In de blad-cutting mieren, presenteren wij een visuele ondersteuning om ziekte verdediging gedrag met afzonderlijke clips en de bijbehorende definities, geïllustreerd in een experimentele infectie scenario. Ons belangrijkste doel is om te helpen andere onderzoekers belangrijke defensief gedrag te herkennen en te zorgen voor een gemeenschappelijk begrip voor toekomstig onderzoek op dit gebied.
De complexe levensstijl, evolutionaire geschiedenis van geavanceerde samenwerking en ziekte verdedigingen van blad-cutting mieren zijn goed bestudeerd. Hoewel tal van studies de problemen in verband met de verdediging van de ziekte en de bijbehorende gebruik van chemicaliën en antimicrobiële stoffen beschreven hebben, heeft geen gemeenschappelijke visuele melding is gemaakt. Het belangrijkste doel van deze studie was het opnemen van korte clips van gedragingen die betrokken zijn bij de verdediging van de ziekte, zowel prophylactically als rechtstreeks gericht op een antagonist van de kolonie na infectie. Te doen zodat we een experiment van de infectie, met sub kolonies van de blad-cutting ant soorten Acromyrmex echinatior, en de belangrijkste bekende pathogene bedreiging voor de mieren schimmel gewas gebruikt (Leucoagaricus gongylophorus), een gespecialiseerde pathogene schimmels van het geslacht Escovopsis. We gefilmd en ten opzichte van besmette en niet-geïnfecteerde koloniën, in zowel vroege als meer gevorderde stadia van de infectie. We gekwantificeerde belangrijke defensief gedrag over behandelingen en laten zien dat de gedragsmatige reactie op pathogene aanval waarschijnlijk tussen verschillende kasten van Arbeider mieren, en tussen de vroege en late detectie van een bedreiging varieert. Gebaseerd op deze opnames we een bibliotheek gedrags clips hebben, vergezeld van de definities van de belangrijkste afzonderlijke defensief gedrag. We verwachten dat zulk een gids kan een gemeenschappelijk referentiekader voor andere onderzoekers die werken op dit gebied bieden, te herkennen en bestuderen van deze gedragingen, en ook meer mogelijkheden bieden voor het vergelijken van verschillende studies om te helpen uiteindelijk beter begrijpen van de rol deze problemen spelen in de verdediging van de ziekte.
Blad-cutting mieren zijn geavanceerde sociale insecten, vormen enkele van de meest complexe kolonies op aarde. Ze zijn een afgeleide tak van de schimmel groeiende mieren (stam Attini) bestaande uit de twee geslachten Acromyrmex pt Atta1. Ze kweken de schimmel gewas soorten Leucoagaricus gongylophorus (Basidiomycota: Agaricales), waarop zij vertrouwen als hun voornaamste voedsel bron2,3. De mieren leveren deze schimmel met verse blad materiaal voor de groei, en de schimmel produceert in ruil voedselrijke gezwollen hyphal tips (gongylidia) die door de mieren en hun brood worden verbruikt. Kolonies zijn ondergronds gebouwd, de schimmel gewas wordt gehandhaafd in externe tuinen4,5, en de mier boeren hun gewas monocultuur behoeden voor mogelijke ziekteverwekkers6,7,8 ,9,10,11,12. Kolonies verdelen arbeid tussen werknemers van verschillende grootte (kaste) en leeftijd13,14,15, die zich tot de verdediging van de mieren en gewas van ziekteverwekkers uitstrekt.
We kunnen verwachten dat de blad-cutting mier kolonies kwetsbaar voor ziekte zou moeten zijn. Groep levende verwachting om verspreiding van ziekten tussen verwante werknemers als gevolg van frequente interactie en dus gemakkelijker transmissie16. De mieren zijn vatbaar voor entomopathogene schimmels parasieten, zoals Metarhizium soorten en Beauveria bassiana6. Deze parasieten zijn generalisten en zijn vaak aanwezig in de grond dicht bij de nesten7,8. Landbouw van het gewas van de schimmel, zoals een monocultuur4,maakt5 het waarschijnlijk ook vatbaar voor ziekte17,18. Het kan worden besmet door schimmel parasieten generalist (met inbegrip van Aspergillus niger pt Trichoderma soorten3); echter, de belangrijkste bedreiging is een specialist necrotrophic schimmel in het geslacht Escovopsis (ascomyceten: Hypocreales)11. Door afscheiding van de mycolytic enzymen en andere verbindingen, Escovopsis doodt en voedingsstoffen verkrijgt van de schimmel gewas12, met mogelijk fatale gevolgen voor de mier kolonies11,19.
