Collecte et entretien à long terme des fourmis coupeuses de feuilles (Atta) dans des conditions de laboratoire

Summary

Ici, un protocole est décrit pour collecter et maintenir avec succès des colonies de fourmis Atta (Hymenoptera: Formicidae) en bonne santé dans des conditions de laboratoire. De plus, différents types et configurations de nids sont détaillés ainsi que des procédures expérimentales possibles.

Abstract

Les fourmis sont l’un des groupes d’animaux les plus riches en biodiversité de la planète et habitent différents environnements. Le maintien des colonies de fourmis dans des environnements contrôlés permet une compréhension enrichie de leur biologie qui peut contribuer à la recherche appliquée. Cette pratique est généralement utilisée dans les études de contrôle des populations d’espèces qui causent des pertes économiques, telles que les fourmis atta . Pour cultiver leur champignon mutualiste, ces fourmis coupeuses de feuilles collectent des feuilles et sont considérées comme des ravageurs agricoles largement répandus sur tout le continent américain. Ils sont très organisés socialement et habitent des nids souterrains élaborés composés d’une variété de chambres. Leur maintien dans un environnement contrôlé dépend d’une routine quotidienne de plusieurs procédures et de soins fréquents qui sont décrits ici. Cela commence par la collecte des reines pendant la saison de reproduction (c’est-à-dire le vol nuptial), qui sont ensuite transférées individuellement dans des récipients en plastique. En raison du taux de mortalité élevé des reines, une deuxième collecte peut être effectuée environ 6 mois après le vol nuptial, lorsque des nids naissants avec une liasse de champignons développée sont excavés, cueillis à la main et placés dans des récipients en plastique. En laboratoire, les feuilles sont fournies quotidiennement aux colonies établies, et les déchets produits par les fourmis sont enlevés chaque semaine avec le matériel végétal sec restant. Au fur et à mesure que le jardin de champignons continue de croître, les colonies sont transférées dans différents types de conteneurs en fonction du but expérimental. Les colonies de fourmis coupeuses de feuilles sont placées dans des conteneurs interconnectés, représentant le système organisationnel avec des chambres fonctionnelles construites par ces insectes dans la nature. Cette configuration est idéale pour surveiller des facteurs tels que la quantité de déchets, la santé des champignons et le comportement des travailleurs et de la reine. La collecte de données facilitée et des observations plus détaillées sont considérées comme le plus grand avantage de maintenir les colonies de fourmis dans des conditions contrôlées.

Introduction

Les fourmis composent un groupe diversifié d’individus qui exercent une influence sur la plupart des environnements terrestres¹. Ils agissent comme des disperseurs efficaces ^2,3,4, prédateurs⁵ et ingénieurs écosystémiques 6,7,8,9,10^, soulignant leur importance et leur succès écologique sur les écosystèmes naturels. Toutes les espèces de fourmis sont classées comme insectes eusociaux; Cependant, leur organisation sociale varie considérablement entre les différents groupes d’espèces, c’est-à-dire les systèmes de division du travail, les groupes fonctionnels, la communication entre les individus, l’organisation du fourrage, la fondation des colonies et le processus^{de reproduction 11}. En tant que groupe très diversifié, ils ont recours à plusieurs ressources alimentaires et à des comportements alimentaires spécialisés. En fait, l’agriculture n’était pas seulement un grand pas pour la civilisation humaine, mais aussi pour les espèces de fourmis. Il y a environ 55 à 65 Ma¹², les fourmis attinées ont commencé à cultiver des champignons et à les incorporer dans un régime alimentaire presque exclusif. Ils sont devenus si spécialisés qu’ils ont développé des interactions strictes, dépendantes et obligatoires classées comme symbiose, où un individu ne survit pas sans l’autre.

