Division of labor in anti-parasite defense strategies in ant colonies Claudia Missoh To cite this version: Claudia Missoh. Division of labor in anti-parasite defense strategies in ant colonies. Ecology, envi- ronment. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI; Universität Regensburg, 2014. English. ￿NNT: 2014PA066450￿. ￿tel-01127578￿ HAL Id: tel-01127578 https://theses.hal.science/tel-01127578 Submitted on 7 Mar 2015 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Université Pierre et Marie Curie Graduate school: ED227 Sciences de la Nature et de l’Homme : évolution et écologie Research unit: Institut d'Écologie et des Sciences de l'Environnement Research team: Interactions Sociales dans l’Évolution Division of labor in anti-parasite defense strategies in ant colonies. Claudia Westhus PhD thesis in Ecology and Evolutionary Biology Directed by Claudie Doums (Directeur d’études EPHE) and Sylvia Cremer (Assistant Professor) Publicly presented and defended 17.12.2014 Jury members: BOULAY, Raphaёl Professor, Université François-Rabelais, Tours, France rapporteur BROWN, Mark JF Professor, Royal Holloway University of London, Egham, United examinator Kingdom CREMER, Sylvia Assistant Professor, Institute of Science and Technology Austria, thesis supervisor Kosterneuburg, Austria DOUMS, Claudie Directeur d’études EPHE, Muséum national d'Histoire naturelle, thesis supervisor Paris, France MAIBECHE-COISNÉ, Professor, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France president of the Martine jury MORET, Yannick Chargé de Recherche CNRS (HDR), Université de Bourgogne, rapporteur Dijon, France TABLE OF CONTENTS 1. ABSTRACT 3 2. RÉSUMÉ 5 3. INTRODUCTION 7 3.1 Disease resistance in social insects 7 3.1.1 Individual physiological immune defenses 8 3.1.2 Collective immune defenses 9 3.2 Division of labor in social insect colonies 11 3.3 Division of labor in disease resistance and causes of interindividual variability in the workforce 12 3.3.1 Genetic variability 14 3.3.2 Phenotypic variability 16 3.4 Aims of the thesis 20 3.5 The study systems 21 3.5.1 Platythyrea punctata 21 3.5.2 Cataglyphis velox 22 3.5.3 Metarhizium robertsii 24 4. CHAPTER 1: Increased grooming after repeated brood care provides sanitary benefits in a clonal ant. 26 5. CHAPTER 2: Necrophoresis is not everything: cadaver groomings and intranidal transports in the ant Cataglyphis velox. 37 1 6. CHAPTER 3: Are worker size and phenoloxidase activity of Cataglyphis velox workers genetically determined? 62 7. CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES 85 7.1 What are the benefits of interindividual variation in immune investment? 85 7.1.1 Behavioral performance of sanitary tasks 85 3.1.2 Physiological immune investment 87 7.2 Potential costs of interindividual variation 88 7.3 The modulation of sanitary division of labor and the costs and benefits of helping 89 7.4 Who is expected to invest more heavily into immune defense? 91 7.5 Nature versus nurture: phenotypic plasticity in immune defense mechanisms 92 7.6 When is experience-modulated behavioral plasticity expected to occur? 94 7.7 Empirical difficulties to analyze proximate mechanisms contributing to interindividual variation in immune defense 97 8. REFERENCES 100 9. ACKNOWLEDGMENTS 138 10. AFFIDAVIT 140 2 1. ABSTRACT Division of labor is a key characteristic of social insects and contributes to their ecological success. Especially in disease defense, the intra-colony partitioning of sanitary work can reduce disease transmission, keep nestmates available for other tasks and reduce costs associated with sanitary task performance (i.e. at the behavioral and physiological level). Factors internal and external to the individual affecting sanitary task allocation are not well known and most studies investigated genetic differences between workers performing behavioral sanitary work. In the first two studies I addressed whether individual experience (through repeated exposure to a sanitary hazard or performance of the task) can generate interindividual differences in the performance of behavioral sanitary tasks. Repeated parasite exposure is a common threat in colonies of social insects, posing selection pressures on colony members to respond with improved disease-defense performance. In the clonal ant Platythyrea punctata, I tested whether experience gained by repeated tending of low-level fungus-exposed (Metarhizium robertsii) larvae alters the performance of sanitary brood care. I found that ants trained both with sham- and fungus-treated larvae groomed the brood longer than naive ants. Increased grooming of fungus-treated larvae resulted in more effective fungal removal, thus making trained ants better caretakers under parasite attack of the colony. Decomposing cadavers pose a sanitary risk to social insect colonies, necessitating cadaver management. In the second study I investigated whether cadaver management (i.e. cadaver