Ter bestrijding van de bedreigingen van de ziekte, hebben de mieren opmerkelijke verdediging op zowel individu als kolonie niveau, combineren biologische bestrijding, gedrags- en chemische verdediging te treden prophylactically en, wanneer nodig, in reactie op de infectie. Collectief, die afweer voorkomen of beperken van de gevolgen van infecties van zowel generalistische pathogenen en specialisten zoals Escovopsis. Ze betrekken in het algemeen het vermijden van de samentrekking van parasieten in de omgeving20, preventie van parasieten uit het invoeren van het nest en beperking van de verspreiding van de infectie binnen nesten. De eerste regels van defensie bevatten chemicaliën uit klierweefsel afscheidingen3,21,22,23,24,25,26, 27 desinfecteren plant substraten, door werknemers likken ze vóór opneming in de tuin van de schimmel, en mieren uitvoeren van zowel zelf- en allogrooming. Wanneer grooming zich, met name bij binnenkomst van het nest, kunnen werknemers zure fecale afscheidingen ook toepassen op hun lichaam27. Deze profylactische verdedigingen zijn aantoonbaar belangrijk te voorkomen dat infectie door pathogene bedreigingen6,7,8,9,10,11, 12.
Als eerste verdediging mislukken en een ziekteverwekker zoals Escovopsis slaagt in het invoeren van het nest en de tuin van de schimmel, en infectie in een vroeg stadium wordt ontdekt, de mieren gebruiken schimmel verzorgen te verwijderen sporen25,28. De mieren kunnen toepassen afscheidingen van de metapleural klieren of overbrengen van de sporen naar de infrabuccal zak (een mondholte), waar ze worden gemengd met een chemische cocktail met metapleural en labiaal klier afscheidingen26. Er zijn meer dan 20 bekende verbindingen in deze klieren, met inbegrip van de γ – keto-, carboxylic- en indoleactic zuren3. Deze zijn actief toegepaste25, hebben antibiotica, fungistatische en schimmeldodende eigenschappen29pt Escovopsis spore kiemkracht30kunnen remmen. Sporen in de zak infrabuccal opgeslagen zijn later verdreven buiten de kolonie31,32. De meeste van deze schimmel verzorgen na beginnende detectie wordt uitgevoerd door minderjarige werknemers28,33. Echter als een ziekteverwekker beheert om ontdekking te voorkomen en in de tuin van de schimmel verspreidt, zowel kleine en grote werknemers onkruid besmette onderdelen van de schimmel28, en dit verwijderd materiaal buiten het nest31wordt gestort. Bovendien, soort van het geslacht van de blad-cutting Acromyrmex gebruiken biologische bestrijding in de vorm van antibiotica geproduceerd door symbiotische Straalzwammen34,35,,36— bijgehouden op de mier cuticula37van overwegend jonge grote werknemers34,38,39,40— tot verbindingen produceren die voorkomen mycelial groei van Escovopsis dat 34 , 38 , 41. deze antibiotica productie kan op zijn beurt worden geschaad door Escovopsis-verbindingen tijdens een infectie19geproduceerd.
