Dissertation/Thesis Abstract

The Regulation of Digestive Enzyme Release in the Two-Spotted Field Cricket Gryllus bimaculatus (de Geer): Effects of Endogenous and Environmental Factors
by Weidlich, Sandy, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2013, 118; 10692426
Abstract (Summary)

Insekten stellen mit Abstand die größte und vielfältigste Tiergruppe auf Erden dar und üben einen großen ökologischen wie auch ökonomischen Einfluss aus. Trotz intensiver Forschung im Bereich der integrierten Schädlingsbekämpfung sind bislang noch viele Fragen über die Adaptionsmechanismen von Insekten gegenüber ihrer Umwelt ungeklärt. Da der Verdauungstrakt von Insekten ein potentielles Angriffsziel für effektive Schädlingsbekämpfung darstellt, wurde innerhalb dieser Studie die Freisetzung von Verdauungsenzymen bei der omnivoren Grille, Gryllus bimaculatus, in Abhängigkeit von endogenen und Umweltfaktoren (Temperatur, Licht-Dunkel Rhythmus, Futter) analysiert. Die Freisetzung von Carbohydrasen, Proteasen und Lipasen in den Caeca von adulten und larvalen G. bimaculatus korreliert stark mit der täglichen Futteraufnahme. Dabei wurde eine maximale Enzymsekretion zwischen Tag 2 und 4 des letzten Larvenstadiums bzw. des Adultstadiums gefunden. Die Freisetzung von Chitinase wird hingegen maßgeblich vom Zeitpunkt der Häutung beeinflusst, so dass Chitinase bei der Nahrungsverwertung eher eine untergeordnete Rolle spielt. Darüber hinaus wird vermutet, dass die gemessene Cellulaseaktivität in den Caeca auf eine endogene Cellulase zurückzuführen ist, da aufgrund der Probenaufarbeitung mögliche eukaryotischen Endosymbionten oder Bakterien aus dem Darm entfernt wurden. Nähere Untersuchungen an der Protease Trypsin zeigten, dass das Enzym in Form einer Vorstufe (Zymogen) im Darmgewebe gespeichert wird. Die Freisetzung erfolgt über Exocytose aus den zymogenen Zellen des Mitteldarmes in das Darmlumen. Nach Aktivierung der Vorstufe wies das Gryllus-Trypsin ein Molekulargewicht von ~24 kDa auf und war gegen proteolytischen Abbau im Lumen geschützt. Eine Regulation der Proteaseaktivität im Mitteldarm durch endogene Protease-Inhibitoren konnte nicht gefunden werden. Mithilfe der RNA-Interferenz Methode (Gen-Knockdown) wurde die endogene Steuerung der Enzymsekretion im Mitteldarm durch die Neuropeptide Allatostatin A und Sulfakinin näher untersucht. Beide Peptide beeinflussen nachweislich die Futteraufnahme der Tiere. Die Funktionsanalyse des Allatostatin A Gens auf physiologischer Ebene wurde an Larven und adulten Grillen durchgeführt, wobei Weibchen auf die Methode sensibler zu reagieren scheinen. Gensuppression von AST-A führte meist zu einer reduzierten Syntheserate von Amylase, Trypsin, Aminopeptidase und Lipase in den Caeca-Geweben. Dabei schwankte die Höhe der Freisetzung zwischen den untersuchten Stadien und Geschlechtern. Der Knockdown der Sulfakininexpression führte hingegen zu einer deutlichen Erhöhung der Amylase- und Cellulasesekretion bei Weibchen, während bei Männchen ein Trend zu reduzierter Protease- und Lipasefreisetzung ersichtlich war. Sowohl die Quantität als auch die Qualität der Nahrung haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Freisetzung aller untersuchten Enzyme. Gefütterte Tiere wiesen stets eine höhere Aktivität und eine stärkere Freisetzung der Verdauungsenzyme auf als gehungerte Grillen. Längere Hungerphasenführten zu einer Reduktion der Enzymaktivität im Darm und zu einer deutlich verminderten Syntheserate in den Caeca-Geweben. Obwohl die Anwesenheit von Nährstoffen im Inkubationsmedium eher stimulierend auf die Freisetzung der Enzyme wirkte, konnte bei Cellulase eine starke Reduktion der Sekretion bei Anwesenheit von Cellubiose im Inkubationsmedium oder Cellulose in der Nahrung festgestellt werden. Zusatz des pflanzlichen Protease-Inhibitors SBTI zur Nahrung führte zu einer konzentrationsabhängigen Reduktion der Aktivität und Freisetzung von Trypsin in den Caeca, wobei die Grillen geringere Konzentrationen an SBTI durch Enzym-Hyperproduktion kompensieren konnten. Neben der Futteraufnahme wurde die Freisetzung der Verdauungsenzyme durch den Tag-Nacht-Rhythmus der Tiere beeinflusst. Das Einsetzen der Futteraufnahme zu Beginn der Dunkelphase erklärt die erhöhte Protease- und Lipasefreisetzung, jedoch konnte in adulten wie larvalen G. bimaculatus ein Anstieg der Freisetzung von Carbohydrasen während der Photophase verzeichnet werden. Die Regulation der Enzymfreisetzung wird folglich nicht allein durch den Zeitpunkt der Futteraufnahme bestimmt. Temperatur als Umweltfaktor spielt bei der Freisetzung von Verdauungsenzymen in G. bimaculatus eine eher untergeordnete Rolle. Obwohl alle untersuchten Enzyme Temperaturoptima im Bereich von 30°C-40°C aufwiesen, zeigten Lipase und Amylase keinen Unterschied in der Freisetzung nach Gewebeinkubationen bei 25°C oder 35°C. Die Sekretion von Proteasen hingegen war bei 35°C Inkubationstemperaturdeutlich erhöht. Bei längerer Zucht der Tiere bei 22°C und 32°C konnte nur für Trypsin eine Anpassung der Sekretionsrate an die Haltungstemperatur in Form einer positiven Akklimatisation gefunden werden.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Entomology
Keywords: Integrated pest management
Publication Number: 10692426
ISBN: 9781392615041
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