Alien rule: Unveiling the mechanisms used by invasive ants to adapt to current and future environmental conditions

Acronym: Alien rule

 

Principal Investigator: Iago Sanmartín-Villar

Mentor: Magdalena Witek

PhD Student: Srikrishna Narasimhan

Collaboration: Sara Arganda-Carreras

 

This research is part of the project No. 2021/43/P/NZ8/03306 co-funded by the National

Science Centre and the European Union Framework Programme for Research and

Innovation Horizon 2020 under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement no.

945339.

 

Summary

 

The introduction of alien species into new habitats is one of the main economic and ecological problems related to environmental change, which produces the displacement of biodiversity and the contact with exotic diseases. None of the introductions changed evolution as much as the introduction of ants. The Argentine ant (Linepithema humile; Figure 1) underwent a new and unique evolutionary phenomenon when they were introduced in new areas: they lost the competition between colonies.

 

Figure 1. Linepithema humile worker and queen. The larger body size of queens allows them to have larger thoracic muscles and ovaries.

This produced the cooperation between vast nets of connected supercolonies (6000 km in Southern Europe; Figure 2).

 

Figure 2. Linepithema humile distribution and genetic-behavioural diversity in Southern Europe. Yellow dots: main supercolony (around 6000 km of connected nests; Giraud et al. 2002, PNAS). Green dot: Galizan clusters (Samartín-Villar et al. 2022, NeoBiota). Red dots: Catalonian supercolony (Giraud et al. 2002, PNAS). Blue dots: Corsican supercolony (Blight et al. 2010, Biol Invasions). Ants from different supercolonies attack each other, but not ants from different nests in the same supercolony.

 

The adaptation of invasive species is frequently favoured by their behavioural plasticity and cognition, it means, how individuals adapt their behavioural skills to the new environmental conditions (Figure 3).

 

Figure 3. Linepithema humile worker sampling aphid honeydew in their introduced distribution, which shows adaptation to new resources. Ants protect aphids from their natural predators and thus increase the economic and ecological damage of aphids.

 

These skills are costly because involve the investment of resources to the brain instead to other traits as reproduction, immune system or survivorship. However, it was proposed that behavioural plasticity could be based on social information rather than in individual traits. This means that colonies may reduce cost of behavioural skills by improving the communication among its members.

Unravelling whether the source of plasticity originates at the individual (brain-cognition) or collective (social information transmission) level should be a priority for understanding the invasive potential in social insects. Invasiveness could also be affected by predicted environmental changes, i.e. species would have to adapt to new areas introduced but also to new changes in those areas. A total of 87 viruses have been detected in ants, some of which can be transmitted to other species like honeybees. Both behaviour and infection potential are conditioned by temperature. Disentangle how virus infection and temperature fluctuations affect brain-behavioural plasticity would help to understand how supercolonies invasiveness will be affected in the near future. The main trait sharing all ant vast supercolonies resides in their translocation, adaptation, and invasiveness. This suggest that the new cooperation among eusocial colonies, the organization system that has gone beyond the limits known so far, constitutes a successful evolutionary process under extreme environmental changes. Current environmental changes lead to the extinction of native species, but the amplification of the success of introduced ant supercolonies. Understanding how introduced supercolonies deal with new problems and pressures seems to represent the central key for deciphering its evolutionary emergence and invasiveness. Therefore, we propose to analyse whether:

(1) individual plasticity and cognition depend on brain complexity (Figure 4);

 

Figure 4. Linepithema humile workers exposed to a maze to measure her decision-making and behavioural variability.

 

(2) plasticity depends on individual cognition or social communication in introduced supercolonies (Figure 5); and

 

Figure 5. Laboratory set-up to observe social behaviour in L. humile.

 

(3) the effect of future environmental stressors (Figure 6) as temperature fluctuations and virus infection modify the individual cognition in invasive and native ant species (Figure 7).

 

Figure 6. Experimental ant nests exposed to different treatments in laboratory conditions.

 

Figure 7. Nest showing adults and larvae of a European native species, Tapinoma nigerrimum, with similar social organization than L. humile.

 

 

We expect (1) individuals with high developed brain structures showing higher behavioural plasticity and succeed more times and faster the behavioural tests; (2) Argentine ants showing lower efficiency in solving new problems at the individual level than native ant species, but the opposite when the problem could be solved by cooperation among individuals; (3) worse outcome in individual problem-solving, observed as lower success in behavioural tests and disruption of correlation between behaviours, in individuals exposed to fluctuant temperatures and infected to virus; (4) the synergic effects of temperature and virus infection; (5) native species showing lower success in behavioural tests and greater alteration on the correlation of behavioural when exposed to fluctuating temperatures and virus infection than individuals of the invasive species.

