Sammlung und Langzeitpflege von Blattschneiderameisen (Atta) unter Laborbedingungen

Summary

Hier wird ein Protokoll beschrieben, um gesunde Atta-Ameisenkolonien (Hymenoptera: Formicidae) unter Laborbedingungen erfolgreich zu sammeln und zu erhalten. Darüber hinaus werden verschiedene Nesttypen und -konfigurationen sowie mögliche experimentelle Verfahren beschrieben.

Abstract

Ameisen sind eine der artenreichsten Tiergruppen auf dem Planeten und bewohnen verschiedene Umgebungen. Die Erhaltung von Ameisenkolonien in kontrollierten Umgebungen ermöglicht ein erweitertes Verständnis ihrer Biologie, das zur angewandten Forschung beitragen kann. Diese Praxis wird in der Regel in Populationskontrollstudien von Arten angewendet, die wirtschaftliche Verluste verursachen, wie z. B. Atta-Ameisen. Um ihren mutualistischen Pilz zu kultivieren, sammeln diese Blattschneiderameisen Blätter und gelten daher als landwirtschaftliche Schädlinge, die auf dem gesamten amerikanischen Kontinent weit verbreitet sind. Sie sind sozial hoch organisiert und bewohnen ausgeklügelte unterirdische Nester, die aus einer Vielzahl von Kammern bestehen. Ihre Aufrechterhaltung in einer kontrollierten Umgebung hängt von einer täglichen Routine mit mehreren Verfahren und häufiger Pflege ab, die hier beschrieben werden. Es beginnt mit dem Sammeln von Königinnen während der Fortpflanzungszeit (d.h. Hochzeitsflug), die dann einzeln in Plastikbehälter umgefüllt werden. Aufgrund der hohen Sterblichkeitsrate von Königinnen kann eine zweite Sammlung etwa 6 Monate nach dem Hochzeitsflug durchgeführt werden, wenn beginnende Nester mit entwickeltem Pilz ausgehoben, von Hand gepflückt und in Plastikbehälter gelegt werden. Im Labor werden täglich Blätter an etablierte Kolonien geliefert, und ameisenproduzierte Abfälle werden wöchentlich zusammen mit restlichem trockenem Pflanzenmaterial entfernt. Da der Pilzgarten weiter wächst, werden die Kolonien je nach Versuchszweck in verschiedene Arten von Behältern überführt. Blattschneiderameisenkolonien werden in miteinander verbundenen Behältern platziert, die das Organisationssystem mit funktionalen Kammern darstellen, die von diesen Insekten in der Natur gebaut wurden. Dieses Setup ist ideal, um Faktoren wie Abfallmenge, Pilzgartengesundheit und das Verhalten von Arbeitern und Königinnen zu überwachen. Eine erleichterte Datenerfassung und detailliertere Beobachtungen gelten als der größte Vorteil der Haltung von Ameisenkolonien unter kontrollierten Bedingungen.

Introduction

Ameisen bilden eine vielfältige Gruppe von Individuen, die einen Einfluss auf die meisten terrestrischen Umgebungen ausüben¹. Sie fungieren als effiziente Ausbreiter ^2,3,4, Räuber⁵ und Ökosystemingenieure 6,7,8,9,10^, was ihre Bedeutung und ihren ökologischen Erfolg für natürliche Ökosysteme unterstreicht. Alle Ameisenarten werden als eusoziale Insekten klassifiziert; Ihre soziale Organisation variiert jedoch stark zwischen verschiedenen Artengruppen, d.h. Arbeitsteilungssysteme, funktionelle Gruppen, Kommunikation zwischen Individuen, Futterorganisation, Koloniegründung und Fortpflanzungsprozess¹¹. Als stark diversifizierte Gruppe greifen sie auf verschiedene Nahrungsressourcen und spezialisiertes Fressverhalten zurück. In der Tat war die Landwirtschaft nicht nur ein großer Schritt für die menschliche Zivilisation, sondern auch für Ameisenarten. Vor etwa 55 bis 65^{Millionen Jahren begannen} Ameisen, Pilze zu kultivieren und in eine fast ausschließliche Ernährung einzubauen. Sie spezialisierten sich so sehr, dass sie strenge, abhängige und obligatorische Interaktionen entwickelten, die als Symbiose klassifiziert wurden, bei denen ein Individuum ohne das andere nicht überlebt.

