Foitzik, Susanne Prof. Dr.

                                              

            

Universitätsprofessorin
Dr. Susanne Foitzik

 

Curriculum Vitae

Akademische und Forschungsschwerpunkte

Professorin der Evolutionsbiologie (W 3), Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 2010-
Professorin der Verhaltensökologie (C 3), LMU München, 2004-2010  
Wissenschaftliche Assistentin, (C1), Universität Regensburg, 2000-2004
Postdoc Stipendiatin, Colorado State University, Ft. Collins, USA, 1998-2000

 

Ausbildung

Habilitation, Zoologie, Universität Regensburg 2004 
Dr. rer. nat., Biologie, Julius Maximilians Universität Würzburg 1998           
Diplom, Biologie, Julius Maximilians Universität Würzburg 1995

 

Auszeichnungen

Sprecherin des EES Master Program, gefördert durch die VW Stiftung, 2007-2010
DAAD Stipendiatin, State University of New York, Albany USA, 1992-93                        

 

Akademische und Forschungskommissionen  

DFG Fachkollegiatin "Biologie des Verhaltens und der Sinne" 2011-
Mitglied des Senatsausschusses Evaluierung der Leibniz Gesellschaft 2011- 
Mitglied des Fakultätsrates, LMU, 2007-2010  
Volkswagen-Foundation, Experten-Gespräche and Reviews 2009-
Stiftung Adakdemische Dienste Editorial Board von Insectes Sociaux 2006-
Mitglied des Fachbereichsrates, Senates und des Gutenberg Nachwuchskolleges, JGU Mainz, 2014-
Mitglied des DFG Fachkollegiums Zoologie 2012-2016
Mitglied des Senatsausschusses Evaluierung der Leibniz Gesellschaft 2011-2015


Adademische Dienste

Handling Editor Biology Letters 2016-
Editorial Board Insectes Sociaux 2006-2014

Forschungsinteressen

Arbeitsgruppe Evolutionsbiologie und Verhaltensökologie


Wir sind an der Evolution von Verhalten bei sozialen Insekten interestiert und erforschen dies in einem multidimenonalen Ansatz. Von den Interaktionen zwischen Ameisenarten im ökologischen Kontext zum Beispiel im tropischen Regenwald, zu der ausgeklügelten Kommunikation und Arbeitsteilung im Ameisenstaat versuchen wir die Evolution komplexen Sozialsysteme zu verstehen. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der genetischen Grundlage von Verhalten, die wir insbesondere mittels Genexpressionsstudien analysieren. Soziale Insekten sind Musterbeispiele für phänotypische Plastizitatät bei denen aus einem Genotyp sehr unterschiedliche Phänotypen hervorgehen können. Königin und Arbeiterinnen unterscheiden sich zum Beispiel in vielen Merkmalen, insbesondere in ihrer Morphologie, dem Verhalten aber auch der Lebenserwartung. Differentielle Genexpression ist die Basis für diese phänotypischen Unterschiede und wir sind an der Evolution von Genregulativen Mechanismen interessiert. Desweiteren liegt ein Fokus unserer Arbeit in der Koevolution zwischen Parasiten und Wirten. Dabei arbeiten wir sowohl an Sozialparasiten wie sklavenhaltenden Ameisen als auch an anderen Parasiten, welche soziale Insektenstaaten befallen. Wir untersuchen wie Parasiten, dass Verhalten ihrer Wirte manipulieren, aber auch wie diese sozialen Wirte sich gegen den Befall wehren können. Auch diese Untersuchen reichen von Feldexperimenten bis zu Genexpressions- und Knockdownanalysen. Ein besonderer Schwerpunkt unserer Arbeit liegt in Bereich der Erforschung von konsistenter Verhaltensvariabilität, welche sowohl auf der Ebene des Individuums als auch ganzer Kolonien vorkommen kann. Wir untersuchen welche ökologische Faktoren die Ausprägung unterschiedlicher Koloniepersönlichkeiten führen kann.