grooming and transports) is divided among workers and task allocation affected by recent individual experience or worker size in the polymorphic and polygynous ant Cataglyphis velox. Many individuals performed cadaver management infrequently and few individuals dominated task performance. Our results suggested low division of labor for cadaver grooming and transport and a reduced modulation of these behaviors by recurrent exposure to nestmate cadavers. Polyandry increases the diversity of group members and thereby favours division of labor within the colony. Colonies with increased genetic diversity can also be more resistant towards disease, but the mechanisms underlying increased disease resistance are not well understood. I analyzed in C. velox whether patriline differences among workers could affect their investment into the immune enzyme phenoloxidase. I did neither find heritability for this trait, nor for worker size. Environmental determination of variation in worker size could be advantageous with respect to division of labor, by permitting colonies to adapt worker size ratios to changing conditions if worker size predicts task performance. Environmental determination of the level of phenoloxidase might confer increased disease defense only to individuals performing the riskiest tasks within the colony and thereby limiting costs of immune investment at the colony level. My work suggests that individual experience may influence the performance of sanitary tasks and that tasks may vary in their degree of plasticity. It further demonstrates the importance of future research effort to understand the 3 underlying mechanisms of interindividual variability and the benefits and costs associated with increased nestmate diversity. Key words: ecological immunology, division of labor, phenotypic plasticity, experience, brood care, parasite exposure, cadaver management, phenoloxidase, polyandry, heritability, Platythyrea punctata, Metarhizium robertsii, Cataglyphis velox 4 2. RÉSUMÉ La division du travail est une caractéristique clé chez les insectes sociaux et contribue à leur succès écologique. En ce qui concerne les tâches sanitaires, la division du travail au sein d’une colonie peut permettre de réduire la transmission des maladies, de libérer certaines ouvrières pour d’autres tâches, permettant de diminuer les couts associés à l’exécution des tâches sanitaires (sur le plan comportementale et physiologique). Les facteurs externes et internes aux individus déterminant leur participation aux tâches sanitaires ne sont pas bien connus. La plupart des études portent sur l’importance des différences génétiques entre ouvrières. Dans les deux premières études, j’ai examiné le rôle de l’expérience des individus (par exposition répétée à des déchets sanitaires ou à l’exécution d’une tâche) sur la mise en place de différences interindividuelles dans l’exécution d’une tâche sanitaire comportementale. L’exposition à un parasite est une menace fréquente au sein de colonies d’insectes sociaux. En utilisant la fourmi clonale Platythyrea punctata, j’ai voulu savoir si une exposition répétée des individus à des larves portant une faible quantité de conidiospores du champignon Metarhizium robertsii affectait la performance des soins sanitaires portés au couvain. J’ai trouvé que la durée de nettoyage des larves était plus élevée chez des fourmis entrainées, aux larves exposées ou non exposées au champignon, que chez des fourmis inexpérimentées. Un temps de nettoyage plus élevé améliorait l’élimination des conidiospores. Ainsi les fourmis entrainées pourraient être plus efficaces pour éliminer les conidiospores lors d’une attaque parasitaire de la colonie. La décomposition des cadavres représente un risque sanitaire dans les colonies d’insectes sociaux, nécessitant une gestion de cadavres. Dans la deuxième étude, j’ai étudié la possibilité d’une division du travail dans la gestion des cadavres (c'est-à-dire le nettoyage et le transport) chez les ouvrières de la fourmi polygyne et polymorphe Cataglyphis velox. J’ai plus spécifiquement testé si la propensité d’accomplir ces tâches était en rapport avec une récente expérience individuelle ou avec la taille des ouvrières. Nos observations ont montré que la majorité des individus de la colonie n’effectuait que rarement des tâches de gestion de cadavres même si quelques individus pouvaient être impliqués plus fréquemment, au moins sur un laps de temps cours, dans l’exécution de ces tâches. Les résultats suggèrent une faible division du travail dans le nettoyage et le transport des cadavres et une faible modulation de ces tâches par l’exposition répétée des ouvrières à des cadavres. La polyandrie accroît la diversité entres les membres d’un groupe et par ce fait pourrait favoriser la division du travail au sein de la colonie. Les colonies ayant une plus grande diversité génétique pourraient être plus résistantes aux maladies, mais les mécanismes