 

Location

Museum and Institute of Zoology of Warsaw, Polish Academy of Sciences
Group of Social and Myrmecophilous Insects

Led by Magdalena Witek, the group is composed of one full professor (Wojciech Czechowski), four postdoc researchers (Gema Trigos-Peral, Piotr Ślipiński, Istvan Maak, Iago Sanmartín-Villar) and two PhD students (Daniel Sánchez-García, Srikrishna Narasimhan). The group focuses on the study of collective behaviour of ants, interspecific interactions mostly including ants and myrmecophilous insects, insect-plant interactions, ant pathogens, and urban effect on ant life history traits. In the last five years the group has obtained seven national projects from Polish National Science Centre including a previous Polonez 3 grant (PI: Luca Casacci). The group has a wide network of international collaborations, among others, with prof. Jurgen Heinze from University of Regensburg and with prof. Patrizia d’Ettorre from the University of Paris 13.

 

Contact

Museum and Institute of Zoology, PAS

ul. Twarda 51/55,

00-818 Warszawa, Polska

Iago Sanmartín-Villar: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

 

News

- 10/02/2023: We completed the behavioural testing of our first experiment focusing on the neuroethology of Linepithema humile.

Violette Chiara (left) and Srikrishna Narasimham (right) after setting up the experimental groups.

 

14/04/2023: We travelled to Galiza (Spain) to carry out fieldwork for our second planned experiment, in which we will compare the neuroethology of Linepithema humile and Tapinoma erraticum with and without access to social information.

 

 

Iago Sanmartín-Villar (left) and Srikrishna Narasimhan (right) taking ant samples near the “Torres do Oeste” (Catoira, Galiza), the structures that 11th century Galicians used to watch for the arrival of Vikings.

 

- 28/04/2023: We disseminated our line of research and latest results by organising a seminar consisting of four presentations at the University of Vigo (Galicia - Spain).

Srikrishna Narasimhan explaining the behavioural tests conducted at the Łomna Biological Station (MiIZ).

 

Iago Sanmartín-Villar presenting the latest results on the metapopulation of Linepithema humile in Galiza.

BHL-Europe  -  The Biodiversity Heritage Library for Europe.

BHL-Europe jest trzyletnim projektem, skupiającym 28 największych muzeów historii naturalnej, ogrodów botanicznych oraz instytucji towarzyszących.
 

Biblioteki na świecie, szczególnie te powiązane z muzeami historii naturalnej i ogrodami botanicznymi, posiadają większość opublikowanych zasobów informacji o tematyce bioróżnorodności. Jednakże elektroniczny dostęp do tej wiedzy, jest utrudniony. Głównym celem BHL-Europe, jest ułatwienie dostępu do tych informacji dla ogółu społeczeństwa, poprzez poprawienie współpracy pomiędzy europejskimi bibliotekami cyfrowymi.

Projekt będzie umożliwiać wielojęzyczny dostęp do informacji o bioróżnorodności, poprzez stronę internetową BHL-Europe, dzięki specjalistycznym narzędziom wyszukiwania i pobierania informacji z portalu EUROPEANA.
BHL-Europe jest utworzona w ramach sieci najlepszych praktyk (Best Practice Network), ufundowanej przez Komisję Europejską w ramach programu eContentplus, jako część polityki i2010.