Ameisen mit niedrigerem Pilzwachstum sammeln und verarbeiten totes organisches Material, wie z. B. Fragmente von verrottenden Blättern, um ihren mutualistischen Pilz zu züchten. während höhere pilzwachsende Ameisen frisches Pflanzenmaterial ernten und damit eines der erfolgreichsten symbiotischen natürlichen Systeme bilden¹³. Diese hochspezialisierte Landwirtschaftstechnik ermöglichte es ihnen, eine neue Nische zu erobern. Die höheren Attinenameisen umfassen die Blattschneiderameisen, eine monophyletische Gruppe, die zwischen 19 Ma (15-24 Ma) und 18 Ma (14-22 Ma)^14,15,16 erwächst und aus vier gültigen Gattungen besteht: Atta Fabricius, Acromyrmex Mayr^, Amoimyrmex Cristiano und Pseudoatta Gallardo. Das Blattschneider-Landwirtschaftssystem, das von den Blattschneiderameisen durchgeführt wurde, entwickelte sich aus abgeleiteten landwirtschaftlichen Systemen¹⁷. Die meisten dieser Arten nutzen ausschließlich die mutualistische Pilzart Leucoagaricus gongylophorus Singer 18 (auch Leucocoprinus gongylophorus Heim 19 genannt), was einen signifikanten evolutionären Übergang markiert ¹¹. Die Pilzsorten werden vertikal übertragen, von den ursprünglichen Nestern auf die Nachkommen, was darauf hindeutet, dass sie klonal vermehrt werden²⁰.

Bemerkenswert ist, dass die Atta-Gesellschaften eine komplexe Organisationsstruktur entwickelten, die in ihrer Umgebung von enormer Bedeutung war und für Myrmekologen von großem Interesse war. Ihre Population kann sich aus Millionen von Individuen zusammensetzen, von denen die meisten sterile Arbeiterinnen sind, die einen akzentuierten Polymorphismus aufweisen, d.h. eine ausgeprägte Größe und anatomische Morphologie. Die Bevölkerung unterscheidet sich nach Alter, physiologischem Zustand, morphologischem Typ, Verhaltensweisen und spezialisierten Aktivitäten in der Kolonie²¹. Arbeiter können in Gärtner und Krankenschwestern, Nestgeneralisten, Sammler und Bagger sowie Verteidiger oder Soldaten unterschieden werden²¹. Diese Organisation ermöglicht die Durchführung von Aufgaben in Kooperation und ein selbstorganisierendes System, das hochgradig strukturierte kollektive Verhaltensweisen erzeugen kann, die es ihnen ermöglichen, effizient auf Umweltstörungen zu reagieren²².

Die Rolle der Bevölkerungserneuerung wird von einer einzigen Königin (d.h. monogyn) gespielt, solange sie lebt, die die permanente reproduktive Kaste²² bildet. Es ist bekannt, dass Atta-Königinnen mehr als 20 Jahre alt werden und während ihrer gesamten Lebensdauer Eier legen²³. Da die Königin unersetzlich ist, ist ihre Ausdauer entscheidend für das Überleben der Kolonie ^13,20,23,24. Dennoch können Tausende von geflügelten reproduktiven Weibchen und Männchen während der Brutzeit im Nest gefunden werden, aber keines bleibt im ursprünglichen Nest und bildet eine temporäre Kaste²². In Atta sexdens Kolonien werden fast 3.000 reproduktive Weibchen und 14.000 reproduktive Männchen produziert²⁵. Es tritt auf, wenn eine Kolonie die Geschlechtsreife erreicht, etwa 38 Monate nach ihrer Implementierung, und wird seitdem jährlich wiederholt, bis sie^{ausgelöscht ist 23,25}. Neue Atta-Kolonien werden durch Haplometrosis gegründet, bei der eine Königin ein neues Nest beginnt.

