Endokrine Signale in der Kastendetermination der ursprünglichen Termite Mastotermes darwiniensis Froggatt (Isoptera: Mastotermitidae)

Titelangaben

Wende, Franziska:
Endokrine Signale in der Kastendetermination der ursprünglichen Termite Mastotermes darwiniensis Froggatt (Isoptera: Mastotermitidae).
Bayreuth , 2013 . - 297 S. S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Als „ecosystem engineers“ sind Termiten in subtropischen und tropischen Ökosystemen von wichtiger ökologischer Bedeutung. Gleichzeitig gelten einige Termitenarten als Bauholz- und Agrarschädlinge, die weltweit vorkommen und enorme Schäden anrichten können. Für die Entwicklung effizienter und umweltschonender Insektizide gegen Termiten dient besonders deren Kastendifferenzierung als Ansatzpunkt. Die Mechanismen der Kastendifferenzierung sind noch nicht vollständig aufgeklärt, das Juvenilhormon (JH) soll aber eine entscheidende Rolle spielen. Daher sollte in dieser Studie der Einfluss des Juvenilhormons auf die Kastendifferenzierung bei der basalen Termite Mastotermes darwiniensis untersucht werden. Die Regulation der JH-Biosynthese erfolgt über allatoregulierende Neuropeptide, von denen Allatostatin A (AST-A) das am weitesten verbreitete ist. Die Expression des AST-A Gens bei M. darwiniensis wurde daher ebenfalls analysiert. Zunächst musste die Sequenz des AST-A Gens von M. darwiniensis und die Organisation des AST-A Prohormonvorläufers identifiziert werden. Das AST-A Gen kodiert einen Prohormonvorläufer mit 14 potentiellen Peptiden, die durch vier saure Spacerregionen zu Clustern zusammengefasst werden. Dabei weisen nicht alle Peptide die charakteristische C-terminale Sequenz Y/FXFGL/I/V-amid der AST-A Peptide auf. Trotzdem zeigt der AST-A Prohormonvorläufer von M. darwiniensis eine starke Ähnlichkeit zu dem ebenfalls in dieser Studie identifizierten AST-A Prohormonvorläufer der nahe verwandten Schabenart Cryptocercus darwini sowie zu den bekannten AST-A Prohormonvorläufern anderer Schaben und einer weiteren Termitenart. Die phylogenetische Analyse der Prohormonvorläufer und des AST-A Gens bestätigte die enge Verwandtschaft der Schaben und Termiten. Durch die zentrale Einordnung der Termiten innerhalb der Schaben konnte zudem die noch umstrittene Paraphylie der Blattaria bestätigt werden. Die Stammbäume, die aus AST-A Sequenzen von acht verschiedenen Insektenordnungen berechnet wurden, zeigten generell eine Übereinstimmung mit der anerkannten Phylogenie der Insekten. Eine unterschiedliche Topologie und teilweise geringe Bootstrap-Werte sprechen allerdings gegen die Eignung von AST-A für phylogenetische Analysen. Das AST-A Gen wird bei M. darwiniensis überwiegend im Gehirn exprimiert. Eine geringere Expression konnte auch in verschiedenen Teilen des Darms nachgewiesen werden, wobei der Mitteldarm höhere Expressionsraten aufwies als der Vorder- und Hinterdarm. In den verschiedenen Entwicklungsstadien von M. darwiniensis zeigten sich ebenfalls Unterschiede bei der AST-A Expression, generell wiesen „adulte“ Stadien eine höhere Expression auf als juvenile Stadien. Die Messung des Gehaltes von JH III und Ecdysteroiden bei den verschiedenen Entwicklungsstadien von M. darwiniensis erfolgte mittels HPLC-MS. Ein hoher JH III-Gehalt wurde bei Larven nachgewiesen, dieser lag über dem JH III-Gehalt der Nymphen derselben Altersgruppe. Der hohe JH III-Gehalt der mittleren Larven deutet auf die potentielle Entwicklung dieser Tiere zu Soldaten. Während der Entwicklung von Geschlechtstieren konnte nur ein geringer JH III-Gehalt gemessen werden. Dies galt sowohl für die Entwicklung von primären Geschlechtstieren aus Nymphen als auch für die Entwicklung sekundärer Geschlechtstiere aus Arbeitern. Der hohe JH III-Gehalt während der Soldatenentwicklung ebenso wie der niedrige JH III-Gehalt während der Geschlechtstierbildung stimmt mit dem Modell von Nijhout & Wheeler (1982) zum Einfluss von JH auf die Kastendifferenzierung bei Termiten überein. Dieses bezieht sich allerdings auf Termiten mit linearem Entwicklungsweg, während bei Termiten mit zweiästigem Entwicklungsweg – wie M. darwiniensis – bisher nur wenig zur Rolle von JH auf die Kastendifferenzierung bekannt war. Es konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem JH III-Hämolymphtiter und der Expression des AST-A Gens im Gehirn bei M. darwiniensis nachgewiesen werden. Beide Parameter waren negativ miteinander korreliert, d. h. Entwicklungsstadien mit hohem JH III-Titer zeigten überwiegend geringe AST-A Expression und umgekehrt. Zur weiterführenden Funktionsanalyse des AST-A Gens wurde zudem versucht, die Expression des AST-A Gens in Arbeitern von M. darwiniensis mittels RNA-Interferenz zu unterdrücken. Durch Injektion von doppelsträngiger RNA (dsRNA) abgeleitet vom AST-A Gen konnte die Expression um bis zu 92% reduziert werden. Die Reduktion war dabei in den verschiedenen Geweben unterschiedlich stark ausgeprägt. Es konnte keine vollständige Suppression der AST-A Expression erreicht werden. Drei Tage nach der Injektion von AST-A dsRNA konnte keine Auswirkung auf den JH III-Titer in der Hämolymphe der Tiere beobachtet werden.

