Abstract Correlation between gut microbiota and host phylogeny could reflect codiversification over shared evolutionary history or a selective environment that is more similar in related hosts. These alternatives imply substantial differences in the relationship between host and symbiont, but can they be distinguished based on patterns in the community data themselves? We explored patterns of phylogenetic correlation in the distribution of gut bacteria among species of turtle ants (genus C ephalotes ), which host a dense gut microbial community. We used 16 S r RNA pyrosequencing from 25 C ephalotes species to show that their gut community is remarkably stable, from the colony to the genus level. Despite this overall similarity, the existing differences among species' microbiota significantly correlated with host phylogeny. We introduced a novel analytical technique to test whether these phylogenetic correlations are derived from recent bacterial evolution, as would be expected in the case of codiversification, or from broader shifts more likely to reflect environmental filters imposed by factors such as diet or habitat. We also tested this technique on a published data set of ape microbiota, confirming earlier results while revealing previously undescribed patterns of phylogenetic correlation. Our results indicated a high degree of partner fidelity in the C ephalotes microbiota, suggesting that vertical transmission of the entire community could play an important role in the evolution and maintenance of the association. As additional comparative microbiota data become available, the techniques presented here can be used to explore trends in the evolution of host‐associated microbial communities.

Recent years have seen a surge in methods to track and analyze animal behavior. Nevertheless, tracking individuals in closely interacting, group-living organisms remains a challenge. Here we present anTraX, an algorithm and software package for high-throughput video tracking of color-tagged insects. anTraX combines neural network classification of animals with a novel approach for representing tracking data as a graph, enabling individual tracking even in cases where it is difficult to segment animals from one another, or where tags are obscured. The use of color tags, a well-established and robust method for marking individual insects in groups, relaxes requirements for image size and quality, and makes the software broadly applicable. anTraX is readily integrated into existing tools and methods for automated image analysis of behavior to further augment its output. anTraX can handle large-scale experiments with minimal human involvement, allowing researchers to simultaneously monitor many social groups over long time periods.

ABSTRACT Collective behavior emerges from local interactions between group members, and natural selection can fine-tune these interactions to achieve different collective outcomes. However, at least in principle, collective behavior can also evolve via changes in group-level parameters. Here, we show that army ant mass raiding, an iconic collective behavior in which many thousands of ants spontaneously leave the nest to go hunting, has evolved from group raiding, in which a scout directs a much smaller group of ants to a specific target. We describe the structure of group raids in the clonal raider ant, a close relative of army ants. We find that the coarse structure of group raids and mass raids is highly conserved, and that army ants and their relatives likely follow similar behavioral rules, despite the fact that their raids differ strikingly in overall appearance. By experimentally increasing colony size in the clonal raider ant, we show that mass raiding gradually emerges from group raiding without altering individual behavioral rules. This suggests a simple mechanism for the evolution of army ant mass raids, and more generally that scaling effects may provide an alternative mechanism for evolutionary transitions in complex collective behavior.

Life inside ant colonies is orchestrated with a diverse set of pheromones, but it is not clear how ants perceive these social cues. It has been proposed that pheromone perception in ants evolved via expansions in the numbers of odorant receptors (ORs) and antennal lobe glomeruli. Here we generate the first mutant lines in ants by disrupting orco , a gene required for the function of all ORs. We find that orco mutants exhibit severe deficiencies in social behavior and fitness, suggesting that they are unable to perceive pheromones. Surprisingly, unlike in Drosophila melanogaster , orco mutant ants also lack most of the approximately 500 antennal lobe glomeruli found in wild-types. These results illustrate that ORs are essential for ant social organization, and raise the possibility that, similar to mammals, receptor function is required for the development and/or maintenance of the highly complex olfactory processing areas in the ant brain.

According to Mendel's second law, chromosomes segregate randomly in meiosis. Non-random segregation is primarily known for cases of selfish meiotic drive in females, in which particular alleles bias their own transmission into the oocyte. Here we report a rare example of unselfish meiotic drive for crossover inheritance in the clonal raider ant, Ooceraea biroi, in which both alleles are co-inherited at all loci across the entire genome. This species produces diploid offspring parthenogenetically via fusion of two haploid nuclei from the same meiosis. This process should cause rapid genotypic degeneration due to loss of heterozygosity, which results if crossover recombination is followed by random (Mendelian) segregation of chromosomes. However, by comparing whole genomes of mothers and daughters, we show that loss of heterozygosity is exceedingly rare, raising the possibility that crossovers are infrequent or absent in O. biroi meiosis. Using a combination of cytology and whole-genome sequencing, we show that crossover recombination is, in fact, common but that loss of heterozygosity is avoided because crossover products are faithfully co-inherited. This results from a programmed violation of Mendel's law of segregation, such that crossover products segregate together rather than randomly. This discovery highlights an extreme example of cellular 'memory' of crossovers, which could be a common yet cryptic feature of chromosomal segregation.