Wenn die Umweltbedingungen günstig sind, verlassen die Fortpflanzer das unterirdische Nest, um den Hochzeitsflug zu beginnen. Der Zeitraum seines Auftretens unterscheidet sich je nach Region und variiert je nach Art im Laufe des Jahres im gesamten brasilianischen Hoheitsgebiet. Dem Ereignis scheinen jedoch Regenfälle und eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit²⁶ vorausgegangen zu sein, was mit der Erleichterung der Ausgrabung aufgrund der Bodenfeuchtigkeit²² zusammenhängen kann. Häufig werden 1-5 Wochen vor dem Hochzeitsflug die Nesteingänge und -kanäle verbreitert, um den fortpflanzungsfähigen Individuen die Abreise zu erleichtern. Bevor sie ihre Mutterkolonien verlassen, sammeln und lagern die geflügelten Weibchen in einer infrabukkalen Höhle einen Teil des mutualistischen Pilzes^20,27. Während des Fluges werden mehrere Kopulation durchgeführt, und es wird berechnet, dass eine Königin bei einigen Arten von drei bis acht Männchen befruchtet werden kann (d. h. Polyandrie)²⁸, wodurch die genetische Variabilität²⁹ sichergestellt wird. Danach begeben sich die Königinnen auf den Boden und bevorzugen Standorte mit keiner oder nur geringer Vegetation²⁵, wo sie ihre Flügel entfernen und ihre erste Nistkammer ausheben. Dies ist die einzige Zeit, in der Königinnen außerhalb des Nestes zu sehen sind. Obwohl Individuen der temporären Kaste in künstlichen Nestern gesehen wurden, ist nicht bekannt, ob eine erfolgreiche Kopulation (d.h. Hochzeitsflug) unter Laborbedingungen durchgeführt wurde²⁴.

Der anfängliche Nestbau entspricht der wichtigsten Periode der Kolonie, die von 6 h bis 8 h^23,25 dauern kann. In diesem Moment zieht sich die Königin in die erste Kammer zurück, und in wenigen Tagen beginnt die Eiablage. Die ersten Eier werden an das Myzel verfüttert, das die Königin würgt, was den Beginn des Pilzgartens der Kolonie markiert. Die ersten Larven erscheinen in etwa 25 Tagen²², und fast am Ende des ersten Monats besteht die Kolonie aus einer Matte aus wucherndem Pilz, in der Unreife (Eier, Larven und Puppen) nistet sind, und der Königin, die ihre ersten Nachkommen in Isolation aufzieht²³. Eier sind auch die Nahrungsquelle der ersten Larven und werden von der Königin¹³ stark konsumiert. Zusätzlich versorgt sich die Königin mit Fettreserven und katabolisierenden Flügelmuskeln, die nicht mehr von Nutzen sind¹³. Die anfängliche Pilzkultur wird nicht konsumiert, da das Überleben der Kolonie von ihrer Entwicklung abhängt, und während dieser Zeit befruchtet die Königin sie mit Fäkalflüssigkeit¹³. Tage nach dem Schlüpfen öffnen die ersten Arbeiterinnen den Nesteingang und beginnen mit der Nahrungssuche im unmittelbaren Bereich des Nestes¹³. Sie enthalten das gesammelte Material als Substrat des Pilzgartens, der nun als Nahrung für die Arbeiter dient^13,22. Vor der Zugabe in die Pilzkultur wird das von den Arbeiterinnen mitgeführte Pflanzenmaterial in winzige Stücke geschnitten und mit Fäkalflüssigkeit^{befeuchtet 13}. Die Ameisen manipulieren Pilzinokulum, um sein Wachstum zu erhöhen und zu kontrollieren, was zur Partitionierung großer Bodengrubenkammern dient, die auf die Konditionierung des Gartens spezialisiert sind 13,22,25.

Etwa 6 Monate nach dem Hochzeitsflug enthalten A. sexdens Nester eine Pilzkammer und einige Kanäle. Die große Spezialisierung auf den Bau von Blattschneiderameisennestern wirkt als Abwehrmechanismus gegen natürliche Feinde und ungünstige Umweltfaktoren²². Es ist bekannt, dass Blattschneiderameisen den Pilzgarten fragmentieren und in Kammern mit hoher Luftfeuchtigkeit überführen, wenn die Kammern auszutrocknen^{beginnen 13}. Obwohl der Aushub des Nestes erhebliche Energiekosten verursacht, kehrt sich die investierte Energie in Vorteile für die Kolonie selbst^{um 22}. Mit wenigen Ausnahmen stellen die Atta-Arten auch spezielle Kammern für die Abfälle der Kolonie her, die hauptsächlich aus abgereichertem Pilzsubstrat und Körpern toter Ameisen bestehen, sie vom Rest des Nestes isolieren und eine wichtige Strategie der sozialen Immunität etablieren³⁰. Darüber hinaus manipuliert eine bestimmte Gruppe von Arbeitern den Müll direkt, um eine Kontamination anderer Personen zu vermeiden. Arbeiter suchen ständig nach Futter, um den Pilz zu nähren, der die Hauptnahrungsquelle der Kolonie ist. Sie können sich jedoch auch von Pflanzensaft ernähren, während sie Fragmente schneiden. Das Pflanzenmaterial wird sorgfältig für die Pflege des Pilzgartens ausgewählt und von vielen Faktoren wie Blattmerkmalen und Eigenschaften des Ökosystems beeinflusst¹³.