  

Die sklavenhaltende Ameise Temnothorax pilagens (unten) in Kommunikation mit ihrer Wirtsart Temnothorax ambiguus (oben)

 

Bandwurm infizierte (in gelb) und gesunde (in braun) Arbeiterinnen der Art Temnothorax nylanderi. Cysticercoides Entwicklungsstatium des Bandwurmes Anomotaenia brevis (unten)

 

 

Kolonie der Ameise Temnothorax longispinosus mit den beiden Königinnen in der Mitte

Die Umkehr des Zusammenhangs zwischen Fruchtbarkeit und Langlebigkeit bei einem sozialen Insekt mit alternativen Fortpflanzungsstrategien

DFG Projekt im Rahmen der Forschergruppe FOR 2281

Sociality and the reversal of the fecundity/longevity trade-off

Projektbeteiligte: Matteo Negroni, Barbara Feldmeyer und Susanne Foitzik

Warum leben Organismen nicht ewig? Diese Frage beschäftigt Laien und Wissenschaftler schon lange. Tiere müssen abwägen, ob sie ihre Ressourcen in Fruchtbarkeit oder Langlebigkeit investieren sollen. Fruchtbare Individuen haben eine kurze Lebensdauer, wohingegen Artgenossen, die weniger Nachkommen hervorbringen, länger leben. Bei sozialen Insekten ist dieser universelle „trade-off“ umgekehrt. Die Königin – das fruchtbarste Individuum einer Kolonie – kann zeitlebens Eier legen und mehrere Jahrzehnte alt werden, wohingegen die sterilen Arbeiterinnen nur wenige Wochen bis Jahre leben. Die molekulare Basis der Langlebigkeit wurde bisher in kurzlebigen Arten, wie Mäusen, Fruchtfliegen und Würmern, untersucht. Die Interaktionen zwischen Umwelt, Genotyp und molekularen Netzwerken und ihr Einfluss auf die Variation der Langlebigkeit innerhalb als auch zwischen Arten sind noch unklar. Soziale Insekten sind ideale Modelle, nicht nur da sie eine starke intraspezifische Variation in der Langlebigkeit aufweisen, sondern weil diese Variation meist auf phänotypischer Plastizität beruht. Daneben zeigen zwischenartliche Vergleiche den Einfluss von sozialen und ökologischen Faktoren auf die Lebensdauer der Königin. Monogyne Königinnen, die das einzige reproduktive Individuum einer Kolonie darstellen, leben länger als polygyne, die sich gemeinsam mit anderen fortpflanzen. Unser Model, die Ameise Temnothorax rugatulus weist mit ihren drei morphologisch weiblichen Kasten einen Fruchtbarkeit – Langlebigkeits Gradienten auf. Die großen, macrogynen Königinnen leben in monogynen Staaten, wohingegen die kleinen Microgynen in polygynen Nestern vorkommen, weniger fertil sind und vermutlich auch weniger lang leben. Wir werden die Königinnenzahl, die Futterverfügbarkeit, und die Anwesenheit von Eiern manipulieren und den Einfluss dieser Faktoren auf die Fortpflanzungsrate und die Überlebensrate der Königinnenphänotypen messen. Temnothorax Arbeiterinnen werden nach Tod oder Entfernung der Königin fertil, und wir werden untersuchen, ob Fertilität die Lebensdauer von Arbeiterinnen positiv beeinflusst. Überdies werden wir die Genexpressionsmuster für alle Experimente und Kasten untersuchen, um Gene und Netzwerke zu identifizieren, die den Fruchtbarkeits- und Langlebigkeitsunterschieden zu Grunde liegen. Zusätzlich werden wir den oxidativem Stress ermitteln, um erwartete negative Zusammenhänge mit Langlebigkeit zu testen. Dieser umfassende experimentelle und analytische Ansatz wird uns ermöglichen, den Einfluss von sozialen und ökologischen Faktoren auf Fruchtbarkeit und Langlebigkeit in T. rugatulus und zugrunde liegende genetische Netzwerke zu bestimmen. Gemeinsam mit weiteren Forschergruppenprojekten werden wir Einblicke in die molekulare Basis der Assoziation zwischen Fruchtbarkeit und Langlebigkeit bei sozialen Insekten gewinnen, und diese mit solitären Insekten vergleichen. Unser langfristiges Ziel ist, diesen Zusammenhang auf proximater und ultimater Ebene zu verstehen.


