Kautz, Stefanie:

Acacia-inhabiting Pseudomyrmex ants - Integrating physiological, behavioral, chemical and genetic data to understanding the maintance of ant-plant mutualisms

Duisburg, Essen (2009), 166 Bl.
Dissertation / Fach: Biologie
Fakultät für Biologie » Allgemeine Botanik
Bayer, Peter (Doktorvater, Betreuerin)
Lumbsch, Thorsten; Heil, Martin (GutachterIn)
Dissertation
Abstract:
Mutualismen sind Interaktionen verschiedener Arten zu gegenseitigem Nutzen. Diese Wechselbeziehungen können Anpassungen der Partner einschließen. Als eine solche gegenseitige Adaptation sezernieren Ameisenakazien Saccharose-freien extrafloralen Nektar (EFN) und die auf den Pflanzen lebenden mutualistischen Ameisenarten haben in Anpassung an ihre Wirtspflanze die Fähigkeit verloren, das Enzym Invertase zur Spaltung von Saccharose zu expremieren. Zudem konnte experimentell gezeigt werden, dass die Aufnahme von Saccharose die Invertase-Aktivität von parasitischen (250%) und generalistischen (300%) Ameisenarten erhöht, nicht aber die von Mutualisten. Im Gegensatz zu adulten Tieren zeigten Larven aller drei untersuchten Ameisengruppen eine induzierbare Invertase-Aktivität (170-310%). Diese während ihrer Ontogenese reduzierte Verdauungskapazität bindet die mutualistischen Ameisenarten physiologisch an ihren Wirt. Andererseits verhindert jedoch der Verlust von Saccharose im EFN nicht die Ausbeutung des Mutualismus durch parasitische Ameisenarten. Anhand einer molekularen Phylogenie basierend auf DNA-Sequenzen wurde nachgewiesen, dass die Parasiten aus generalistischen Arten evolviert sind und nicht aus Mutualisten. Die physiologische Anpassung und die damit einhergehende Abhängigkeit der mutualistischen Ameisen von ihrer Wirtspflanze scheint die Evolution zu einem Parasiten zu verhindern, nicht aber die Ausbeutung des Systems durch Parasiten, welche aus Generalisten evolviert sind.
Die Koloniestruktur mutualistischer und parasitischer Ameisenarten wurde in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe von Verhaltensbeobachtungen, chemischen Analysen kutikulärer Kohlenwasserstoffe und genetischen Mikrosatelliten-Daten vergleichend untersucht. Verwandtschaftsanalysen belegten, dass eine Kolonie des Mutualisten P. ferrugineus bis zu zwei (ø 1.56) Akazien-Pflanzen besiedelte, wohingegen sich mehrere Kolonien des Parasiten P. gracilis (ø 2.23) einzelne Wirtspflanzen teilten. Bei beiden Arten besaßen die Individuen, welche dieselbe Wirtspflanze bewohnten, charakteristische Profile kutikulärer Kohlenwasserstoffe. In Verhaltensexperimenten im Freiland zeigten die Bewohner einer Wirtspflanze keine Aggressivität untereinander, was durch die Profile der kutikulären Kohlenwasser-stoffe erklärt werden konnte. Genetik, Chemie und Verhalten von P. ferrugineus wiesen somit ähnliche Muster auf, während bei P. gracilis die genetische Heterogenität und der z.T. geringe Verwandtschaftsgrad (Rmin=0.00±0.18) im Widerspruch zu Chemie und Verhalten standen. Durch die friedliche Koexistenz verschiedener Kolonien des Parasiten P. gracilis kann der limitierte Lebensraum „Akazie“ vor Besiedelung durch artfremde, konkurrierende Ameisen geschützt werden. Die Interaktion zwischen Ameisen und Pflanzen hat also Einfluss auf die genetische Identität von Ameisenkolonien, ihre chemischen Profile und ihr Verhalten gegenüber koloniefremden Artgenossen.
In einem kompetitiven Habitat sind große und schnell wachsende Kolonien von Vorteil, weil diese eine besonders effiziente Futtersuche und Nestverteidigung ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, mit welchen Strategien die mutualistische Ameisenart Pseudomyrmex peperi Kolonien etabliert. Es konnte gezeigt werden, dass die Art extrem polygyne Kolonien bildet und so große Gruppen von Wirtspflanzen besiedelt. Mikrosatelliten-Daten zeigten, dass — trotz der großen Anzahl von Königinnen — Kolonien von einer einmal verpaarten Königin gegründet werden und durch Tochterköniginnen, welche mit Männchen aus derselben Kolonie verpaart sind, zu Superkolonien heranwachsen. Basierend auf DNA-Sequenzdaten wurde gezeigt, dass Polygynie innerhalb der mutualistischen Akazien-Ameisen das abgeleitete Merkmal darstellt. Die Polygynie von P. peperi ermöglicht es der Art, eine langjährige Beziehung mit ihrer Wirtspflanze einzugehen. Diese Sozialstruktur scheint eine weiterführende Anpassung der Ameisenart an ihre Wirtspflanze zu sein.
In der vorliegenden Arbeit konnten physiologische, genetische sowie verhaltensbiologische Anpassungen mutualistischer Akazien-Ameisen an ihre Lebensweise identifiziert werden. Extreme Koloniegrößen mit hohen Individuenzahlen, welche ihre Wirtspflanze effektiv verteidigen, scheinen eine wichtige Anpassung von Akazien-Ameisen zu sein. Besonders polygyne Arten sind zu einem kontinuierlichen Koloniewachstum fähig. Durch einen hohen Verwandtschaftsgrad unter den Ameisen einer Akazie werden Konflikte reduziert und die Gesamtfitness der Individuen erhöht. Die Gene und daher das Verhalten der mutualistischen Ameisen wird somit an die nächste Generation weiter gegeben und ermöglicht ein Bestehen des Mutualismus in evolutionären Zeiträumen. Ameisen hingegen, die den Mutualismus parasitieren, sind nicht an die Wirtspflanze angepasst. Sie sind nicht von ihrer Wirtspflanze abhängig und reduzieren durch ihr Verhalten die Fitness der Pflanzen. Diese Parasiten können evolutionär nur bestehen, da sie mit den mutualistischen Arten coexistieren und letztere den Erhalt myrmekophytischer Eigenschaften der Wirtspflanzen gewährleisten.