sous- jacents permettant une meilleure résistance aux maladies restent mal connus. J’ai analysé chez C. velox si les différences génétiques entre ouvrières appartenant à des lignées paternelles différentes avaient un effet sur le niveau de l’enzyme immunitaire phénoloxydase dans l’hémolymphe et sur la taille des ouvrières. Aucune héritabilité n’a pas pu être prouvée, ni 5 pour le niveau de l’enzyme phénoloxydase, ni pour la taille de ouvrières. Si des ouvrières de différentes tailles n’ont pas la même probabilité d’effectuer une tâche, l’effet de l’environnement sur la taille des ouvrières pourrait alors être avantageux pour la division du travail, en permettant aux colonies d’adapter la distribution de la taille de leurs ouvrières aux conditions environnementales fluctuantes. Un effet environnemental, en particulier de la taille, sur le niveau de la phénoloxydase pourrait contribuer à accroitre la défense aux maladies seulement chez les individus de la colonie effectuant les tâches les plus risquées; ce qui aurait pour conséquence de limiter l'investissement immunitaire au niveau de la colonie. Cette thèse suggère que l’expérience individuelle pourrait moduler la propensité à exécuter des tâches sanitaires, et que les tâches peuvent différer dans leur niveau de plasticité. Mon travail démontre l’importance de développer de futures recherches afin de pouvoir comprendre les mécanismes entraînant une variabilité interindividuelle et les bénéfices et coûts associés à une variabilité accrue des ouvrières. Mots-clés: immunologie écologique, division du travail, plasticité phénotypique, expérience, soin de couvée, exposition aux parasites, gestion des cadavres, phénoloxydase, polyandrie, héritabilité, Platythyrea punctata, Metarhizium robertsii, Cataglyphis velox 6 3. INTRODUCTION Studies on division of labor in parasite defense combine exciting issues: the variability among nestmates of social insects to invest into physiological and behavioral disease defense mechanisms, both at individual and collective level. Ongoing research investigates how variability in immune defense arises and is maintained within social groups. This thesis aimed to investigate whether individual experience and genetic background, both sources of interindividual variability, affect the investment into immune defense of individual ants. These aspects were investigated for behavioral and physiological defenses at the individual and collective level. The following introduction presents a short overview on immune defense and interindividual variability in social insects. 3.1 Disease resistance in social insects A major cost of social life is the increased threat imposed by macro- (e.g. helminth worms and arthropods) and microparasites (e.g. fungi, bacteria, viruses and some protozoa; Schmid- Hempel 1998; Tella 2002; Godfrey et al. 2006). Parasites can have various effects on their hosts, such as the suppression of the host’s immune system (Edlund et al. 1976; Dupas and Boscaro 1999; Richards and Parkinson 2000; Wang and St. Leger 2006) or the manipulation of host behavior to improve parasitic spread (reviewed in e.g. van Houte et al. 2013), thereby often leading to disease and death. There are numerous ways in which social insect workers (i.e. ants, termites, social bees and wasps) can get in contact with infective microorganisms, for instance in their nest material, through contact with nestmates (Rosengaus and Traniello 1997; Hughes et al. 2002; Cremer et al. 2007; Konrad et al. 2012) or by sharing the same foraging grounds with infectious individuals of the same or other species (Durrer and Schmid- Hempel 1994). A particularity of social insect colonies is that the transmission of infective agents is facilitated among a high density of locally confined, closely related and frequently interacting nestmates. Furthermore, colonies achieve homeostatic nest conditions (in temperature and humidity) and provide resources in form of brood or honey, which facilitate the establishment of parasites within them (Shykoff and Schmid-Hempel 1991; Rosengaus and Traniello 1997; Schmid-Hempel 1998; Cremer et al. 2007; Fefferman et al. 2007). In consequence of the increased selection pressure imposed by parasites, natural selection favored the evolution of sophisticated and collective defense strategies, which complement individual behavioral and physiological defense mechanisms (Schmid-Hempel 1998; Cremer et al. 2007; Evans and Spivak 2010). In social insects, selection acts both at the individual and at the collective level and affects traits which significantly influence colony phenotype and thereby colony fitness (Jeanson and Weidenmüller 2013). Understanding the kind of parasites which endanger social insect colonies and the evolution of natural defense mechanisms is of great importance for conservational, agricultural and economic reasons. Honeybees and bumblebees are important pollinators and their services 7