Figuur 1: Ant morfologische kenmerken. Een schematische tekening van een mier tonen de morfologische structuur vermeld in het protocol. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Blad-cutting ant verdediging vormen een geïntegreerde vergadering van gedrags- en chemische mechanismen die deze mieren collectief voorzien van zeer efficiënte bescherming tegen ziekte42. Inzicht in deze verdediging is van groot belang, en ze zijn uitgebreid onderzocht16,20,42,43,44. Een visuele compilatie van het defensief gedrag dat ondubbelzinnige definitie helpen zou en beschrijving van hen voor systematische gebruik door onderzoekers is echter, om onze kennis, niet beschikbaar. Hoewel de terminologie die wordt gebruikt om te beschrijven van ant gedrag is relatief gestandaardiseerd, is er dus geen zekerheid dat dezelfde gedrags feiten consequent in verschillende studies heten. Hier is ons belangrijkste doel is om dit te verhelpen door het verstrekken van duidelijkheid en normalisatie via een compilatie van video-opnamen van individuele profylactische en defensief gedrag, vergezeld van de bijbehorende definities. We deze clips gefilmd tijdens een gedrags-experiment, waarin we waargenomen en gekwantificeerd gedrag in de context van experimentele Escovopsis infecties van Acromyrmex echinatior sub kolonies, waarvan de resultaten ook we hier presenteren als een illustratief voorbeeld van hoe deze compilatie kan worden gebruikt voor behavioral studies.
De primaire doelstelling van deze studie was om te observeren en record defensief gedrag via karakteristiek blad-cutting-ant in aanwezigheid van schimmel-tuin infectie met Escovopsis, maken van referentie clips voor gebruik door de bredere wetenschappelijke gemeenschap. Opgemerkt moet worden dat deze gedragingen niet exclusief zijn tot verdediging van kolonies van Escovopsis, maar kan ook een rol spelen in de verdediging tegen andere verontreinigingen en infecties6,7,8,9 ,10,11,12, en in de verdediging van de mieren zelf42. Ons protocol biedt een achtergrond voor breder onderzoek op verdediging in groeiende schimmel mieren. Dit is waarschijnlijk vooral nuttig zijn: (i) voor jonge onderzoekers die niet vertrouwd met deze gedragingen; (ii) om te zorgen voor consistente definities voor en observaties van gedragingen; (iii) te vergemakkelijken van vergelijkingen over studies en ant soorten; (iv) omdat een aantal van deze gedragingen zo zelden voor dat zelfs ervaren komen kan kunnen onderzoekers nooit hebben waargenomen (iv) omdat inzicht en het herkennen van gedrag in gecontroleerde omstandigheden in de help van het laboratorium studies in situ waar de omstandigheden moeilijker zijn te controleren.
De resultaten van onze gedrags studie stroken met eerdere werk waaruit bleek dat minderjarige werknemers schimmel bruidegom — cruciaal als een infectie vroegtijdig wordt ontdekt — meer dan grote werknemers25,28,32. Hier, verhoogd grote werknemers de hoeveelheid schimmel verzorgen na Escovopsis infectie (Figuur 2een). Dit suggereert dat minderjarige werknemers zijn de overheersende schimmel trimmers, maar dat belangrijke werknemers kunnen helpen bij het voorkomen van de verspreiding van meer infecties vastgesteld. De grotere grote werknemers kunnen verwijderen sporen sneller, terwijl kleine werknemers meer geschikt voor het verwijderen van sporen minder toegankelijk zou kunnen worden. We vonden ook dat werknemers verwijderd sporen in ongeveer de helft van de besmette sub koloniën (vier van de negen) toen ze werden ingevoerd op het moment van infectie, en dus de pathogen vroege (Figuur 3c detecteren kon). Globaal, is deze verwijst naar een reeks van gedrags reacties waar de mieren eerst proberen om te stoppen Escovopsis infectie door het verwijderen van sporen (en doen dus voordat een infectie verspreidt), in plaats van het verwijderen van delen van de tuin van de schimmel (Figuur 3a, b. ). Dit verandert na verloop van tijd als de infectie vordert, wanneer mieren meer kans hebben om delen van de tuin van schimmel28. Hoewel onze omvang van de steekproeven te klein zijn om overtuigend, en we kunnen niet uitsluiten dat gelijktijdige infecties wieden gedrag geïnduceerde, ondersteunt onze gegevens deze trend, met schimmel wieden voornamelijk aanwezig in latere stadia van de infectie (Figuur 3 een). De over het algemeen lage niveaus van schimmel wieden zou kunnen suggereren dat de mieren andere verdedigingen (bijvoorbeeldchemische stoffen) gebruikt om verdere groei van Escovopsisremmen of dat geen van onze experimentele sub koloniën te zwaar waren besmet (het maken van de meer destructieve verdediging geen onnodige).
