Ameisen-Krieg und -Frieden: DNA, RNA und Kohlenwasserstoffe

Der ökologische Erfolg von Ameisen basiert auf der Zusammenarbeit innerhalb ihrer Kolonien. Die starke Variation der Koloniestruktur verstärkt diesen Erfolg weiter. Am einen Ende stehen Kolonien mit einer Königin (Monogynie) und Aggression zwischen Kolonien, am anderen Ende Superkolonien viele Nester mit vielen Königinnen sind über große Flächen integriert und Individuen verschiedener Nester verhalten sich friedlich zueinander. Superkolonialität hat nicht zuletzt wegen des verheerenden Erfolgs mancher invasiver Ameisenarten traurigen Ruhm erlangt. Durch Evolutionstheorien, die den Verwandtschaftsgrad einbeziehen, sind Superkolonien nur schwer erklärbar. Das Projektziel ist, in drei Forschungsansätzen Mechanismen zu identifizieren, die möglicherweise für den Verzicht auf Aggression bei Ameisen relevant sind. Wir werden dazu die sozial- und verhaltensbiologisch polymorphe Art Tetramorium alpestre aus ihrem nativen Verbreitungsgebiet verwenden. Die für diese Art verfügbaren Resourcen beinhalten das sequenzierte und annotierte Genom und Transkriptom und die Charakterisierung des Duftbouquets, welches Ameisen zur Unterscheidung zwischen Nest- und Nicht-Nestgenossen verwenden. Wir werden monogyn- aggressive, monogyn-aggressionslose, und superkoloniale Nester vergleichen, um verschiedene Hypothesen zu drei Forschungsfragen zu testen: Gibt es Korrelate von Aggressionslosigkeit im (Q1) Genom, (Q2) Transkriptom, und/oder (Q3) Duftbouquet? Das Projekt ist wissenschaftlich innovativ. Es untersucht eine Nicht-Modell-Art mit einer herausragenden Kombination sozial- und verhaltensbiologischer Eigenschaften, was Information erbringen wird, die unabhängig ist von den Daten zu gut erforschten Ameisenarten. Wir kombinieren mehrere Methoden, um Variation in Sozialstruktur und Verhalten mit genotypischen und phänotypischen Polymorphismen zu verknüpfen. Dieser multidisziplinäre, integrative Ansatz, angewandt auf individuelle Arbeiterinnen einer Ameisenart, kann Mechanismen zu Tage bringen, die potenziell in die Superkoloniebildung involviert sind. Ergebnisse des Projekts könnten auch für die Invasionsbiologie, die Tierpsychologie und möglicherweise die Verhaltens-Neurobiologie und die chemische Neurobiologie relevant sein. Schlußendlich könnte das Projekt wegen der extremen Ausprägung von Kooperation in Superkolonien für die informierte Öffentlichkeit von Bedeutung sein in einer konkurrenzgeprägten Welt ist Kooperation nicht nur eine Herausforderung für die Wissenschaft sondern auch eines der ewigen Phänomene, die Neugier wecken. Die Methoden zum Testen der verschiedenen Hypothesen umfassen: Besammeln dreier unabhängiger Populationen, die den sozial- und verhaltensbiologischen Polymorphismus der Art repräsentieren; Verhaltenstests zur Quantifizierung von Aggression vs. Aggressionslosigkeit von drei Nestern pro Population; Rekonstruktion der Sozialstruktur der Nester; das Sequenzieren von 72 Genomen und 72 Transkriptomen derselben Arbeiterinnen (24 biologische Replikate von Monogynie- Aggression, Monogynie-Aggressionslosigkeit und Superkolonialität); chemische Analyse der Duftbouquets; und ein breites Spektrum statistischer und bioinformatischer Analysen.

