رشد قسمت پشتی سخت کوتیکول شکمی در بال سوسک قرمز آرد، Tribolium castaneum

چکیده

پوشش محافظ خارجی حشرات حاوی یک کوتیکول (روپوست)، یک ماده زیستی که از پلی ساکاریدهای خطی و نسبتاً سخت ابتدایی تشکیل شده، کیتین و پروتئین های ساختاری است. مواد موجود در خارج از سلول، هم به عنوان پوست و هم به عنوان پوشش محافظ عمل می کنند که از حشرات در برابر تنش های محیطی و آسیبهای مکانیکی محافظت می کنند. علی رغم ترکیبات نسبتاً محدود پولک، وجود کوتیکولها در مناطق آناتومیکی یا مراحل نموی مختلف نشاندهنده تنوع فیزیکوشیمیایی قابل توجه و خصوصیات مکانیکی متنوع آن است که به دلیل تنوع در ترکیبات شیمیایی، واکنشهای مولکولی و ساختار مورفولوژیک لایه ها و زیرلایه های مختلف کوتیکولی مانند پوشش، اپی کوتیکول و پروتوتیکول (کوتیکول درونی و بیرونی) است. با این وجود، زیرساختهای کوتیکول بندپایان به طور نسبتاً گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته است. به ویژه در الگوی رشد جسمی، رشد همزمان لایه های عملکردی در کوتیکولهای مختلف طی مرحله پوست انداختن به خوبی کشف نشده است. بال سوسک که یکی از تمایز یافته ترین گونه های بالهای اسکلروتی است، مزیتهای متعددی برای چنین مطالعه ای دارد چون به آسانی می توان آن را در مقطع زمانی دقیقی از نمو جداسازی کرد. در این مطالعه ریخت زایی کوتیکولهای پشتی و شکمی بال حشرات، سوسک قرمز آرد، Tribolium castaneum، طی دوره ای از زمان شفیره 0 روزه تا 9 روزه بالغ مورد بررسی قرار گرفت. تعریف دو کوتیکول بیرونی و کوتیکول میانی اساساً متفاوت است. کوتیکول پشتی چهار برابر ضخیمتر از شکمی است. بر خلاف کوتیکول شکمی، کوتیکول پشتی دارای یک کوتیکول خارجی ضخیمتر است که حاوی تعداد زیادی از ورقه های افقی و کانالهای منافذ عمودی به همراه فیبرهای منافذ کانال و بالهای رگه مانند و پرزدار و همچنین یک مزوکوتیل است، که درست در بالای اندوکوتیکول قرار گرفته است. به نظر می رسد درجه اسکلتی شدن بسیار بیشتر از کوتیکول پشتی باشد. همه این تفاوتها منجر به یک کوتیکول پشتی به شدت برنزه و نسبتاً ضخیم و یک کوتیکول شکمی بسیار نازکتر و شبه غشایی دارای رنگیزه کمتر می شود. 