Onze bevindingen suggereren dat zelf verzorgen met fecale vloeistof is kenmerkend voor mieren invoeren van de tuin van de schimmel, en gebruikt als een preventieve maatregel, in plaats van wordt geassocieerd met een infectie. Soortgelijke opmerkingen in stichtster vrouwtjes die bruidegom zelf en fecale druppels met hun mond overbrengen in hun benen, bij het invoeren van het nest hebben voorgedaan of hanteren van het gewas-27. Een infectie zou in theorie vergroten de activiteit van de werknemers op de rand van de tuin van de schimmel, als het verwijderde besmette materiaal is uitgevoerd en in afval palen daalde Vandaar, fecale vloeistof grooming kan ook indirect verhogen tijdens de infectie te minimaliseren van de verspreiding van de ziekte. We zouden verwachten het tegenovergestelde patroon voor ernstige infecties, met verminderde beweging aan de rand van de tuin van de schimmel, als werknemers de schimmel verlaten of meer extreme zoals chemische defense maatregelen.
Terwijl fecale vloeistoffen als een belangrijke profylactische chemische voor een individu dienen kunnen, wordt allogrooming gebruikt door de nest-stuurlieden op andere werknemers als ze lichaamsvreemde deeltjes of microben detecteren. Het aanzienlijke verschil dat we waargenomen tussen de frequentie (tabel 1) van fecale vloeistof grooming (n = 304) en allogrooming (n = 48) kan wijzen op een verschil in pathogen detectie. Mieren zijn niet kundig voor speurder gemakkelijk ziekteverwekkers op zichzelf met hun antennes; allogrooming wordt aan de andere kant gedaan door de nest-mates, die kunnen het hele lichaam van een mier inspecteren en alleen kiezen voor een bruidegom indien nodig. Aangezien Escovopsis een parasiet van de schimmel tuin in plaats van de mieren, kan dit ook de lage hoeveelheid allogrooming verklaren.
We waargenomen zelden metapleural klier grooming, en alleen in de latere stadia van de infectie. Soorten schimmels groeiende mieren met overvloedige Pseudonocardia bacteriële cover bruidegom de klieren metapleural minder dan soorten met minder of geen betrekking heeft op25,47. Zoals A. echinatior een overvloed aan de symbiont47 heeft, kan dit verklaren de lage klier grooming frequentie. De secretie van de klier metapleural is ook duur om te produceren van30, en voor langere tijd, wat betekent dat de noodzaak voor het verzorgen van de klier metapleural zeldzaam kan worden binnen de infrabuccal zak kan worden opgeslagen. Tijdens metapleural klier verzorgen, de mieren gelijktijdig schakelen poten en likken van het been, dat had net verzorgd de klier; de sporen worden aldus overgedragen aan de infrabuccal-zak, waar klier afscheidingen zijn essentieel voor de remming van Escovopsis‘ potentieel voor verdere ontkieming25. Minderjarige werknemers zijn meer overvloedig in het nest en hebben groter metapleural klieren per eenheid lichaam massa30, suggereert dat zij verantwoordelijk zijn voor de meerderheid van de metapleural klier afscheidingen. Dit kan ook verklaren waarom, in onze studie, de hoogste frequentie van schimmel grooming behoorde minderjarige werknemers.
We moeten observeren behavior(s) geven actieve gebruik van de antibiotica van de bacteriële symbiont Pseudonocardia, vaak waargenomen op de epidermis van Acromyrmex werknemers en bekend dat een rol spelen in de verdediging tegen Escovopsis 36 , 39 , 40. de meest waarschijnlijke verklaring voor het niet naleven van dergelijk gedrag, is dat de toepassing van deze antibiotica kan worden opgenomen in andere gedragingen, zoals zichzelf verzorgen gevolgd door schimmel verzorgen en/of Wieden, waardoor het moeilijk te zien als een verschillende gedrag.