Les fourmis productrices de champignons inférieurs collectent et traitent les matières organiques mortes, telles que les fragments de feuilles en décomposition, pour faire pousser leur champignon mutualiste; tandis que les fourmis productrices de champignons supérieurs récoltent du matériel végétal frais, composant l’un des systèmes naturels symbiotiques les plus réussis¹³. Cette technique agricole hautement spécialisée leur a permis de s’emparer d’un nouveau créneau. Les fourmis attinées supérieures comprennent les fourmis coupeuses de feuilles, un groupe monophylétique qui suscite entre 19 Ma (15-24 Ma) et 18 Ma (14-22 Ma)^14,15,16 composé de quatre genres valides: Atta Fabricius, Acromyrmex Mayr^, Amoimyrmex Cristiano et Pseudoatta Gallardo. Le système agricole coupeur de feuilles réalisé par les fourmis coupeuses de feuilles a évolué à partir de systèmes agricoles dérivés¹⁷. La plupart de ces espèces exploitent exclusivement l’espèce de champignon mutualiste Leucoagaricus gongylophorus Singer 18 (également appelé Leucocoprinus gongylophorus Heim¹⁹), marquant une transition évolutive significative ¹¹. Les cultivars fongiques sont transmis verticalement, des nids originaux aux descendants, ce qui suggère qu’ils sont multipliés clonalement²⁰.

Remarquablement, les sociétés Atta ont développé une structure organisationnelle complexe d’une importance énorme dans leur environnement et d’un grand intérêt pour les myrmécologues. Leur population peut être composée de millions d’individus, la plupart d’entre eux des ouvrières stériles qui présentent un polymorphisme accentué, c’est-à-dire une taille et une morphologie anatomique distinctes. La population se distingue par castes selon l’âge, l’état physiologique, le type morphologique, les comportements et les activités spécialisées dans la colonie²¹. Les travailleurs peuvent être discriminés en jardiniers et infirmières, généralistes à l’intérieur du nid, butineurs et excavateurs, défenseurs ou soldats²¹. Cette organisation permet l’exécution de tâches en coopération et un système auto-organisé qui peut produire des comportements collectifs très structurés, leur permettant de répondre efficacement aux perturbations environnementales²².

Le rôle de renouvellement de la population est joué par une seule reine (c’est-à-dire monogyne), aussi longtemps qu’elle vit, constituant la caste reproductrice permanente²². Les reines Atta sont connues pour vivre plus de 20 ans, pondant des œufs tout au long de leur vie²³. Comme la reine est irremplaçable, son endurance est cruciale pour la survie de la colonie ^13,20,23,24. Pourtant, des milliers de femelles et de mâles reproducteurs ailés peuvent être trouvés dans le nid pendant les saisons de reproduction, mais aucun ne reste dans le nid d’origine, formant une caste temporaire²². Dans les colonies d’Atta sexdens, près de 3 000 femelles reproductrices et 14 000 mâles reproducteurs sont produits^{, 25}. Il se produit lorsqu’une colonie atteint la maturité sexuelle, environ 38 mois après sa mise en œuvre, et est répété chaque année depuis jusqu’à ce qu’il soit éteint^23,25. De nouvelles colonies d’Atta sont établies par l’haplométrose, où une reine commence un nouveau nid.

Lorsque les conditions environnementales sont favorables, les reproducteurs quittent le nid souterrain pour commencer le vol nuptial. La période de son apparition diffère selon les régions, allant tout au long de l’année sur tout le territoire brésilien en fonction de l’espèce. Cependant, l’événement semble être précédé par les précipitations et l’élévation de l’humidité²⁶, ce qui peut être lié à la facilitation de l’excavation due à l’humidité du sol²². Fréquemment, 1 à 5 semaines avant le vol nuptial, les entrées et les canaux du nid sont élargis pour faciliter le départ des individus reproducteurs. Avant de quitter leurs colonies mères, les femelles ailées recueillent et stockent, dans une cavité infrabuccale, une partie du champignon mutualiste^20,27. De multiples copulations sont effectuées en plein vol, et on calcule qu’une reine peut être inséminée par trois à huit mâles (c.-à-d. polyandrie) chez certaines espèces²⁸, assurant la variabilité génétique²⁹. Ensuite, les reines se dirigent vers le sol, privilégiant les endroits où il n’y a pas ou peu de végétation²⁵, où elles enlèvent leurs ailes et creusent leur première chambre de nidification. C’est la seule période où les reines peuvent être vues à l’extérieur du nid. Bien que des individus de la caste temporaire aient été observés dans des nids artificiels, on ne sait pas si une copulation réussie (c.-à-d. vol nuptial) a été effectuée dans des conditions de laboratoire²⁴.