Der ökologische Erfolg der Ameisen beruht auf der Zusammenarbeit innerhalb ihrer Kolonien, und ihre starke Variation in der Sozialstruktur trägt weiter zu diesem Erfolg bei. Auf der einen Seite gibt es Kolonien mit einer Königin und aggressivem Verhalten zwischen den Kolonien, auf der anderen Seite gibt es Superkolonien - viele Nester mit vielen Königinnen, die sich über große Gebiete verteilen und keine Aggressionen zwischen Nestern zeigen. Superkolonien sind wegen des verheerenden Erfolgs von invasiven Ameisenarten berüchtigt. Da sich die Bildung von Superkolonien und Aggressionsfreiheit nicht ohne Weiteres durch Evolutionstheorien, die Verwandtschaft als wichtigen Faktor einbeziehen, erklären lassen, ist sie nach wie vor ein dadurch unerklärtes Phänomen. Ziel des Projekts war, Mechanismen zu erforschen, die für den Verzicht auf Aggression bei Ameisen möglicherweise entscheidend sind, und die sozialstrukturell und verhaltensmäßig polymorphe Hochgebirgsameisenart Tetramorium alpestre als Studiensystem für Verhaltens-, Genom- und Global Change-Biologie zu etablieren. Im Einzelnen wurde im Genom, im Transkriptom, im Kutikulär-Kohlenwasserstoff-Bouquet (KKW), im Darmmikrobiom sowie in den Umweltfaktoren Temperatur und Stickstoffverfügbarkeit nach Korrelaten mit Nicht-Aggressivität gesucht. Wir fanden Korrelate mit Nicht-Aggressivität im Transkriptom - zum Beispiel ist ein Gen, das unter anderem für seine Assoziation mit Depression und depressions-ähnlichem Verhalten bekannt ist, bei nicht-aggressiven Arbeitern hochreguliert (weitere Untersuchungen sind erforderlich) - und bei den Umweltfaktoren - niedrigere Lufttemperatur und geringere Stickstoffverfügbarkeit in einem Lebensraum korrelieren mit geringerer Aggression, was darauf hindeutet, dass die Aggression aufgrund künftig steigender Temperatur und Stickstoffverfügbarkeit infolge des globalen Wandels zunehmen könnte. Im Genom, bei den CHCs und im Darmmikrobiom fanden wir keine Korrelate. Weiters fanden wir unter anderem, dass Aggression Teil eines Verhaltenssyndroms bei dieser Art ist, das Kühnheit bei der Nahrungssuche beinhaltet, und dass eine kürzere Jahreszeit in hohen Lagen die saisonalen Veränderungen der Aggression beschleunigt. Zu den Fragen für die künftige Forschung gehört, wie Umwelteinflüsse auf das Verhalten mit transkriptomischen Einflüssen auf das Verhalten zusammenhängen und wie sich durch den globalen Wandel bedingte Veränderungen der Aggressivität und Verhaltenssyndrome, die mit Aggressivität einhergehen, in Veränderungen von Populationen, Gemeinschaften und Ökosystemen niederschlagen werden. Wir heben hervor, wie wichtig es ist, Bereiche mit unterschiedlichen Forschungstraditionen wie Verhaltensbiologie, Ökologie, Physiologie, vergleichende Genomik und Transkriptomik zu kombinieren, um ökoevolutionäre Trajektorien zu identifizieren, und dies in Systemen zu tun, die als Nicht-Modell-Systeme gelten. Das Projekt informierte die Öffentlichkeit über die Komplexität und Plastizität von Tierverhalten. Das Ergebnis der gesteigerten Aggressivität im Zusammenhang mit der Klimaerwärmung und der Eutrophierung wird hoffentlich dazu beitragen, dass die politischen EntscheidungsträgerInnen bereit sind, die angesichts des globalen Wandels erforderlichen Entscheidungen zu treffen, und dass die Gesellschaft diese akzeptiert. Die Ergebnisse könnten sich auch auf die Art und Weise auswirken, wie die Gesellschaft superkoloniale invasiven Ameisen versteht und bekämpft, die weltweit zu den erfolgreichsten invasiven Arten gehören und enorme wirtschaftliche Schäden verursachen.