Abstract Ants communicate via large arrays of pheromones and possess expanded, highly complex olfactory systems, with antennal lobes in the brain comprising ~500 glomeruli. This expansion implies that odors could activate hundreds of glomeruli, which would pose challenges for higher order processing. To study this problem, we generated the first transgenic ants, expressing the genetically encoded calcium indicator GCaMP6s in olfactory sensory neurons. Using two-photon imaging, we mapped complete glomerular responses to four ant alarm pheromones. Alarm pheromones robustly activated ≤6 glomeruli, and activity maps for the three pheromones inducing panic-alarm in our study species converged on a single glomerulus. These results demonstrate that, rather than using broadly tuned combinatorial encoding, ants employ precise, narrowly tuned, and stereotyped representation of alarm pheromone cues. The identification of a central sensory hub glomerulus for alarm behavior suggests that a simple neural architecture is sufficient to translate pheromone perception into behavioral outputs.

Abstract Ants communicate via an arsenal of different pheromones produced in a variety of exocrine glands. For example, ants release alarm pheromones in response to danger to alert their nestmates and to trigger behavioral alarm responses. Here we characterize the alarm pheromone and the alarm response of the clonal raider ant Ooceraea biroi , a species that is amenable to laboratory studies but for which no pheromones have been identified. During an alarm response, ants quickly become unsettled, leave their nest pile, and are sometimes initially attracted to the source of alarm, but ultimately move away from it. We find that the alarm pheromone is released from the head of the ant and identify the putative alarm pheromone as a blend of two compounds found in the head, 4-methyl-3-heptanone and 4-methyl-3-heptanol. These compounds are sufficient to induce alarm behavior alone and in combination. They elicit similar, though slightly different behavioral features of the alarm response, with 4-methyl-3-heptanone being immediately repulsive and 4-methyl-3-heptanol being initially attractive before causing ants to move away. The behavioral response to these compounds in combination is dose-dependent, with ants becoming unsettled and attracted to the source of alarm pheromone at low concentrations and repulsed at high concentrations. While 4-methyl-3-heptanone and 4-methyl-3-heptanol are known alarm pheromones in other more distantly related ant species, this is the first report of the chemical identity of a pheromone in O. biroi , and the first alarm pheromone identified in the genus Ooceraea . Identification of a pheromone that triggers a robust, consistent, and conserved behavior, like the alarm pheromone, provides an avenue to dissect the behavioral and neuronal mechanisms underpinning chemical communication.

Abstract The transmission of microbial symbionts across individuals and generations can be critical for animal development and survival. Likewise, the transmission of microbes across closely interacting species could also affect host biology. Army ants (Formicidae: Dorylinae) and their hundreds of closely associated insect species (myrmecophiles) can provide a unique insight into interspecific symbiont sharing. Here, we compared the microbiota of workers and larvae of the army ant Eciton burchellii with those of 13 myrmecophile beetle species using 16S rRNA amplicon sequencing. We found that the previously characterized symbionts of army ant workers (Unclassified Firmicutes and Unclassified Entomoplasmatales) were largely absent from ant larvae and from myrmecophiles, whose microbial communities were usually dominated by Rickettsia, Wolbachia, Rickettsiella , and/or Weissella . Strikingly, different species of myrmecophiles and ant larvae often shared identical 16S rRNA genotypes of common bacteria. In particular, army ant larvae, some workers, and several myrmecophile species often hosted identical Weissella (Lactobacillales), based on 16S rRNA and also protein-coding gene sequences. Also, we found high relatedness between some newly characterized Weissella and animal-associated strains from aquatic and marine habitats. Looking more broadly, we found Weissella OTUs in 11.6% of samples from nearly all habitats and environments characterized by the Earth Microbiome Project. Together, our data show that unrelated but closely interacting species can share much of their microbiota. The high relatedness of strains found across such disparate hosts as ants, beetles, trout, and whales suggests that some versatile microbes move between hosts and habitats despite few opportunities for direct interaction.