La construction initiale du nid correspond à la période la plus cruciale de la colonie, qui peut durer de 6 h à 8 h^23,25. À ce moment, la reine cloître elle-même dans la chambre initiale et, en quelques jours, la ponte commence. Les premiers œufs sont donnés au mycélien que la reine régurgite, marquant le début du jardin de champignons de la colonie. Les premières larves apparaissent dans environ 25 jours²², et presque à la fin du premier mois, la colonie se compose d’un tapis de champignons proliférants, où les immatures (œufs, larves et nymphes) sont nichés, et la reine, qui élève sa progéniture initiale dans l’isolement²³. Les œufs sont également la ressource alimentaire des premières larves et sont très consommés par la reine¹³. De plus, la reine se nourrit de réserves graisseuses et de muscles de l’aile catabolisant qui ne sont plus utiles¹³. La culture initiale du champignon n’est pas consommée car la survie de la colonie dépend de son développement, et pendant cette période, la reine la fertilise avec du liquide fécal¹³. Quelques jours après l’émergence, les premiers ouvrières ouvrent l’entrée du nid et commencent une activité de recherche de nourriture dans les environs immédiats du nid¹³. Ils incorporent le matériel recueilli comme substrat du jardin de champignons, qui sert maintenant de nourriture aux travailleurs^13,22. Avant d’être ajouté à la culture de champignons, le matériel végétal transporté par les travailleurs est coupé en petits morceaux et humidifié avec du liquide fécal¹³. Les fourmis manipulent l’inoculum du champignon pour augmenter et contrôler sa croissance, qui servira à cloisonner les grandes chambres creusées en terre, spécialisées dans le conditionnement du jardin 13,22,25.

Environ 6 mois après le vol nuptial, les nids d’A. sexdens contiennent une chambre fongique et quelques canaux. La grande spécialisation dans la construction de nids de fourmis coupant les feuilles fonctionne comme un mécanisme de défense contre les ennemis naturels et les facteurs environnementaux défavorables²². Les fourmis coupeuses de feuilles sont connues pour fragmenter le jardin de champignons et le transposer dans des chambres très humides lorsque les chambres commencent à sécher¹³. Ainsi, bien que l’excavation du nid ait un coût énergétique considérable, l’énergie investie est inversée en bénéfices pour la colonie^elle-même22. À quelques exceptions près, les espèces d’Atta fabriquent également des chambres spécialisées pour les déchets de la colonie, constituées principalement de substrat de champignons appauvri et de corps de fourmis mortes, les isolant du reste du nid et établissant une importante stratégie d’immunité sociale³⁰. De plus, un groupe distinct de travailleurs manipule directement les ordures pour éviter la contamination d’autres personnes. Les ouvrières cherchent constamment à nourrir le champignon, qui est la principale ressource nutritionnelle de la colonie. Cependant, ils peuvent également se nourrir de la sève des plantes tout en coupant des fragments. Le matériel végétal est soigneusement sélectionné pour l’entretien du jardin de champignons et influencé par de nombreux facteurs tels que les caractéristiques des feuilles et les propriétés de l’écosystème¹³.