Die Evolution von Sklavenhaltertum bei Ameisen und die genetische Basis von Sklavenhalter- und Wirtsverteidigungsverhalten

Projektbeteiligte: Austin Alleman, Barbara Feldmeyer und Susanne Foitzik

Sklavenhalterverhalten bei Ameisen ist ein komplexer sozialparasitischer Lebensstil, der mehrfach in verschiedenen taxonomischen Gruppen entstand. Eine kleine Gruppe nordamerikanischer Temnothorax-Arten ist besonders reich an Sklavenhalterentstehungen und der Fokus unseres Projektes: Drei nahverwandte Wirtsarten werden von drei Sklavenhalterarten parasitiert, wovon zwei Schwesterarten zu je einer Wirtsart sind, und der dritte Sklavenhalter die Außengruppe zu allen anderen Arten darstellt. In diesem Projekt sind wir an Genen interessiert, die dem Sklavenhalterverhalten und dem Verteidungsverhalten der Wirte zugrunde liegen und wir nutzen „RNA-seq“, um charakteristische Geneexpressionsunterschiede zwischen Sklavenhalter und Wirtsarten zu identifizieren. Um ein besseres Verständnis der Gene zu bekommen, die dem Sklavenhalterverhalten und dem Verteidigungsverhalten der Wirte zugrunde liegen, wollen wir darüber hinaus verschiedene Verhaltenszustände der Sozialparasiten und der Wirte, sowohl innerhalb, also auch zwischen Arten vergleichen. So werden z.B. Expressionsmuster von Sklavenhaltern verglichen, die gerade an einem Raubzug beteiligt sind, zu solchen, die außerhalb der Raubzugsaison inaktiv sind. Bei den Wirten werden wir Arbeiterinnen kontrastieren die nie Kontakt zu Sklavenhaltern hatten, mit solchen, die gerade von Sklavenhaltern attackiert werden. Mit einer Auswahl an Kandidatengenen werden wir Genexpressionsmuster und –variation auf individueller wie auch Kolonieebene untersuchen. Schließlich werden wir die generierten Sequenzdaten nutzen, um selektierte Gene zwischen Sklavenhaltern und Wirten zu identifizieren, mit dem Ziel Gene zu bestimmen, die für die Evolution von Sklavenhaltern/Wirten von Bedeutung waren. Unsere Ergebnisse werden die Basis für weitere Projekte bilden, mit dem Ziel den Sklavenhalter Phänotyp und dem zugrundeliegenden Genotyp zu verbinden, wie auch für anschließende Projekte zu koevolutionären Mustern.

 

Differential gene expression and the evolution of division of labor in social insects

Projektbeteiligte: Susanne Foitzik und Barbara Feldmeyer
Projekt im Forschungsschwerpunkt “Gene Regulation in Evolution and Development”

Division of labor is a key to the ecological success of insect societies and fundamental to their social organization. In most social insects, behavioral and morphological castes are not genetically determined, but develop through phenotypic plasticity. Caste development is mediated by specific methylation patterns, which lead to alternative splicing and differential gene expression levels. Next to the reproductive division of labor between queens and workers, different worker castes are found in many species, which differ in behavior, longevity and sometimes also in morphology. Division of labor becomes more pronounced in larger colonies both within and between species. Moreover, behavior and task allocation typically change in workers with age, a phenomenon known as polyethism. However, not only age, but also experience influences task allocation as shown in a study of same-aged workers of a clonal ant. In the infertile ant workers, which gain only indirect fitness, gene expression should be under more relaxed selection than in reproductive queens and males. Consistent with this prediction intraspecific variability and interspecific differentiation in gene expression were highest for worker over-expressed genes.

Our previous work focused on the ant Temnothorax longispinosus, a species with small colonies and monomorphic workers. We could show a higher productivity in colonies with higher behavioral variance i.e. a more pronounced division of labor (Modlmeier & Foitzik 2011; Modlmeier et al. 2012). Moreover, division of labor helps in defense against slavemaking ants, as demonstrated by an association between within-colony variance in worker behavior and parasite pressure across different populations (Jongepier et al. in prep). In addition, division of labor becomes more pronounced over colony ontogeny in this species. As our previous work established T. longispinosus as a model system for the evolution of division of labor and its fitness benefits, we recently started to study genes, whose differential expression underlie the observed behavioral variance in workers. A first RNA-seq project revealed differentially expressed genes in different worker castes and the queen (Feldmeyer et al. in prep). For example, we found the gene Sequestosome-1, which is necessary for neuronal survival and the reduction of oxidative stress in humans overexpressed in ant foragers, which represent the oldest worker caste.

