Caste-specific expression of chemosensory genes in Formica-ants

Sosiaaliset hyönteiset, joihin muurahaiset kuuluvat elävät yhteiskunnissa, joissa esiintyy selvä työnjako lisääntyvien yksilöiden ja työläiskastin välillä. Yhteiskunta voi koostua suurimmillaan jopa miljoonista yksilöistä ja kuningatarten määrä voi vaihdella voimakkaasti. Populaatioita, joissa kussakin pesässä on vain yksi tai muutamia kuningattaria voidaan kutsua sukulaisrakenteisiksi, sillä niissä yksilöiden välinen sukulaisuus yhteiskunnan sisällä on korkeaa. Populaatioita, joissa on runsaasti kuningattaria, ja yhteiskunta muodostuu useista toisiinsa liitoksissa olevista pesistä, voidaan kutsua superkolonioiksi. Tällaisissa yhteiskunnissa yksilöiden välinen sukulaisuus on matalaa ja työläiset edustavat useita geneettisiä linjoja. Lajista ja elinympäristöstä riippuen yhteiskunnat käyttäytyvät tyypillisesti vieraiden pesien yksilöitä kohtaan aggressiivisesti suojellen omaa pesäänsä. Jotta yhteiskunnan puolustus olisi mahdollista, on muurahaisten kyettävä tunnistamaan oman yhteiskuntansa jäsenet tunkeutujista. Pesätovereiden tunnistus on tärkeä tekijä yhteiskuntien ja lajien välisessä vuorovaikutuksessa ja sen ansiosta työläiset voivat suosia omia pesätovereitaan hoivan, puolustuksen tai ravinnonhankinnan kautta ja näin lisätä myös omaa kokonaiskelpoisuuttaan. Pesätovereiden tunnistuskyvyn kannalta kemiallisen informaation aistiminen on merkityksellisessä roolissa. Tunnistukseen liittyviä kemiallisia aineita muurahaiset aistivat pääasiassa tuntosarvissaan ilmentyvien proteiinien avulla. Tässä työssä tutkin seitsemän suomumuurahaislajilla oletetusti kemosensoriseen aistimukseen liittyvien geenien ilmentymistä RT-qPCR -menetelmän avulla. Tutkimuslajini olivat sukulaisrakenteiset karvaloviniska, niittymuurahainen, ja mustamuurahainen sekä superkoloniaaliset kantomuurahainen, kaljuloviniska, samettimuurahainen ja tupsukekomuurahainen. Tarkastelen tuoksuja sitovaa proteiinia (OBP), kemosensoriproteiinia (CSP) ja makuaistinreseptoria (GRT) tuottavien geenien ilmentymistä ja haluan selvittää, eroaako näiden geenien ilmentyminen lajien ja kastien välillä. Työssäni vertaan myös sukulaisrakenteisten ja superkoloniaalisten lajien kemosensoristen geenien kastispesifiä ilmentymistä. Koska työläisillä on muurahaisyhteiskunnassa paljon tehtäviä, joiden hoitaminen vaatii tehokasta aistijärjestelmää, hypoteesini on, että tutkimusgeenini ilmentyvät työläisillä voimakkaammin kuin kuningattarilla. Lisäksi uskon geenien ilmentyvän työläisissä voimakkaammin sukulaisrakenteisilla lajeilla, sillä niiden työläiset ovat superkoloniaalisia lajeja aggressiivisempia tunkeutujia kohtaan ja kohtaavat pesän ulkopuolisia yksilöitä useammin, kuin valtavissa superkolonioissa elävät yksilöt. Superkolonioissa tyypillisten matalasta sukulaisuudesta johtuvien konfliktien vuoksi uskon superkoloniaalisten kuningatarten kemosensorigeenien ilmentymisen olevan sukulaisrakenteisten yhteiskuntien kuningatarten geenin ilmentymistä voimakkaampaa. Tutkimusgeeneistä voimakkaimmin ilmentyi OBP ja vähäisintä oli GRT-geenin ilmentyminen. CSP:n ilmentyminen oli näiden geenien ilmentymisen väliltä. Hypoteesini mukaisesti geenien ilmentyminen oli työläisillä kuningattaria voimakkaampaa OBP:lla ja CSP:lla kaikilla lajeilla ja GRT:lla kuudella seitsemästä lajista. Sukulaisrakenteisten lajien kemosensoristen geenien kastispesifi ilmentyminen ei ollut superkoloniaalisia lajeja voimakkaampaa, vaan lajien välillä havaittiin vaihtelua, joka ei näyttänyt riippuvan populaatioiden polygynia-asteesta. Tutkimuksessani selvisi myös OBP- ja CSP-geenien ilmentymisen olevan korreloitunutta. Tulokseni olivat kastien osalta hypoteesini mukaisia ja voivat kertoa työläisten paremmasta haju- ja makuaistista sekä pesätoveruuden tunnistuskyvystä. Tutkimukseni tarjoaa arvokasta tietoa vielä melko vähän tutkitusta tunnistusjärjestelmään liittyvien kemosensoristen geenien ilmentymisestä ja herättää useita uusia mielenkiintoisia