While the neural basis of age-related decline has been extensively studied,1Damoiseaux J.S. Effects of aging on functional and structural brain connectivity.Neuroimage. 2017; 160: 32-40https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2017.01.077Crossref PubMed Scopus (348) Google Scholar,2Tamura T. Chiang A.-S. Ito N. Liu H.-P. Horiuchi J. Tully T. Saitoe M. Aging specifically impairs amnesiac-dependent memory in Drosophila.Neuron. 2003; 40: 1003-1011https://doi.org/10.1016/S0896-6273(03)00732-3Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (0) Google Scholar,3Swenson B.L. Meyer C.F. Bussian T.J. Baker D.J. Senescence in aging and disorders of the central nervous system.Transl. Med. Aging. 2019; 3: 17-25https://doi.org/10.1016/j.tma.2019.01.002Crossref Scopus (0) Google Scholar less is known about changes in neural function during the pre-senescent stages of adulthood. Adult neural plasticity is likely a key factor in social insect age polyethism, where individuals perform different tasks as they age and divide labor in an age-dependent manner.4Beshers S.N. Fewell J.H. Models of division of labor in social insects.Annu. Rev. Entomol. 2001; 46: 413-440https://doi.org/10.1146/annurev.ento.46.1.413Crossref PubMed Scopus (674) Google Scholar,5Richardson T.O. Kay T. Braunschweig R. Journeau O.A. Rüegg M. McGregor S. Los Rios P.D. Keller L. Ant behavioral maturation is mediated by a stochastic transition between two fundamental states.Curr. Biol. 2021; 31: 2253-2260.e3https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.05.038Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (12) Google Scholar,6Caminer M.A. Libbrecht R. Majoe M. Ho D.V. Baumann P. Foitzik S. Task-specific odorant receptor expression in worker antennae indicates that sensory filters regulate division of labor in ants.Commun. Biol. 2023; 6: 1004https://doi.org/10.1038/s42003-023-05273-4Crossref Scopus (0) Google Scholar,7Ferguson S.T. Bakis I. Edwards N.D. Zwiebel L.J. Age and task modulate olfactory sensitivity in the Florida carpenter ant Camponotus floridanus.Insects. 2023; 14: 724https://doi.org/10.3390/insects14090724Crossref Scopus (0) Google Scholar,8Page R.E. Erber J. Levels of behavioral organization and the evolution of division of labor.Naturwissenschaften. 2002; 89: 91-106https://doi.org/10.1007/s00114-002-0299-xCrossref PubMed Scopus (0) Google Scholar,9Lucas C. Ben-Shahar Y. The foraging gene as a modulator of division of labour in social insects.J. Neurogenet. 2021; 35: 168-178https://doi.org/10.1080/01677063.2021.1940173Crossref Scopus (0) Google Scholar Primarily, workers transition from nursing to foraging tasks,5Richardson T.O. Kay T. Braunschweig R. Journeau O.A. Rüegg M. McGregor S. Los Rios P.D. Keller L. Ant behavioral maturation is mediated by a stochastic transition between two fundamental states.Curr. Biol. 2021; 31: 2253-2260.e3https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.05.038Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (12) Google Scholar,10Robinson G.E. Page R.E. Huang Z.-Y. Temporal polyethism in social insects is a developmental process.Anim. Behav. 1994; 48: 467-469https://doi.org/10.1006/anbe.1994.1260Crossref Scopus (0) Google Scholar become more aggressive, and more readily display alarm behavior11Robinson G.E. Modulation of alarm pheromone perception in the honey bee: evidence for division of labor based on hormonally regulated response thresholds.J. Comp. Physiol. 1987; 160: 613-619https://doi.org/10.1007/BF00611934Crossref Scopus (0) Google Scholar,12Pokorny T. Sieber L.