Vi præsenterer en visuel guide til sygdom forsvar adfærd i blad-skæring myrer, med individuelle klip og tilhørende definitioner, illustreret i en eksperimentel infektion scenario. Vores vigtigste mål er at hjælpe andre forskere genkende centrale defensiv adfærd og give en fælles forståelse for fremtidig forskning på dette område.
Den komplekse livsstil, evolutionær historie af avanceret samarbejde og sygdom forsvar af myrer, blad-skæring er godt undersøgt. Selv om mange undersøgelser har beskrevet de adfærd, der er forbundet med sygdom forsvar, og de tilknyttede brug af kemikalier og antimikrobielle stoffer, er ingen fælles visuelle reference gjort. Hovedformålet med denne undersøgelse var at optage korte klip af adfærd, der er involveret i sygdom forsvar, både forebyggende og direkte rettet mod en antagonist af kolonien efter infektion. At gøre, så vi brugte en infektion eksperiment, med sub kolonier af blad-skæring myre arter Acromyrmex echinatior, og den mest betydningsfulde kendte patogene trussel mod myrer svampe afgrøde (Leucoagaricus gongylophorus), en specialiseret sygdomsfremkaldende svampe i slægten Escovopsis. Vi filmet og sammenlignet inficeret og ikke-inficerede kolonier, på både tidlige og mere avancerede stadier af infektion. Vi kvantificeret centrale defensiv adfærd på tværs af behandlinger og viser, at den adfærdsmæssige reaktion på patogen angreb sandsynligvis varierer mellem forskellige kaster af arbejdstager myrer og mellem tidlige og sene påvisning af en trussel. Baseret på disse optagelser, vi har foretaget et bibliotek af adfærdsmæssige klip, ledsaget af definitioner af de vigtigste individuelle defensive adfærd. Vi forventer, at sådan en guide kan give en fælles referenceramme for andre forskere, der arbejder i dette felt til at genkende og studere disse adfærd, og også give større mulighed for at sammenligne forskellige undersøgelser for at i sidste ende hjælpe med bedre at forstå rollen disse adfærdsmønstre spille i sygdom forsvar.
Blad-skæring myrer er avancerede sociale insekter, udgør nogle af de mest komplekse kolonier på jorden. De er en afledt gren af svamp vokser myrer (stamme Attini) bestående af to slægter Acromyrmex og Atta1. De dyrke svampe afgrøde arter Leucoagaricus gongylophorus (Basidiomycota: Agaricales), som de er afhængige af som deres vigtigste fødevarer kilde2,3. Myrerne levere denne svamp med friske blade materiale til dens vækst, og svampen til gengæld producerer næringsrige hævede hyphal tips (gongylidia), der forbruges af myrer og deres yngel. Kolonierne er bygget under jorden, svampe afgrøden bevares i eksterne haver4,5og ant landmænd beskytte deres afgrøde monokultur fra potentielle patogener6,7,8 ,9,10,11,12. Kolonier opdele arbejdskraft mellem ansatte af forskellig størrelse (kaste) og alder13,14,15, som strækker sig til forsvaret af myrer og afgrøde fra patogener.
Vi kunne forvente, at blad-skæring myre kolonier bør være sårbare over for sygdom. Gruppe levende forventes at lette spredningen af sygdomme mellem relaterede arbejdstagere på grund af hyppige interaktioner og dermed lettere transmission16. Myrer er modtagelige for insektspecifikke svampe parasitter, som Metarhizium arter og Beauveria bassiana6. Disse parasitter er generalister og er ofte til stede i jord tæt på reder7,8. Opdræt af svampen afgrøde som en monokultur4,gør5 det sandsynligvis også være modtagelige for sygdommen17,18. Det kan være smittet af generalist svampe parasitter (herunder Aspergillus niger og Trichoderma arter3); men den største trussel er en specialist necrotrophic svamp i slægten Escovopsis (Sæksvampe: Kødkernesvamp-ordenen)11. Gennem udskillelsen af mycolytic enzymer og andre forbindelser, Escovopsis dræber og opnår næringsstoffer fra svampen afgrøde12, med potentielt fatale konsekvenser for myre kolonier11,19.
For at bekæmpe sygdommen trusler, har myrerne bemærkelsesværdige forsvar på både individ og koloni niveau, kombinerer biologisk bekæmpelse, adfærdsmæssige og kemisk forsvar og handle profylaktisk, og hvornår det er nødvendigt, som reaktion på infektion. Kollektivt, disse forsvarsværker forebygge eller reducere virkningerne af infektioner fra både generalist patogener og specialister som Escovopsis. De indebærer generelt at undgå sammentrækning af parasitter i miljøet20, forhindrer parasitter fra ind i reden, og begrænse spredning af infektion i reder. De første linjer i forsvar omfatter kemikalier fra glandular sekreter3,21,22,23,24,25,26, 27 til at desinficere anlægget substrater, gennem arbejdstagere slikke dem inden iblandingen i svampen haven og myrer udfører både self- og allogrooming. Når grooming selv, især når den kommer ind i reden, kan arbejdstagere også anvende sure fækal sekreter på deres krop27. Disse profylaktiske forsvar er beviseligt vigtigt at undgå infektion af patogene trusler6,7,8,9,10,11, 12.