This project aims at a deeper understanding of the evolution and ontogeny of division of labor in ants. We are interested in the identity, regulation and selection of genes, whose differential expression are important for the division of labor in workers. We will analyze how behavioral performance and gene expression patterns change over a workers’ life and which factors other than age that influence worker behavior, such as morphology or experience. Moreover, we will investigate whether and to which extend gene expression variance between workers increases with colony size. Using a RNA-Seq approach, we will first determine the effect of caste specialization on gene expression of different worker castes in small versus large colonies; comparing specialized workers to “jack of all trade” workers from small colonies. We will contrast gene expression of worker groups with “natural” age gradients to those standardized for age performing certain tasks, to disentangle task and age related genes. Identified candidate genes will be validated using qPCR and by inducing/inhibiting certain workers behaviors with RNAi.

 

Mehrere Ebenen in der Interaktion zwischen einen Parasiten und seinem sozialen Wirt: direkte und indirekte Einflüsse auf Gruppenmitglieder und die Soziale Pufferung

DFG Projekt Fo 298 /15-1

Projektbeteiligte: Susanne Foitzik und Florian Menzel

Parasiten erniedrigen typischerweise Fitness ihrer Wirte, aber sie können auch Veränderungen im Verhalten, der Morphologie und der Life History ihrer Wirte auslösen. Diese Veränderungen können ein Weg sein, mit der die Wirte versuchen, den Einfluss des Parasiten zu vermindern, sie können Krankheitssymptome darstellen, oder durch die Manipulation des Wirtsorganismus im Interesse des Parasiten entstehen. Wenn Parasiten soziale Gruppen befallen, beeinflussen sie nicht nur die infizierten Individuen, sondern die Kolonie als Ganzes. Wir konnten diverse Auswirkungen des Parasitismus auf der individuellen und kollektiven Ebene bei der Ameisenart Temnothorax nylanderi zeigen, deren Arbeiterinnen als Zwischenwirte von dem Cestoden Anomotaenia brevis verwendet werden. Auf der individuellen Ebene wurden morphologische Veränderungen nur bei infizierten Tieren deutlich, Veränderungen des Verhaltens und der Lebenserwartung zeigten sich aber auch bei gesunden Tieren in befallenen Kolonien. Auf der Kolonieebene waren die Fitnessauswirkungen der Parasitierung gering, aber die Investitionsstrategien veränderten sich, z.B. der Sex Ratio wurde männchenlastig. Unser neues Forschungsprojekt hat zwei Hauptziele: Erstens, interessieren uns soziale Abfederungsmechanismen einer Insektenkolonie gegenüber parasitischer Ausbeutung. Wir werden Feld- und Laborexperimente verwenden, um herauszufinden, wie stark eine soziale Gruppe die negativen Auswirkungen des Parasitismus auf der Individuen-Ebene abpuffern kann. Wir werden verschiedene Merkmale der Kolonieebene analysieren, wie zum Beispiel die Überlebensrate der Kolonien im Winter, die Produktivität und mehrere kollektive Verhaltensweisen. Als Zweites werden wir untersuchen, auf welche Weise der Parasit das Verhalten, die Lebenserwartung und die Physiologie der nicht-infizierten Arbeiterinnen aus parasitierten Gruppen beeinflusst. Dabei werden wir einen Fokus auf die chemischen Kommunikationssignale und die sozialen Interaktionen innerhalb und zwischen Gruppen legen.

 

Die Evolution von Resistenz und Virulenz in strukturierten Populationen

DFG Projekt Fo 298 /9-2 Forschergruppe 1078

Projektbeteiligte: Doktorandin Isabelle Kleeberg, Susanne Foitzik und Dirk Metzler, LMU