Projekt BHL (BHL), który miał swoją premierę w 2007 roku w USA, jest zaadresowany na sprostanie powyższym zagrożeniom. W maju 2009 roku został uruchomiony ambitny i innowacyjny projekt europejski ‘Biodiversity Heritage Library for Europe’ (BHL-Europe)’. BHL-Europe jest koordynowany przez Museum für Naturkunde Berlin, Niemcy, i łączy w sobie wysiłek dwudziestu sześciu europejskich i dwóch amerykańskich instytucji. Konsorcjum BHL-Europe, łączy w sobie najważniejsze europejskie muzea historii naturalnej, ogrody botaniczne, biblioteki, uniwersytety, inicjatywy ochrony różnorodności biologicznej oraz firmy informatyczne. Projekt jest finansowany w ramach europejskiego programu eContentplusprzez okres trzydziestu sześciu miesięcy. 
Projekt łączy istniejące w Europie cyfrowe kolekcje literatury, o tematyce bioróżnorodności. Umożliwi dostęp do wielojęzykowego portalu, wyposażonego w innowacyjną funkcję wyszukiwania, ułatwiającą szybkie wyszukiwanie wszystkich wymaganych przez użytkownika informacji. Wielojęzyczny interfejs portalu, umożliwi użytkownikom wyszukiwanie w ich rodzimym języku. W uzupełnieniu do portalu, cała literatura będzie dostępna przez European Digital Library – EUROPEANA. Po raz pierwszy, opinia publiczna, naukowcy oraz decydenci, będą mieli nieograniczony dostęp do tego ważnego źródła informacji. Wszyscy będą mieli bezpośredni dostęp, do informacji na temat zwierząt i roślin, będą mogli studiować unikalne, oryginalne prace, tworzone przez ważnych naukowców takich jak Karol Darwin czy Alexander von Humboldt oraz podziwiać opracowania graficzne z XVII-nastego i XVIII-nastego wieku. Organizacje zajmujące się ochroną bioróżnorodności, będą miały narzędzie do zbierania danych na temat rzadkich i zagrożonych gatunków oraz możliwość planowania lepszych strategii ochrony. Jednakże projekt nie jest ukierunkowany na badania i rozwój. Głównym celem projektu jest implementacja istniejących rozwiązań technicznych oraz baz danych w celu wyszukiwania i długoterminowego utrzymania cyfrowych obiektów. BHL-Europe nie jest ukierunkowany na digitalizację, takie działania leżą w ramach kompetencji każdego członka EU. Jakkolwiek projekt może służyć, jako platforma pomocnicza w implementacji programów digitalizacji. Mamy nadzieję, że w ramach BHL-Europe, możemy poprawić (obecną) sytuację w odniesieniu do finansowania procesu digitalizacji w ramach EU.
 

Dlaczego potrzebujemy BHL-Europe?

Większość literatury publikowanej przed laty jest trudna do zdobycia lub ma ograniczony światowy kolportaż i jest dostępna jedynie w wybranych bibliotekach. Z perspektywy naukowców, te kolekcje mają unikalną wartość, ze względu na to, że systematyka – bardziej niż inne dziedziny nauk naturalnych – polega na źródłach wiedzy literaturowej. W momencie, kiedy kolekcje biblioteczne, będą dostępne nieodpłatnie w internecie, znacząco uprości to pracę naukową i dostęp pozanaukowy.

Na jakie cele jest ukierunkowany program BHL-Europe?

Program BHL-Europe, jest ukierunkowany na łączenie istniejących europejskich zasobów cyfrowych w celu ułatwienia darmowego dostępu, dla opinii publicznej i naukowców, poprzez unikalny portal sieciowy oraz Europeana. Żadne pojedyncze muzeum historii naturalnej, czy ogród botaniczny, nie ma w swoich zasobach pełnej spuścizny literaturowej. Dlatego, BHL-Europe jest federacją wielu instytucji, w której również Twoja instytucja, może brać udział.
 

Jakie są korzyści z bycia uczestnikiem BHL-Europe?