Hvis første forsvar mislykkes og en patogen som Escovopsis lykkes ind i reden og svamp haven og infektion opdages på et tidligt tidspunkt, bruge myrerne svampen grooming fjerne sporerne25,28. Myrerne kan anvende sekret fra metapleural kirtler eller overfører sporerne til infrabuccal lomme (en mundhulen), hvor de er blandet med en kemisk cocktail der indeholder metapleural og labial kirtel sekreter26. Der er mere end 20 kendte forbindelser i disse kirtler, herunder γ – keto-, carboxylic- og indoleactic syrer3. Disse er aktivt anvendt25, har antibiotisk, fungistatisk og svampedræbende egenskaber29og kan hæmme Escovopsis spore spiring30. Sporer lagres i infrabuccal hul er senere bortvist uden for kolonien31,32. De fleste af denne svamp, grooming følgende tidlige påvisning udføres af mindre arbejdstagere28,33. Men hvis en patogen formår at undgå detektion og spredes inden for svamp haven, både mindre og større arbejdstagere luge inficerede dele af svampen28, og dette fjernede materiale er deponeret uden for reden31. Derudover arter i blad-skæring slægten Acromyrmex bruge biologisk kontrol i form af antibiotika produceret af symbiotisk Actinobacteria34,35,36— vedligeholdes på ant neglebånd37overvejende store ungarbejdere34,38,39,40— til at producere stoffer, der forhindrer mycelial vækst af Escovopsis 34 , 38 , 41. dette antibiotikum produktion kan igen blive forringet af Escovopsis-produceret forbindelser under en infektion19.
Figur 1: Ant morfologiske træk. En skematisk tegning af en myre viser de morfologiske strukturer, der er nævnt i protokollen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Blad-skæring ant forsvar således udgøre en integreret samling af adfærdsmæssige og kemiske mekanismer, der tilsammen giver disse myrer med meget effektiv beskyttelse mod sygdom42. Forstå disse forsvarsværker er af bred interesse, og de har været flittigt forsket16,20,42,43,44. Men en visuel samling af defensiv adfærd, som ville hjælpe entydig definition og beskrivelse af dem til systematisk brug af forskere er, at vores viden, ikke er tilgængelige. Selv om den terminologi, der anvendes til at beskrive ant adfærd er relativt standardiseret, er der derfor ingen sikkerhed for, at de samme adfærdsmæssige handlinger er navngivet konsekvent i forskellige undersøgelser. Her, er vores vigtigste mål at afhjælpe dette ved at tilvejebringe klarhed og standardisering gennem en samling af video-optagelser af individuelle profylaktisk og defensiv adfærd ledsaget af tilknyttede definitioner. Vi filmede disse klip under en adfærdsmæssige eksperiment, hvor vi observerede og kvantificeret adfærd i forbindelse med eksperimentelle Escovopsis infektioner af Acromyrmex echinatior sub kolonier, hvis resultater, vi også præsenterer her som et illustrerende eksempel på hvordan denne samling kan bruges til adfærdsmæssige undersøgelser.
Det primære formål med denne undersøgelse var at observere og registrere karakteristiske blad-skæring ant defensiv adfærd i overværelse af svamp-have infektion med Escovopsis, at skabe reference klip for brug af det bredere videnskabelige samfund. Det skal bemærkes, at disse adfærdsmønstre ikke er udelukkende til forsvar af kolonier fra Escovopsis, men kan også spille en rolle i forsvaret mod andre forurenende stoffer og infektioner6,7,8,9 ,10,11,12, og i forsvaret af myrerne selv42. Vores protokol giver en kulisse for bredere forskning på forsvar i dyrkning af svampen myrer. Dette er sandsynligvis vil være særlig nyttigt: (i) til unge forskere, der ikke er bekendt med disse adfærdsmønstre; (ii) at sikre ensartede definitioner og observationer af adfærd; (iii) at lette sammenligninger på tværs af undersøgelser og myre arter; (iv) fordi en række af disse opførsler kan forekomme så sjældent at selv erfarne kan forskere aldrig har observeret dem; (iv) fordi forståelse og anerkendelse af adfærd under kontrollerede forhold i laboratorium hjælp undersøgelser i situ hvor forholdene er sværere at kontrollere.