1. مقدمه

پوست اندازی پوشش محافظ خارجی یا کوتیکول یک مرحله نموی ضروری برای بسیاری از گونه های بی مهره است که در آن ماتریکس خارج سلولی یا کوتیکول جایگزین شده و طی رشد بازسازی می شود. کوتیکول حشره توسط سلولهای اپیدرمی زیرین در ناحیه اکتودرمی تولید می شود. که محافظتی در برابر آسیب مکانیکی، عوامل بیماریزا و پارازیتها ارائه می کند، در حالیکه همچنین زمینه ادراک حسی، نقاط اتصال عضلات، رنگ آمیزی، استتار و سایر عملکردهای فیزیولوژیک را فراهم می کند. از آنجا که کوتیکول در همه مراحل نموی وجود دارد و الزاماً کل بدن را پوشش می دهد، باید تنوع زیادی در خصوصیات فیزیکوشیمیایی و مکانیکی داشته باشد تا موجب تسهیل عملکرد بافتها و اندامهای محفظت کننده شود. بنابراین کوتیکول بخشهای مختلف آناتومی حشرات یا وجود کوتیکول مشابه در مراحل مختلف نموی ممکن است از نظر خصوصیات مکانیکی دارای تنوع گسترده ای باشند که به احتمال زیاد برخاسته از تفاوت در ترکیبات شیمیایی و واکنشهای مولکولی و همچنین ضخامت و آرایش مورفولوژیکی لایه های مختلف کوتیکول است. کوتیکول حشرات در درجه اول از کیتین ساخته شده است که یک پلی ساکارید نسبتاً سخت و مسئول مقاومت مکانیکی کوتیکول است، و مجموعه ای کامل از پروتئین ها، برخی از پروتئنها ساختاری هستند و با کیتین پیوند دارند و برخی هم آنزیمها هستند که داستیلاسیون کیتین، رنگیزه دار شدن یا پیوند عرضی پروتئینهای ساختاری با یکدیگر را کاتالیز می کنند. زیر ساخت کوتیکول به طور گسترده توسط میکروسکوپ نوری، عکسبرداری میکروسکوپ الکترونی، میکروسکوپ الکترونی انتقالی و عکسبرداری اشعه X در طیف وسیعی از گونه های حشرات مورد بررسی قرار گرفته که عمدتاً در گروه سوسکها (غلاف بالان) هستند (Arwin et al., 2013; Banerjee, 1988; Dai and Yang, 2010;del Rio et al., 2014; Lenau and Barfoed, 2008; Leopold et al., 1992;Locke and Huie, 1979; Moussian et al.,2006; Roux-Pertus et al.,2017; Sobala and Adler, 2016; van de Kamp et al., 2016). به طور کلی، کوتیکول از نظر ریخت شناسی و عملکردی به چندین لایه مجزا تقسیم میشود (Locke, 2001). خارجی ترین لایه پوشش است که ممکن است حاوی چندین زیر لایه باشد، در ابتدا این لایه حاوی موم و سایر لیپیدها و گاهی اوقات حتی کربوهیدراتهایی است و دارای عملکرد ضد آب نیز هستند. زیر پوسته، اپیکوتیل قرار  دارد که تراکم الکترونی بیشتری داشته و حاوی ترکیبات فنولی مورد استفاده برای رنگیزه ها و پروتئینها است. بقیه کوتیکول عمدتاً پروکوتیکول نامیده می شود و به دو زیر شاخه اگزوکوتیکول و اندوکوتیکول تقسیم می شود. کوتیکول سخت سوسک بالغ همچنین ممکن است شامل یک لایه میانی مزوکوتیل نیز باشد (Cheng et al., 2009; Noh et al., 2016b). به طور کلی اصطلاحات اگزوکوتیکول و اندوکوتیکول مربوط به لایه هایی هستند که به ترتیب قبل و بعد از دوران شفیرگی شکل می گیرند. دراغلب موارد اگزوکوتیکول رنگی و شامل ورقه های دارای آرایش هلیکوئیدی است که وقتی زیر یک میکروسکوپ الکترونی انتقالی دیده می شود دارای مناطق یک در میان سفید و تیره است. حداقل در برخی گونه های سوسک، اندوکوتیکول دارای ساختار آجر مانند کاملاً تمایز یافته است که " Balken cuticle" یا ماکروفیبر نامیده می شوند (Cheng et al., 2009; Leopold et al., 1992; Noh et al.,2016b; Roux-Pertus et al., 2017; van de Kamp et al., 2016). برخی کوتیکولها اغلب دارای حفره های کانالهای عمودی هستند که به نظر می رسد از غشای پلاسمایی بالای سلولهای اپیدرم و انتهای اپیکوتیکول منشاء گرفته اند (Noh et al., 2014, 2015).

abstract

Insect exoskeletons are composed of the cuticle, a biomaterial primarily formed from the linear and relatively rigid polysaccharide, chitin, and structural proteins. This extracellular material serves both as a skin and skeleton, protecting insects from environmental stresses and mechanical damage. Despite its rather limited compositional palette, cuticles in different anatomical regions or developmental stages exhibit remarkably diverse physicochemical and mechanical properties because of differences in chemical composition, molecular interactions and morphological architecture of the various layers and sublayers throughout the cuticle including the envelope, epicuticle and procuticle (exocuticle and endocuticle). Even though the ultrastructure of the arthropod cuticle has been studied rather extensively, its temporal developmental pattern, in particular, the synchronous development of the functional layers in different cuticles during a molt, is not well understood. The beetle elytron, which is a highly modified and sclerotized forewing, offers excellent advantages for such a study because it can be easily isolated at precise time points during development. In this study, we describe the morphogenesis of the dorsal and ventral cuticles of the elytron of the red flour beetle, Tribolium castaneum, during the period from the 0 dold pupa to the 9 d-old adult. The deposition of exocuticle and mesocuticle is substantially different in the two cuticles. The dorsal cuticle is four-fold thicker than the ventral. Unlike the ventral cuticle, the dorsal contains a thicker exocuticle consisting of a large number of horizontal laminae and vertical pore canals with pore canal fibers and rib-like veins and bristles as well as a mesocuticle, lying right above the enodcuticle. The degree of sclerotization appears to be much greater in the dorsal cuticle. All of these differences result in a relatively thick and tanned rigid dorsal cuticle and a much thinner and less pigmented membrane-like ventral cuticle.