Abstract in weiterer Sprache

As ecosystem engineers, termites play an important role in the ecology of subtropical and tropical ecosystems. At the same time, a few termite species are important pests of timber and agriculture. They are responsible for huge damage all over the world. For the development of efficient and environmentally friendly insecticides the caste differentiation of termites is of particular interest. The mechanisms of caste differentiation are not well understood but juvenile hormone (JH) is assumed to play a major role. Therefore, the influence of JH on caste differentiation in the primitive termite Mastotermes darwiniensis was examined in this study. Biosynthesis of JH is regulated by allatoregulating neuropeptides. Among them A-type allatostatins (AST-A) are most widely spread. Therefore, the AST-A gene expression of M. darwiniensis was analysed as well. In a first step the sequence of the AST-A gene and the organisation of the AST-A prohormone precursor of M. darwiniensis were identified. The AST-A gene encodes a prohormone precursor with 14 putative peptides. Four acidic spacers separate clusters of individual peptides. Not all peptides contain the C-terminal ending Y/FXFGL/I/V-amide of AST-A peptides. Nevertheless, the AST-A prohormone precursor of M. darwiniensis is very similar to the AST-A prohormone precursor of the closely related cockroach Cryptocercus darwini which was identified in this study as well. Both show a high degree of similarity to known AST-A prohormone precursors of other cockroaches and another termite species. Phylogenetic analyses of the prohormone precursors and the AST-A gene proved the close relationship between cockroaches and termites. In addition, the paraphyly of Blattaria was confirmed by the placement of the termites within cockroaches. Phylogenetic trees, which were generated from AST-A sequences of eight different insect orders, are in accordance with the accepted phylogeny of insects. However, a different topology and partially low bootstrap values show that AST-A is not suitable for phylogenetic analyses. The AST-A gene is predominantly expressed in the brain of M. darwiniensis. Less expression was detected in different parts of the gut, with midgut showing a higher expression than foregut and hindgut. There was a different expression of the AST-A gene in different developmental stages of M. darwiniensis as well. In general, “adult” stages had a higher expression than juvenile stages. The JH and ecdysteroid hormone content of different developmental stages of M. darwiniensis was measured by HPLC-MS. A higher JH III content was shown in larvae than in nymphs of the same age. The high JH III level of intermediate larvae indicates their potential to develop into soldiers. During the development of reproductives JH III content was low. This was true for the development of primary reproductives from nymphs as well as for the development of secondary reproductives from workers. The high JH III content during the development of soldiers as well as the low JH III level during the development of reproductives is in agreement with the proposed model of Nijhout & Wheeler (1982). This model describes the influence of JH on caste differentiation of termites developing along the linear ontogenetic pathway. In contrast, the role of JH in caste differentiation of termites developing along the bifurcated ontogenetic pathway – such as M. darwiniensis – is less understood. A significant correlation between the JH III haemolymph titre and the expression of the AST A gene in the brain was demonstrated in M. darwiniensis. Both parameters were negatively correlated, i. e. developmental stages with high JH III titre mostly had a low AST A expression and vice versa. The method of RNA interference (RNAi) was used to further analyse the function of the AST A gene. By RNAi, it was tried to suppress the expression of the AST-A gene in workers of M. darwiniensis. The expression was reduced up to 92% by injection of double stranded RNA (dsRNA) derived from the AST-A gene. There were different reduction levels in various tissues. Complete suppression of the AST-A gene expression was never reached. Three days after the injection of AST-A dsRNA the JH III titre in the haemolymph of the workers was unchanged.