Resultaterne fra vores adfærdsmæssige undersøgelse er i overensstemmelse med tidligere arbejde, som viste, at mindre arbejdstagere svamp gommen — afgørende hvis en infektion opdages tidligt — mere end store arbejdstagere25,28,32. Her, øget store arbejdstagere mængden af svampe grooming efter Escovopsis infektion (figur 2pt). Dette tyder på, at mindre arbejdstagere er fremherskende svamp groomers, men at store arbejdstagere kan hjælpe med at forhindre udbredelsen af mere etablerede infektioner. De større store arbejdstagere kan fjerne sporerne hurtigere, mens mindre arbejdstagere kunne være mere velegnet til at fjerne mindre tilgængelige sporer. Vi fandt også, at arbejdstagere med held fjernet sporer i omkring halvdelen af de inficerede sub kolonier (fire ud af ni) når de blev indført i forbindelse med infektion, og dermed kunne opdage patogen tidligt (figur 3c). Alt i alt dette peger på en serie af adfærdsmæssige reaktioner hvor myrerne først prøve at stoppe Escovopsis infektion ved at fjerne sporerne (og gør så før en infektionen breder sig), snarere end at fjerne dele af svampen haven (figur 3a, b. ). Dette ændrer sig over tid hvis infektionen udvikler sig, når myrer er mere tilbøjelige til at fjerne dele af svampen haven28. Selv om vores stikprøvestørrelser var for lille til at være afgørende, og vi kan ikke udelukke, at samtidige infektioner induceret lugning adfærd, understøtter vores data denne tendens, med svamp lugning overvejende at være til stede på senere stadier af infektion (figur 3 pt). De generelt lave niveauer af svampen lugning kunne antyde at myrerne anvendes andre forsvarsværker (f.eks.kemikalier) at hæmme yderligere vækst i Escovopsis, eller at ingen af vores eksperimentelle sub kolonier blev også alvorligt inficeret (gør de mere destruktiv forsvar unødvendige).
Vores resultater tyder på, at selvstændige grooming med fækal væske er karakteristisk for myrer at indtaste svamp haven, og anvendes som en forebyggende foranstaltning, snarere end at være forbundet med en infektion. Lignende iagttagelser har været set i foundress hunner at soignere sig og overføre fækal dråber med munden til benene, når ind i reden eller håndtering afgrøde27. I teorien bør en infektion øger aktiviteten af arbejdstagere på kanten af svampen haven, hvis det fjernede inficerede materiale er udført og faldt i affald bunker. Derfor, fækal væske grooming kan også indirekte øge under infektion at minimere sygdom spredes. Vi ville forvente det modsatte mønster for alvorlige infektioner med nedsat bevægelse i udkanten af haven svamp, som arbejdstagere enten opgive svampen eller vedtage mere ekstreme foranstaltninger såsom kemiske forsvar.
Mens fækal væsker kunne tjene som en vigtig profylaktisk kemiske for individ, bruges allogrooming af rede-hjælpere på andre arbejdstagere, hvis de registrerer fremmede partikler eller mikrober. Den væsentlige forskel vi observeret mellem frekvens (tabel 1) af fækal væske grooming (n = 304) og allogrooming (n = 48) kan skyldes en forskel i patogen detektion. Myrer er ikke købedygtig uden sammenligning opdager patogener på sig selv med deres antenner; allogrooming er på den anden side gjort af rede-hjælpere, der kan kontrollere hele kroppen af en myre og kun vælge at soignere hvis nødvendigt. Da Escovopsis er en parasit svamp haven snarere end myrerne, kan dette også forklare det lave antal allogrooming.
Vi observeret sjældent metapleural kirtel grooming, og kun på senere stadier af infektion. Arter af svamp vokser myrer med rigelige Pseudonocardia bakteriel dække nette metapleural kirtler er mindre end arter med mindre eller ingen dække25,47. Som A. echinatior har en overflod af symbiont47, kan dette forklare den lave kirtel grooming frekvens. Metapleural kirtel sekretion er også dyrt at producere30, og kan opbevares i infrabuccal lomme i længere perioder, hvilket betyder, at behovet for grooming af metapleural kirtel kan være sjældne. Under metapleural kirtel grooming, myrerne samtidig skifte ben og slikke det ben, der havde bare groomed kirtel; Sporerne er derved overført til infrabuccal lomme, hvor kirtel sekreter er kritisk for hæmme Escovopsis‘ potentielle for efterfølgende spiring25. Mindre arbejdere er mere rigelige inde i reden og har større metapleural kirtler pr. enhed krop masse30, hvilket tyder på de er ansvarlige for størstedelen af metapleural kirtel sekreter. Dette kunne også forklare, hvorfor, i vores undersøgelse, den højeste frekvens af svampen grooming var blandt mindre arbejdstagere.