Das geographische Muster von Resistenz und Virulenz hängt von den Fitnesskonsequenzen dieser Merkmale und der Populationsstruktur ab. Sozialparasitische, sklavenhaltende Ameisen verwenden artfremde Arbeiterinnen, die in Raubzügen gestohlen werden, für die Jungenaufzucht. Wirte entwickelten Verteidigungsstrategien, die entweder die parasitische Ausbeutung verhindern – wie z.B. eine neuartige, induzierbare Verteidigung – oder die Kosten des Parasitismus reduzieren – wie das Sklavenrebellionsmerkmal: versklavte Temnothorax Arbeiterinnen wurden beim Töten von Puppen des Sklavenhalters Protomognathus americanus beobachtet. Das daraus resultierende geringere Wachstum von Parasitennestern führt zu selteneren und weniger destruktiven Raubzügen. Wir haben untersucht, ob die Vernichtung von Parasitenbrut die Gesamtfitness von versklavten Wirtsarbeiterinnen erhöht, indem sie das Raubzugsrisiko für verwandte Wirtskolonien in der Nähe verringert. Genetische Analysen zeigten eine schwache Strukturierung der Wirtspopulation und detektierten Wirtsnester, die Raubzüge überlebt haben, welche direkt vom Rebellionsverhalten ihrer Sklavenverwandten profitieren könnten. Eine Simulation ergab daß die Wirtstruktur und die Kosten der Verteidigung entscheidend dafür sind, ob das Sklavenrebellionsmerkmal sich ausbreiten kann. Diese Kosten können aus dem versehentlichen Töten von eigener Brut bestehen und in der Tat kovariieren die Tötungsraten von Parasiten- und Wirtspopulationen geographisch. Wir planen zu analysieren wie die lokale Struktur und die Kosten / Nutzen der Verteidigungsstrategien die Inner- bzw. Zwischenpopulationsvariabilität in der Merkmalsausprägung erklären und dies für verschiedene Verteidigungsmerkmale. Anhand theoretischer Modelle werden wir analysieren, wie eine Metapopulationsstruktur die Chancen von Verteidigungs- oder Virulenz-Allelen beeinflusst sich in einer Population zu halten. Wir werden computergestützte Methoden entwickeln zur Parameterschätzung in Metapopulationsmodellen mit Wirts-Parasit-Interaktionen.

 

Die evolutionäre Bedeutung von inner und zwischen-kolonialer Variation im Verhalten, der genetischen Zusammensetzung und Immunkompetenz von Ameisen

DFG Fo 298 / 11

Projektbeteiligte: Doktoranden Andreas Modlmeier und Evelien Jongepier, Susanne Foitzik

Charles Darwin haben wir die Erkenntnis zu verdanken, dass aufgrund der herrschenden Variation und der Heritabilität von Merkmalen, die natürliche Selektion der wichtigste Prozess der Evolution ist und damit zu der heute zu beobachteten Artenvielfalt entscheidend beiträgt. Allerdings ist bei vielen Arten derzeit unbekannt, in welche Richtung und mit welcher Stärke die natürliche Selektion auf bestimmte Merkmale wirkt. Während die Paläontologie nahe legt, dass sich Arten rasch an neue Umweltbedingungen anpassen und dann lange nicht verändern, zeigen ökologische Untersuchungen, dass Selektionsdrücke auch über kurze Zeiträume stark schwanken.

In diesem Projekt untersuchen wir welche morphologischen und verhaltens-biologischen Merkmale von Königinnen und Arbeiterinnen bei Ameisen der Gattung Temnothorax unter Selektion stehen. Dabei bestimmen wir mittels Merkmal-Fitness-Regressionen Selektionsgradienten. Außerdem ermitteln wir durch einen Vergleich der Merkmalesmittelwerte sowohl vor als auch nach Selektionsereignissen die Selektionsdifferentiale. Ein Vergleich zweier Arten mit unterschiedlicher Sozialstruktur – Monogynie versus Polygynie - wird zeigen, inwieweit Gründungsstrategien die Richtung der Selektion auf bestimmte Merkmale beeinflusst. Schließlich analysieren wir, inwieweit die Fitness von Ameisenkolonien von der Heterozygosität oder der genetischen Diversität beeinflusst wird.

Erste Ergebnisse zeigen, dass Arbeiterinnen aus unterschiedlichen Kolonien sich deutlich im Aggressions-, Brutpflege,- und Neugierdeverhalten unterscheiden. Dabei konnten wir zeigen, dass Kolonien mit einer höheren Aggression und einer erhöhten Varianz im Aggressionsverhalten einen höheren reproduktiven Output haben. Dies ist insbesondere in dichten Populationen der Fall. Dies sind die ersten Belege dafür, welche Verhaltensmerkmale unter Selektion im Freiland liegen können.

Publikationen

Publications in peer-reviewed journals                                        

Foto: Birgit Fischer-Blass        

2016 / In Press

Negroni M, Jongepier E, Feldmeyer B, Kramer BH, Foitzik S. Life History Evolution in social insects: a female perspective. Current Opinion in Insect Science, in press. 

Metzler D, Jordan F, Pamminger T, Foitzik S. The influence of space and time on the evolution of altruistic defense: the case of ant slave rebellion. Journal of Evolutionary Biology, in press. 

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2015

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Jongepier E, Kleeberg I, Foitzik S. 2015. The ecological success of a social parasite increases with manipulation of collective host behaviour. Journal of Evolutionary Biology, 28: 2152–2162.

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2014

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2013

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