-M. Hofferberth J.E. Bernadou A. Ruther J. Age-dependent release of and response to alarm pheromone in a ponerine ant.J. Exp. Biol. 2020; 223218040https://doi.org/10.1242/jeb.218040Crossref Scopus (0) Google Scholar,13Norman V.C. Hoppé M. Hughes W.O.H. Old and wise but not size: factors affecting threat response behaviour and nestmate recognition in Acromyrmex echinatior leaf-cutting ants.Insectes Soc. 2014; 61: 289-296https://doi.org/10.1007/s00040-014-0355-5Crossref Scopus (0) Google Scholar,14Togni O.C. Giannotti E. Colony defense behavior of the primitively eusocial wasp, Mischocyttarus cerberus is related to age.J. Insect Sci. 2010; 10: 136https://doi.org/10.1673/031.010.13601Crossref PubMed Scopus (10) Google Scholar,15Giray T. Genetic variation in worker temporal polyethism and colony defensiveness in the honey bee, Apis mellifera.Behav. Ecol. 2000; 11: 44-55https://doi.org/10.1093/beheco/11.1.44Crossref Scopus (0) Google Scholar,16Norman V.C. Butterfield T. Drijfhout F. Tasman K. Hughes W.O.H. Alarm pheromone composition and behavioral activity in fungus-growing ants.J. Chem. Ecol. 2017; 43: 225-235https://doi.org/10.1007/s10886-017-0821-4Crossref Scopus (0) Google Scholar as they get older. While it is unknown how these behavioral dynamics are neurally regulated, they could partially be generated by altered salience of behaviorally relevant stimuli.4Beshers S.N. Fewell J.H. Models of division of labor in social insects.Annu. Rev. Entomol. 2001; 46: 413-440https://doi.org/10.1146/annurev.ento.46.1.413Crossref PubMed Scopus (674) Google Scholar,6Caminer M.A. Libbrecht R. Majoe M. Ho D.V. Baumann P. Foitzik S. Task-specific odorant receptor expression in worker antennae indicates that sensory filters regulate division of labor in ants.Commun. Biol. 2023; 6: 1004https://doi.org/10.1038/s42003-023-05273-4Crossref Scopus (0) Google Scholar,7Ferguson S.T. Bakis I. Edwards N.D. Zwiebel L.J. Age and task modulate olfactory sensitivity in the Florida carpenter ant Camponotus floridanus.Insects. 2023; 14: 724https://doi.org/10.3390/insects14090724Crossref Scopus (0) Google Scholar Here, we investigated how odor coding in the antennal lobe (AL) changes with age in the context of alarm pheromone communication in the clonal raider ant (Ooceraea biroi).17Lopes L.E. Frank E.T. Kárpáti Z. Schmitt T. Kronauer D.J.C. The alarm pheromone and alarm response of the clonal raider ant.J. Chem. Ecol. 2023; 49: 1-10https://doi.org/10.1007/s10886-023-01407-4Crossref PubMed Scopus (1) Google Scholar Similar to other social insects,11Robinson G.E. Modulation of alarm pheromone perception in the honey bee: evidence for division of labor based on hormonally regulated response thresholds.J. Comp. Physiol. 1987; 160: 613-619https://doi.org/10.1007/BF00611934Crossref Scopus (0) Google Scholar,12Pokorny T. Sieber L.-M. Hofferberth J.E. Bernadou A. Ruther J. Age-dependent release of and response to alarm pheromone in a ponerine ant.J. Exp. Biol. 2020; 223218040https://doi.org/10.1242/jeb.218040Crossref Scopus (0) Google Scholar,16Norman V.C. Butterfield T. Drijfhout F. Tasman K. Hughes W.O.H. Alarm pheromone composition and behavioral activity in fungus-growing ants.J. Chem. Ecol. 2017; 43: 225-235https://doi.org/10.1007/s10886-017-0821-4Crossref Scopus (0) Google Scholar older ants responded more rapidly to alarm pheromones, the chemical signals for danger. Using whole-AL calcium imaging,18Hart T. Frank D.D. Lopes L.E. Olivos-Cisneros L. Lacy K.D. Trible W. Ritger A. Valdés-Rodríguez S. Kronauer D.J.C. Sparse and stereotyped encoding implicates a core glomerulus for ant alarm behavior.Cell. 2023; 186: 3079-3094.e17https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.025Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (0) Google Scholar we then mapped odor representations for five general odorants and two alarm pheromones in young and old ants. Alarm pheromones were represented sparsely at all ages. However, alarm pheromone responses within individual glomeruli changed with age, either increasing or decreasing. Only two glomeruli became sensitized to alarm pheromones with age, while at the same time becoming desensitized to general odorants. Our results suggest that the heightened response to alarm pheromones in older ants occurs via increased sensitivity in these two core glomeruli, illustrating the importance of sensory modulation in social insect division of labor and age-associated behavioral plasticity.