La stratégie de recherche de nourriture des fourmis coupeuses de feuilles pour obtenir du matériel frais est très complexe et, combinée à la forte demande de récolte des colonies établies, entraîne des pertes économiques considérables pour les producteurs agricoles et met en péril les zones de restauration forestière^22,31. Par conséquent, ces fourmis peuvent être classées comme nuisibles dans la plupart des régions où elles peuvent être rencontrées, allant du sud des États-Unis au nord-est de l’Argentine 11,13,22,32. L’extinction des colonies problématiques est difficile en raison de la série d’adaptations inhérentes à la biologie de ces insectes (c.-à-d. organisation sociale, recherche de nourriture, culture de champignons, hygiène et structures de nidification complexes)³³. Par conséquent, les stratégies de contrôle de la population sont distinctes de celles généralement appliquées à d’autres insectes nuisibles et ont principalement recours à des appâts contaminés attrayants^33,34. Cependant, comme ces fourmis peuvent rejeter des substances nocives pour le champignon et les individus de la colonie, et compromettre les champs cultivés 33, de nouveaux composés naturels et des alternatives de contrôle sont constamment testés^33,35,36. Comme les résultats des expériences peuvent difficilement être surveillés sur des colonies testées sur le terrain, les essais préliminaires sont menés dans un environnement contrôlé.

Ainsi, les protocoles expérimentaux doivent être adaptés aux groupes d’intérêt en tenant compte du mode de vie hétérogène des fourmis, en soutenant les études au niveau de l’espèce et en tenant compte des colonies en tant qu’unités opérationnelles, où une fourmi est un élément d’un superorganisme complexe¹¹. Les rapports recueillis jusqu’à présent concernant le genre Atta ont permis de collecter et de maintenir avec succès des colonies dans des conditions de laboratoire et de reconnaître leurs besoins fondamentaux et leur fonctionnement général. Sur la base de leurs processus naturels tels que la reproduction, la fondation de colonies et les comportements alimentaires, une routine de pratiques a été développée qui permet l’établissement à long terme de colonies dans différents types de nids. Ici, un protocole procédural pour maintenir les fourmis coupeuses de feuilles dans le laboratoire est décrit et met en évidence les recherches générales possibles avec des objectifs d’expérimentation et de vulgarisation scientifique distincts.

Protocol

1. Collection de reines Recherche dans la littérature pour la période de la saison de reproduction d’Atta dans la région d’intérêt. L’occurrence de la saison de reproduction, la fréquence et la durée diurne des vols nuptiaux varient selon les conditions climatiques régionales (tableau 1). Bien qu’elle ait généralement lieu au printemps, cette information doit être recueillie pour l’endroit où la collecte est prévue 37,38,39,40,41,42,43,44,45,46.<…

Representative Results

Un organigramme illustrant le processus de collecte des fourmis est illustré à la figure 6. Ici, certains résultats obtenus en utilisant le protocole de collecte, d’entretien et de configuration des nids décrit ci-dessus sont présentés. Figure 6 : Organigramme pour la collecte des colonies de…

Discussion

Le protocole décrit ici pour maintenir les colonies de fourmis coupeuses de feuilles a été développé et appliqué pendant plus de trois décennies de manière affirmée et reproductible. Il a permis le développement de recherches qui seraient limitées par les conditions sur le terrain. Ainsi, des fourmis et des colonies saines sont devenues disponibles pour la recherche dans plusieurs domaines tels que la morphologie comparative, la toxicologie 51,52, l’histologie⁵³ et la microbiologie<su…

Materials

Entomologic forceps	N/A	N/A	N/A
Glass tank	N/A	N/A	Tempered glass, custom made
Hose	N/A	N/A	Transparent, PVC 1/2 Inch x 2,0 mm
Latex gloves	Descarpack	550301	N/A
Nitrile gloves	Descarpack	433301	N/A
Open arena	N/A	N/A	Polypropylene crate
Plaster pouder	N/A	N/A	Plaster pouder used in construction, must be absorbant
Plastic Containers for collection	Prafesta	Natural Cód.: 8231/Natural Cód.: 8262	Lidded, transparent , polypropylene
Plastic containers for nests	Prafesta	Discontinued	Polystyrene, hermetic
Teflon	Dupont	N/A	Polytetrafluoroethylene liquid (PTFE Dispertion 30)