungen und logistische Unterstützung in Panama und der Autoridad Nacional del Ambiente um Erlaubnis zu sammeln und exportieren Sie Ameisen in Dänemark.
Plastic boxes | N/A | N/A | Transparent. Length: 3.15 in (8 cm), width: 2.17 in (5.5 cm), depth: 1.77 in (4.5 cm) |
Petri dishes | Sarstedt | 82.1472 | 3.62×0.63 in (9.2×1.6 cm) |
Inoculation loops | Labsolute | 7696431 | Disposable 1uL. Length: 7.67 in (19.5 cm) |
Cameras | DBPower | NTC50HD_8.5mm | USB Endoscope Camera |
Holders for the cameras | N/A | N/A | Old beaker clamp stand. |
Laptop | HP | N/A | Generic laptop for saving recordings. |
Program used on the laptop | Windows Movie maker | N/A | |
Forceps | Vermandel | 50.054 | Soft |
Potato dextrose broth | Sigma-Aldrich | P6685-1KG | 24 g/L |