• BHL-Europe zwiększa widoczność Twoich zasobów, przez to powiększając zauważalność instytucji.
• BHL-Europe zapewnia zrównoważoną ochronę oraz archiwizację danych, ułatwiając kuratelę i wymianę danych. Z tego względu BHL-Europe zapewnia długotrwałą ochronę danych, uzyskanych w programach digitalizacji danych o bioróżnorodności.
•  BHL-Europe umożliwia wielojęzyczny dostęp do Twoich zasobów, przez to zaoszczędzając Ci kosztów tworzenia portalu w wielu językach.
• BHL-Europe wzbogaca Twoje zasoby o informacje pomocne w indeksowaniu zawartości, to uławia ponowne korzystanie z tych zasobów przez innych uczestników programu
• BHL-Europe umożliwia dostęp do bieżących, ważnych i rentownych zasobów informacji oraz sieci współpracowników w celu wybrania najlepszej strategii.
• BHL-Europe zapewnia narzędzia i technologie umożliwiające rentowne przechowywanie cyfrowych zbiorów oraz zarządzanie procesem digitalizacji.
• BHL-Europe pomaga w stworzeniu – dobrej jakości – plików OCR, ze skanowanych obrazów w celu dalszej analizy danych i wzbogacania w metadane.
• BHL-Europe umożliwia dostęp do Narzędzi Taksonomicznych, ułatwiających wyszukiwanie informacji o określonym taksonie.   
• Działalność propagacyjna BHL-Europe umożliwi dostęp dużej liczbie odbiorców, zwiększając użycie Twoich danych. Przez to BHL-Europe daje możliwość efektywnego zwielokrotnienia wpływu Twojej działalności edytorskiej i budowania zaufania z użytkownikami, profesjonalistami i organizacjami wliczając w to instytucje o charakterze narodowym.
• Cała biblioteka BHL-Europe jest również dostępna przez sieć Europeana – platformę wyszukiwania poprzez europejskie kolekcje cyfrowe. To zwiększy widoczność zawartości danych BHL-Europe i przez to, przełoży się na zauważalność Twoich informacji. Jeśli Twoje zasoby, zostaną wzbogacone o metadane przez Europeana, te informacje będą również, wykorzystane przez BHL-Europe. BHL-Europe korzysta z wiedzy i doświadczenia, budowania sieci Europeana, przez to zwiększając dostęp do najbardziej aktualnych osiągnięć techniki. Zrównoważony rozwój sieci Europeana będzie również służył stabilności sieci BHL-Europe.

EDIT - Network of Excellence

Toward the European Distributed Institute of  Taxonomy (VI Program Ramowy Badań i Rozwoju Technicznego Unii Europejskiej).

Celem programu EDIT (2006-2011) jest integracja i harmonizowanie wiedzy specjalistów, strategii badań naukowych, infrastruktury badawczej, bazy danych zbiorów, oraz popieranie edukacji nowej generacji taksonomów. Efektem tych działań jest bardziej efektywne przekazywanie i zastosowanie wiedzy taksonomicznej, na przykład w ochronie przyrody i rolnictwie.

EDIT łączy wszystkie najważniejsze w Europie instytucje, zajmujące się taksonomią i systematyką, które z powodów historycznych rozwijały się niezależnie od siebie. Przyłączenie do tego znaczących w taksonomii ośrodków z Ameryki Północnej oraz z Rosji utworzy ogólnoświatową sieć instytucji naukowych gdzie wiedza taksonomiczna jest traktowana priorytetowo. Tak skonstruowane konsorcjum zjednoczy najważniejsze placówki opierające swoją działalność w głównej mierze na kolekcjach historii naturalnej, które uczestnicząc w programie EDIT będą rozwijać wspólne cele.

Muzeum i Instytut Zoologii PAN współuczestniczył w programie testowania użyteczności istniejących narzędzi analitycznych na wybranych zasobach danych o różnorodności biologicznej. Pracownicy Instytutu zbadali możliwości nowej metody wykorzystującej strukturę DNA (tzw. High Resolution Melting PCR) do szybkiej identyfikacji gatunkowej much z rodziny plujkowatych (Calliphoridae), z których 16 gatunków ma ogromne znaczenie w medycynie sądowej (praca w recenzji w International Journal of Legal Medicine). Okazało się, że HRM PCR to szybka , tania i skuteczna metoda w oznaczaniu gatunków plujkowatych bez względu na stadium rozwoju.

W ramach EDIT, Muzeum i Instytut Zoologii PAN wykonywał prace mające na celu udoskonalania platformy wykorzystującej GIS, której celem jest dostarczenie narzędzi do generowania wysokiej jakości map, umożliwiających badanie zależności przestrzennych rozpatrywanych gatunków.
W zadaniu 5.4 programu, Instytut aktywnie uczestniczył w tworzeniu sieci europejskich instytucji naukowych gromadzących dane dotyczące różnorodności biologicznej. Stworzona sieć ma umożliwić łatwiejszy dostęp do istniejących zasobów wiedzy i kolekcji muzealnych.
W ramach EDIT,  MiIZ PAN  dokonuje testowania funkcjonalności programu mapViewer (analiza i wybór odpowiednich odwzorowań kartograficznych do mapViewer):

• procedury wprowadzania i weryfikacji danych wejściowych,
• procedury zarządzania i przetwarzania w obrębie bazy danych (system zarządzania bazą danych),
• procedury przetwarzania i analizy danych geograficznych,
• procedury wyjściowe: prezentacji graficznej, kartograficznej i tekstowej danych,
• procedury komunikacji z użytkownikiem.

http://www.e-taxonomy.eu/