Exploring the mycobiota of the Formica polyctena ants and their nests as a background for indicating unknown interspecies interactions

Kilka dobrze opisanych przykładów pokazuje, że grzyby i mrówki mogą wchodzić w interakcje mutualistyczne. W tych relacjach grzyby stanowią główne źródło pokarmu, jak u mrówek grzybiarek i ich upraw należących do rzędu Agaricales, lub wzmacniają trwałość struktury gniazda, jak w przypadku mrówek budujących kartonowe gniazda i czarnych drożdży z rzędu Chaetothyriales. Jednakże, podczas gdy większość badań koncentruje się na gatunkach tropikalnych, nieantagonistyczne interakcje między mrówkami i grzybami w klimacie umiarkowanym pozostają w dużej mierze niepoznane. Jedną grup mrówek typowych dla strefy umiarkowanej są rude mrówki leśne (Formica rufa group), tworzące liczne i stabilne kolonie w lasach Eurazji. Ich cechą charakterystyczną jest budowa gniazda, którego ważną część stanowi nadziemny kopiec zbudowany z materii roślinnej. Ze względu na istotny wpływ jaki wywierają na otaczające środowisko mrówki te określane są często inżynierami ekosystemowi. W ramach swojej pracy doktorskiej skupiłem się na scharakteryzowaniu mykobioty mrówki ćmawej (Formica polyctena) i jej gniazda, w celu wskazania taksonów symbiotycznie z nimi związanych. Opisując zespół grzybów należących do typu Mucoromycota żyjących w kopcach mrówek ćmawych, wykazałem, że zespół grzybów obecnych w kopcach jest specyficzny i bardziej stabilny niż zespół obecny w otaczającej ściółce leśnej. Dodatkowo wskazałem gatunek Entomortierella lignicola jako szczególnie związany ze środowiskiem kopca, sugerując jego przystosowanie do życia w interakcji z mrówkami. Charakteryzując zespół grzybów i bakterii obecnych w kieszonkach policzkowych mrówki ćmawej, pokazałem liczny i różnorodny skład mikrobioty tego organu. W ramach stałej mykobioty udało mi się wykazać przedstawicieli 15 rodzajów grzybów, w tym drożdży z rodzajów Wickerhamiella i Schwanniomyces związanych z owadami, oraz strzępkowych saprotrofów i endofitów (przykładowo Cladosporium i Exobasidium), najprawdopodobniej pozyskanych przez mrówki z otaczającego środowiska. Zespół bakteryjny zdominowany był przez przedstawicieli Lactobacilliaceae i Acetobacteriaceae, rodzin znanych z wchodzenia w skład mikrobiomu jelitowego mrówek, związanych z fermentacją cukrów zawartych w spadzi mszyc. Ostatecznie, na podstawie szczepów wyizolowanych z grudek policzkowych, wyznaczyłem nowy rodzaj Formicomyces (Trichomeriaceae), zawierający nowo opisany gatunek - F. microglobosus. To odkrycie wskazuje na wielokrotne, niezależne wyewoluowanie cech przystosowawczych do współżycia z mrówkami w rodzinie Trichomeriaceae, do której należą również taksony powszechnie izolowane z gniazd kartonowych, tropikalnych mrówek. Przeprowadzone przeze mnie badania pokazują, że chociaż w środowisku życia mrówki ćmawej występuje różnorodny zespół grzybów, to część taksonów, w tym gatunki dotychczas niepoznane, jest silnie, potencjalnie symbiotycznie, związanych z tymi mrówkami. Bardziej szczegółowe badania skupione na scharakteryzowaniu interakcji pomiędzy mrówką ćmawą, a rodzajami Cladosporium, Entomortierella, Exobasidium, Formicomyces, Schwanniomyces i Wickerhamiella są niezbędne do zrozumienia roli tych interakcji w funkcjonowaniu ekosystemów leśnych strefy umiarkowanej.

A few well-described examples show that fungi and ants can form mutualistic interactions. In these relationships, fungi either serve as the main food source, as seen in fungus-farming ants and their cultivars from the order Agaricales, or contribute to nest durability, as in carton-nesting ants and black yeasts from the order Chaetothyriales. However, while most studies focus on tropical species, non-antagonistic interactions between ants and fungi in temperate climates remain largely unknown. One group of ants typical of these regions is the Formica rufa group (red wood ants), which form numerous, stable colonies in Eurasian forests. A characteristic feature of these ants is their nest structure, which includes an above-ground mound built from collected plant matter. Due to their significant impact on the surrounding environment, these ants are considered ecosystem engineers. In my doctoral research, I focused on characterizing the mycobiota of Formica polyctena ants and their nests, to identify symbiotic fungal taxa. By describing the fungal community of the Mucoromycota phylum in the mounds of F. polyctena, I demonstrated that this community is distinct and more stable than the fungal community found in the surrounding forest litter. Additionally, I identified Entomortierella lignicola as being particularly associated with the mound environment, suggesting its adaptation to living in interaction with ants. By characterizing the fungal and bacterial communities found in the infrabuccal pockets of F. polyctena, I demonstrated the diverse and abundant microbiota of this organ. As part of the stable mycobiota, I identified representatives from 15 fungal genera, including yeasts associated with insects from the genera Wickerhamiella and Schwanniomyces, as well as filamentous saprotrophs and plant endophytes (e.g., Cladosporium and Exobasidium), most likely acquired by the ants from the surrounding environment. The bacterial community was dominated by members of Lactobacilliaceae and Acetobacteriaceae - families known to form the gut microbiome of ants and known to be involved in fermenting sugars from aphid honeydew. Finally, based on strains isolated from the infrabuccal pockets, I designated the genus Formicomyces (Trichomeriaceae), which includes the newly described species F. microglobosus. This discovery suggests an independent evolutionary transition toward symbiosis with ants in the family Trichomeriaceae, which also includes taxa commonly isolated from the carton nests of tropical ants. My research shows that although the mycobiota of F. polyctena is composed of a diverse fungal community, some taxa are strongly, possibly symbiotically, associated with these ants, including previously unknown species. More detailed studies on the interactions between Formica polyctena and genera Cladosporium, Entomortierella, Exobasidium, Formicomyces, Schwanniomyces, and Wickerhamiella are essential for understanding the role of these interactions in the functioning of temperate forest ecosystems.