Mutualismo e manipolazione nelle relazioni tra formiche e piante: aspetti ecoetologici e applicativi

My Phd project aims to study the mutualistic interactions between ants and myrmecophilc plants and between ants and plants of the genus Quercus spp., mediated by galls produced by the cinipid Andricus quercustozae (Hymenoptera; Cinipidae). Due to the lack of data concerning the interactions between mirmecophilic plants and ant-fauna in the Mediterranean environment, we conduct a preliminary in-situ study on diffrent plant models. The analysis shows a consistent effect of myrmecophily, with an evident increase in ant activity in the transects with free access to the nectaries near the experimental plants (from 1 meter to 10 meters). We also evaluate the effects of the presence/absence of ants on Vicia sativa and Vicia faba plants. For both plant models, different parameters related to the plant's well-being have been assessed. The action of ant defense is shown early in the life of the plant, leading to a decrease in the number of leaf predators in the phase of greater vulnerability for plant development. Following the results in the field, we choose Vicia faba as a model to clarify the effects of the extra-floral nectar intake on various aspects of ant behavior. We evaluate: the ant aggression directed towards Halyomorpha halys and Lasius niger, behavioral parameters associated with locomotor activity and the response to social stimuli (trail-following). We also assess the effects on plant fitness with particular concern to the production of extra-floral nectar. The analyzes show: 1) a response of the plants with an increase in the production of nectar and 2) a reduction of prey in a few hours by ants that took nectar. To investigate the potential manipulation effect of extra-floral nectar on ants, a second model plant is chosen: Prunus avium. We evaluate the effects of nectar intake on ants both in nature and in the laboratory. In the field, the experiments show a consistent effect of protection by the ants. In the lab, the analyzes show substantial effects on ant behavior: a variation of the locomotor parameters, an increase in aggressiveness and the loss of the ability to perceive the trace pheromone. The data collection in the present work support the hypothesis of a close relationship between ants and plants, also characterized by manipulation elements. Finally, we study the interactions between ants and plants of the genus Quercus spp., mediated by galls induced by Andricus quercustozae. The collected data show the presence of 12 species of ants belonging to 5 genera. A different colony composition of C. scutellaris is found compared to other species with differences in excavation architecture for all species. When ants are present, the results show a protective effect with a decrease of the number in chewing insects and fungi. This allows to clarify several aspects related to the mutual relationship between ants and plants. This is the first example of data collection on this phenomenon in Italy and among the few that concern species living in temperate latitudes. The effects on ants fed with extra-floral nectar support the hypothesis of a possible ant behavioral manipulation by the plant. Our results lay the foundations for further investigations aimed at clarifying the nature of these ant-plant interactions and the role of extra-floral nectar.

Il mio progetto di dottorato si propone di studiare le interazioni mutualistiche dirette tra formiche e piante mirmecofile e le relazioni mediate tra formiche e piante del genere Quercus spp., favorite dalle galle prodotte dal cinipide Andricus quercustozae (Hymenoptera; Cinipidae). A causa della assenza di dati inerenti le interazioni tra piante mirmecofile e mirmecofauna in ambiente mediterraneo, abbiamo condotto uno studio preliminare in natura su diffrenti piante modello. Dalle analisi emerge un consistente effetto della mirmecofilia, con un evidente incremento dell’attività nei transetti con accesso libero ai nettàri nel raggio di 1 metro, a 5 e 10 metri di distanza dalle piante sperimentali. Abbiamo inoltre valutato i possibili effetti dovuti alla presenza/assenza di formiche su piante di Vicia sativa e Vicia faba. Per entambi i modelli vegetali sono stati valutati differenti parametri connessi al benessere della pianta. L’azione di difesa delle formiche si manifesta precocemente nella vita della pianta, portando ad una diminuzione del numero di predatori fogliari nella fase di maggiore vulnerabilità per lo sviluppo. A seguito dei risultati in campo, abbiamo scelto Vicia faba come modello per chiarire gli effetti dell’assunzione del nettare extrafiorale su vari aspetti del comportamento delle formiche. E’ stata valutata l’aggressività diretta verso Halyomorpha halys e Lasius niger; i parametri comportamentali connessi con l’attività locomotoria e la risposta a stimoli sociali (trail-following). Abbiamo inoltre valuatato gli effetti sulla fitness delle piante con particolare riguardo alla produzione del nettare extrafiorale. Le analisi mostrano una risposta delle piante con un incremento della produzione di nettare e i risultati dell’aggressività evidenziano un abbattimento delle prede in poche ore da parte di formiche che hanno assunto nettare. Per indagare il potenziale effetto di manipolazione del nettare extrafiorale sulle formiche, è stata scelta una seconda pianta modello: Prunus avium. Sono stati valutati gli effetti dell’assunzione di nettare extrafiorale da parte delle formiche in natura e in laboratorio. Gli esperimenti hanno evidenziato un consistente effetto di protezione da parte delle formiche. Le analisi effettuate in laboratorio hanno evidenziato effetti consistenti sulla alterazione del comportamento con una variazione dei parametri locomotori, un incremento di aggressività e la perdita della capacità di percepire il feromone di traccia. I dati raccolti nel presente lavoro supportano l’ipotesi di una stretta relazione tra formiche e piante, caratterizzata anche da elementi di manipolazione. In ultima analisi sono state studiate le interazioni tra formiche e piante del genere Quercus spp., favorite dalle galle indotte dal cinipide Andricus quercustozae. I dati raccolti hanno evidenziato la presenza di 12 specie di formiche appartenenti a 5 generi. E’ stata riscontrata una differente composizione delle colonie in C. scutellaris rispetto alle altre specie con differenze nell’architettura di scavo per tutte le specie. Per quanto riguarda l’effetto della presenza di formiche, i risultati evidenziano un effetto di protezione nei confronti delle piante contro insetti masticatori e infezioni fungine. Il presente lavoro ha permesso di chiarire numerosi aspetti legati alla relazione mutualistica tra formiche e piante. Si tratta dei primi dati di tipo etoecologico raccolti in modo sistematico su questo fenomeno in Italia e tra i pochi che riguardano specie che vivono a latitudini temperate. Gli effetti registrati a seguito dell’assunzione del nettare extrafiorale da parte delle formiche supportano l’ipotesi di una possibile manipolazione comportamentale delle formiche da parte della pianta. I risultati ottenuti pongono le basi per ulteriori indagini volte a chiarire la natura di queste interazioni e il ruolo esercitato dal nettare extrafiorale.