tutkimuskysymyksiä. Kemiallisen aistinjärjestelmän tutkimusta on tehty laajalla skaalalla, mutta geenien ilmentymisen tasolla työsarkaa vielä riittää.Social insects such as ants live in societies and have a strict division of labor between reproductive and worker castes. A colony can consist of even millions of individuals and the number of queens can vary a lot. Populations where each colony comprises just one or few queens are often called kin structured because the relatedness between nestmates is high. Colonies that have lots of queens and the society lives in many connected nests (polydomy) in are referred to as supercolonies. In these colonies relatedness between individuals is low and the workers represent many genetic lineages. Depending on species and the environment where the colony lives societies can behave aggressively towards individuals from other nests to protect their own nest. Ants must be able to recognize members of their own colony from the intruders to be able to protect the nest. Nestmate recognition is a key element in the interaction between nests and species and makes it possible for the workers in the colony to favour their own nestmates in form of care, defence or food acquisition to gain inclusive fitness benefits. To recognise nestmates ants must be able to sense chemical cues. Ants detect these chemical signals through the proteins expressed mainly in their antennas. In this thesis I studied gene expression of genes related to chemosensation in seven Formica species using the RT qPCR method. My study species were kin structured Formica exsecta, F. pratensis and F. fusca and supercolonial F. truncorum, F. pressilabris, F. cinerea and F. aquilonia. My study genes belong to gene families that code for odorant binding proteins (OBP), chemosensory proteins (CSP) and gustatory reseptors (GRT). I want to find out whether the expression of these genes differs between castes, and whether the caste difference varies between kin structured and supercolonial species. Workers have many tasks in the ant colony and to take care of them, they need to have a sophisticated sensory system. For that reason, I expect to find out that the study genes are expressed more in the worker than the queen caste. In addition, I expect the caste difference in gene expression to be higher in the kin structured species than in the supercolonial species. That is because kin structured species behave more aggressively towards intruders and possibly confront intruders more often than the individuals living in supercolonies. Furthermore, in the supercolonies low relatedness between individuals sometimes lead to conflicts inside the nest. For that reason, I suppose queens of the supercolonies express chemosensory genes more than the queens from the kin structured colonies. Overall expression level was the highest for the OBP and the lowest for GRT. The expression level of CSP was in between these extremes. In accordance with my hypothesis gene expression of OBP and CSP was higher in workers in all the study species. GRT expression was worker biased in six of the seven species. Caste difference in expression of chemosensory genes was similar in kin structured and supercolonial species. The expression level varied between species but did not show a pattern depending on the degree of the polygyny. The study revealed that the expression of OBP and CSP is correlated. My results revealed expected worker biased pattern in the expression. The result might be a consequence of better olfactory or taste abilities in the worker caste compared to queens or it may even be consequence of more sophisticated nestmate recognition skills of the workers. This study reveals valuable information about the gene expression of chemosensory genes related to the recognition system in the ants and awakes many new study questions. Chemical sensory system has been studied a lot in the ants, but in the field of expression studies there is still lot to reveal