Vi forventes at observere adfærd (r)-angiver aktive brug af antibiotika fra den bakterielle symbiont Pseudonocardia, almindeligt observeret på neglebånd af Acromyrmex arbejdstagere og kendt for at spille en rolle i forsvaret mod Escovopsis 36 , 39 , 40. den mest sandsynlige forklaring for ikke observere sådan adfærd, er at anvendelse af disse antibiotika kan inkorporeres i andre adfærdsmønstre, såsom selvstændige grooming efterfulgt af svampen grooming og/eller luge, som kan gøre det svært at observere som en forskellige adfærd.
Vi observerede usædvanlige adfærd regurgitating flydende dråber til svamp haven. Gylp af mad til nestmates er tidligere blevet beskrevet i blad-skæring myrer22. I vores eksperiment varierede dråber i farve fra transparent til mørk brun, tyder på, de kan være en fødekilde for andre myrer og/eller give vand. Vi observerede kun to gange hvor andre myrer drak fra dråber, så vi ikke kan bestemme hvis dråber gavne andre myrer eller tjene til at rehydrere svampen, når luftfugtigheden er lav. De fleste observationer af denne adfærd var under Escovopsis infektioner, hvilket kan indebære en defensiv rolle, såsom immun priming af gylp af antimikrobielle peptider16,48. Vi kan ikke drage faste konklusioner på dette, da denne adfærd var sjældne, men det ville være en interessant linje at undersøge yderligere, for eksempel ved at bestemme om dråber har antimikrobielle egenskaber.
Givet at observationelle undersøgelser af de komplekse defensiv adfærd af myrer, blad-cutter, herunder enhver sammenligning med og uden svamp haven infektion, ville være yderst vanskeligt at gøre på området, eksperimentelle data kan give værdifuld indsigt i disse adfærd under mere kontrollerede betingelser. Mens bemærkninger under laboratorieforhold kan afvige fra den adfærd, der er fundet under naturlige betingelser, værktøjer som vores katalog af centrale defensive adfærd skal udvikles, forbedre både eksperimentelle og felt undersøgelser i fremtiden. Den eksperimentelle tilgang kan dog delvist forklare, hvorfor nogle adfærd var ekstremt sjældne (f.eks. allogrooming, metapleural kirtel grooming) i vores demonstration af ved hjælp af disse adfærdsmæssige definitioner. Fremtidige undersøgelser kunne derfor overveje begrænsningerne af denne eksperimentelle opsætning, at finde måder at gøre mere naturlige observationer. Yderligere faktorer kunne også integreres i den nuværende protokol, såsom skelne mellem Actinobacteria informationsbærende (yngre) og ældre arbejdstagere med mindre rigelige cover, der kan reagere forskelligt på truslen om en Escovopsis infektion. Der er tale om afvejninger mellem at foretage observationer mere nøjagtige (for eksempel ved at score fokale enkeltpersoner), eller at have større sub koloni størrelse (større antal arbejdstagere), og mængden tid eller antal sub kolonier eller enkeltpersoner, der kan blive filmet på en given punkt i tid. Ikke desto mindre, mens set-up kan udvides til større adfærdsmæssige undersøgelser med fokus på at behandle en adfærdsmæssige mål, i dette tilfælde er vi fokuseret på held fremvisning af en metode til registrering og definere specifikke defensiv adfærd.
Vi dokumenteret adfærd, der bidrager til forsvar i blad-skæring myrer, og flere betydeligt, har systematisk identificeret, beskrevet og erobrede defensiv adfærd på film. Vores repræsentative resultater styrke andre forskning på dette område, hvilket tyder på, hvorfor det er svært for en patogen held inficerer svamp-landbrug myre kolonier, når står over for en omfattende sæt af defensiv adfærd og tilhørende anvendelse af antimikrobielle forbindelser. Vores vigtigste mål var at give et nyt værktøj for det fremtidige arbejde på dette område, og vi håber, at de adfærdsmæssige butik vil vise sig værdifulde for at sikre konsensus og strømlinet definitioner, iagttagelser og fortolkninger af adfærd, til at tjene som en vigtig ressource for fremtidig forskning.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke linje Vej Ugelvig og Kirsten Sheehy for nyttige diskussioner vedrørende grooming mekanismer af antenne rengøringsmidler og filme set-up. Michael Poulsen er understøttet af en Villum Kann Rasmussen Young Investigator Fellowship (VKR10101) og Tabitha Innocent af et Marie Curie-individuelle Europæiske Fællesskab (IEF give 627949). Vi vil også gerne takke the Smithsonian tropiske Research Institute for brugen af faciliteter og logistisk støtte i Panama, og Autoridad Nacional del Ambiente for tilladelse til at indsamle og eksportere myrer til Danmark.
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 |