Die Futtersuchstrategie der Blattschneiderameisen zur Gewinnung von frischem Material ist sehr komplex und führt in Verbindung mit dem hohen Erntebedarf der etablierten Völker zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten für die landwirtschaftlichen Erzeuger und gefährdet die Wiederaufforstungsgebiete^22,31. Daher können diese Ameisen in den meisten Gebieten, in denen sie anzutreffen sind, als Schädlinge eingestuft werden, von den südlichen Vereinigten Staaten bis zum Nordosten Argentiniens 11,13,22,32. Das Auslöschen problematischer Kolonien ist aufgrund der Reihe von Anpassungen, die der Biologie dieser Insekten innewohnen (d.h. soziale Organisation, Nahrungssuche, Pilzzucht, Hygiene und komplexe Neststrukturen), eine ^{Herausforderung.33}. Daher unterscheiden sich die Populationskontrollstrategien von denen, die im Allgemeinen auf andere Schadinsekten angewendet werden, und greifen hauptsächlich auf attraktive kontaminierte Köderangebote^{zurück 33,34}. Da diese Ameisen jedoch sowohl für den Pilz als auch für die Kolonieindividuen schädliche Substanzen abstoßen und bewirtschaftete Felder gefährden können 33, werden ständig neue natürliche Verbindungen und Alternativen der Bekämpfung getestet^33,35,36. Da die Versuchsergebnisse an felderprobten Kolonien kaum überwacht werden können, werden vorläufige Aufsätze in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt.

Daher müssen experimentelle Protokolle an Interessengruppen angepasst werden, die den heterogenen Lebensstil von Ameisen berücksichtigen, Studien auf Artebene unterstützen und Kolonien als operative Einheiten berücksichtigen, bei denen eine Ameise ein Element eines komplexen Superorganismus ist¹¹. Die bisher gesammelten Berichte über die Atta-Gattung machten es möglich, Kolonien unter Laborbedingungen erfolgreich zu sammeln und zu pflegen und ihre Grundbedürfnisse und ihre allgemeine Funktionsfähigkeit zu berücksichtigen. Basierend auf ihren natürlichen Prozessen wie Fortpflanzung, Koloniegründung und Fressverhalten wurde eine Routine von Praktiken entwickelt, die die langfristige Etablierung von Kolonien in verschiedenen Nesttypen ermöglicht. Hier wird ein Verfahrensprotokoll zur Haltung von Blattschneiderameisen im Labor beschrieben und beleuchtet mögliche allgemeine Forschung mit unterschiedlichen Experimentierzwecken und wissenschaftlicher Reichweite.

Protocol

1. Sammlung von Königinnen Suchen Sie in der Literatur nach dem Zeitraum der Atta-Fortpflanzungssaison in der interessierenden Region. Das Auftreten der Fortpflanzungszeit, die Häufigkeit und die Tageszeit der Hochzeitsflüge variieren je nach regionalen Klimabedingungen (Tabelle 1). Obwohl sie in der Regel im Frühjahr stattfindet, müssen diese Informationen für den Ort gesammelt werden, an dem die Sammlung stattfinden soll 37,38,39,40,41,42,43,44,45,46.<sup class…

Representative Results

Ein Flussdiagramm, das den Prozess der Ameisensammlung darstellt, ist in Abbildung 6 dargestellt. Hier werden einige Ergebnisse gezeigt, die unter Verwendung des oben beschriebenen Protokolls der Sammlung, Wartung und Verschachtelung erzielt wurden. Abbildung 6: Flussdiagramm für die Sammlung der Ko…

Discussion

Das hier beschriebene Protokoll zur Erhaltung von Blattschneiderameisenkolonien wird seit über drei Jahrzehnten entwickelt und auf durchsetzungsfähige und reproduzierbare Weise angewendet. Es ermöglichte die Entwicklung von Forschungen, die durch die Feldbedingungen begrenzt waren. Dadurch wurden gesunde Ameisen und Kolonien für die Forschung in verschiedenen Bereichen wie vergleichende Morphologie, Toxikologie 51,52, Histologie⁵³ und Mikrobiologie^54,55,56<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)