We hebben vastgesteld het ongebruikelijke gedrag van apen vloeibare druppeltjes op de tuin van de schimmel. Regurgitatie van voedsel voor nestmates is eerder beschreven in blad-cutting mieren22. In ons experiment verschilde druppels in kleur van transparant tot donkerbruin, suggereren ze kunnen worden een bron van voedsel voor andere mieren en/of water. Wij alleen waargenomen twee gelegenheden waar andere mieren dronken uit de druppels, dus we kunnen niet bepalen of de druppels andere mieren profiteren of dienen om te hydrateren van de schimmel, wanneer de luchtvochtigheid is laag. De meeste opmerkingen van dit probleem werden tijdens Escovopsis infecties, wat betekenen een defensieve rol, zoals immuun priming door regurgitatie van antimicrobiële peptiden16,48 dat zou. We kunnen niet stevige conclusies trekken over dit omdat dit probleem zeldzaam was, maar het zou een interessante lijn om nader te onderzoeken, bijvoorbeeld door te bepalen of druppels antimicrobiële eigenschappen hebben.
Gezien dat observationele studies van de complexe defensief gedrag van blad-cutter mieren, met inbegrip van een vergelijking met en zonder tuin schimmel infectie zou zeer moeilijk te maken in het veld, experimentele gegevens kunnen waardevolle inzichten in deze gedragingen onder meer gecontroleerde omstandigheden. Terwijl de opmerkingen onder laboratoriumomstandigheden van de gedragingen gevonden onder natuurlijke omstandigheden afwijken kunnen, zoals onze catalogus van belangrijke defensief gedrag instrumenten moeten worden ontwikkeld, te verbeteren zowel experimentele en veld studies in de toekomst. De experimentele aanpak kan echter gedeeltelijk verklaren waarom sommige gedragingen waren uiterst zeldzaam (BV, allogrooming, metapleural klier grooming) in onze demonstratie van het gebruik van deze gedrags definities. Toekomstige studies overwegen daarom de beperkingen van deze experimentele opstelling, op zoek naar manieren om meer natuurlijke opmerkingen te maken. Bijkomende factoren kunnen ook worden geïntegreerd in het huidige protocol, zoals het onderscheid te maken tussen Straalzwammen-uitvoering (jongere) werknemers en oudere werknemers met minder overvloedige cover, die anders op de dreiging van een Escovopsis reageren kunnen infectie. Er zijn afwegingen tussen opmerkingen nauwkeuriger maken (bijvoorbeeld door te scoren focal personen), of met sub kolonie groter (groter aantal werknemers) en de hoeveelheid tijd of aantal sub kolonies of individuen die gefilmd kan worden op een bepaalde Wijs in de tijd. Toch, terwijl de set-up kan worden uitgebreid voor grotere behavioral studies met een focus op het aanpakken van een gedrags doel, in dit geval we gericht op met succes de presentatie van een methode voor het registreren en het definiëren van specifieke defensief gedrag.
We beschreven gedragingen die tot de verdediging in de blad-cutting mieren bijdragen en meer aanzienlijk, hebben systematisch geïdentificeerd, beschreven en defensief gedrag op film vastgelegd. Onze representatieve resultaten versterken andere onderzoek op dit gebied voorstellen waarom het is moeilijk voor een ziekteverwekker om met succes het infecteren van schimmel-landbouw mier kolonies, wanneer geconfronteerd met een uitgebreide van defensief gedrag set en toepassing van antimicrobiële bijbehorende verbindingen. Ons belangrijkste doel was om een nieuw instrument bieden voor de toekomstige werkzaamheden op dit gebied, en we hopen dat de gedrags catalogus zal waardevol zijn voor het beveiligen van consensus en gestroomlijnde definities, waarnemingen en interpretaties van gedrag, om te dienen als een belangrijke hulpbron voor toekomstig onderzoek.
The authors have nothing to disclose.
We zouden graag bedanken lijn Vej Ugelvig en Kirsten Sheehy voor nuttige discussies over het verzorgen van de mechanismen van de antenne schoonmakers en filmen set-up. Michael Poulsen wordt ondersteund door een Villum Kann Rasmussen Young Investigator Fellowship (VKR10101) en Tabitha Innocentius door een Marie Curie individuele Europese fellowship (IEF verlenen 627949). Wij zouden ook willen bedanken de Smithsonian Tropical Research Institute voor het gebruik van faciliteiten en logistieke ondersteuning in Panama en de Autoridad Nacional del Ambiente voor toestemming voor het verzamelen en mieren exporteren naar Denemarken.
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 |