1. Introduction

Molting of the exoskeleton or cuticle is an essential developmental process for many invertebrate species in which the extracellular matrix or cuticle is replaced and remodeled during growth. The insect cuticle is produced by the underlying epidermal cells of ectodermal origin. It provides protection against mechanical injury, pathogens and parasites, while also providing sensory perception, muscle attachment points, coloration, camouflage and other physiological functions. Since the cuticle is present at all developmental stages and essentially covers the entire body, it must exhibit great diversity in its physicochemical and mechanical properties to allow for growth and to accommodate the functions of the tissues and organs that are protected. Thus cuticles from different parts of the insect's anatomy or the same cuticle present at different developmental stages may have widely different mechanical properties that arise most likely from differences in chemical composition and molecular interactions, as well as the thickness and arrangement of morphologically distinct layers within the cuticle. Insect cuticle is composed primarily of chitin, which is a rather rigid polysaccharide that accounts for much of the mechanical strength of the cuticle, and a whole assortment of proteins, some structural many of which bind to chitin and others are enzymes that catalyze chitin deacetylation, tanning or cross-linking of structural proteins to one another. The ultrastructure of the cuticle has been studied extensively by optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and X-ray tomography in a variety of insect species, most notably in the Coleoptera (Arwin et al., 2013; Banerjee, 1988; Dai and Yang, 2010; del Rio et al., 2014; Lenau and Barfoed, 2008; Leopold et al., 1992; Locke and Huie, 1979; Moussian et al., 2006; Roux-Pertus et al., 2017; Sobala and Adler, 2016; van de Kamp et al., 2016). Generally, the cuticle has been divided into several morphologically and functionally distinct layers (Locke, 2001). The outermost layer is the envelope, which may contain several sublayers. It primarily consists of waxes and other lipids and occasionally even carbohydrates, and provides a water-proofing function. Below the envelope is the epicuticle, which is more electron dense and contains phenolics used for tanning and proteins. The rest of the cuticle is broadly termed the procuticle and has been further subdivided into the exocuticle and endocuticle. The rigid adult Coleopteran cuticle may also include a middle transitional layer, the mesocuticle (Cheng et al., 2009; Noh et al., 2016b). In general, the term exocuticle and endocuticle are associated with layers formed before and after molting, respectively. In most cases the exocuticle is tanned and consists of helicoidally arranged laminae with alternating light and dark regions when viewed under a transmission electron microscope. At least in some beetle species, the endocuticle has a distinctly different brick-like structure, denoted as “Balken cuticle” or “macrofibers” (Cheng et al., 2009; Leopold et al., 1992; Noh et al., 2016b; Roux-Pertus et al., 2017; van de Kamp et al., 2016). Some cuticles also have vertically oriented pore canals that appear to originate from the apical plasma membrane of epidermal cells and terminate in the epicuticle (Noh et al., 2014, 2015) 

چکیده

1. مقدمه

2. مواد و روشها

2.1 حشرات

2.2 عکسبرداری میکروسکوپ الکترونی (SEM)

2.3 میکروسکوپ الکترونی انتقالی (TEM)

3. نتایج

3.1 بال سوسک به عنوان یک مدل برای رشد کوتیکول

3.2 آپولیز کوتیکول شفیره

3.3 تشکیل پوشش و اپیکوتیکول در کوتیکول پشتی بال

3.4 تشکیل اگزوکوتیل پشتی بال بین 78 و 90 HAP

3.5 بلوغ کوتیکول پشتی بال از مرحله pharate adult تا بلوغ

3.6. تشکیل مزوکوتیکول پشتی بال و اندوکوتیکول پس از جداسازی

3.7. تشکیل کوتیکول شکمی بال

3.8 ضخامت لایه ها در بال پشتی و کوتیکول شکمی در حشرات بالغ

4. بحث

4.1 پوسته اولین لایه ای است که تشکیل می شود

4.2 سپس لایه اپیکوتیکول تشکیل می شود

4.3 رشد همزمان کانالهای منافذ و اگزوکوتیکول

4.4 تشکیل اندوکوتیکول

4.5 ایجاد کانالهای منافذ

5. نتیجه گیری

abstract

1. Introduction

2. Material and methods

2.1. Insects

2.2. Scanning electron microscopy (SEM)

2.3. Transmission electron microscopy (TEM)

3. Results

3.1. The beetle elytron as a model for cuticle development

3.2. Apolysis of the pupal cuticle

3.3. Envelope and epicuticle formation in the elytral dorsal cuticle

3.4. Elytral dorsal exocuticle formation between 78 and 90 HAP

3.5. Maturation of elytral dorsal cuticle from pharate adult to adult stages

3.6. Formation of elytral dorsal mesocuticle and endocuticle after eclosion

3.7. Formation of elytral ventral cuticle

3.8. Thickness of layers in elytral dorsal and ventral cuticles in the mature adult

4. Discussion

4.1. Envelope is the first layer to be deposited

4.2. Epicuticle layer is deposited next

4.3. Exocuticle and pore canals develop synchronously

4.4. Development of the endocuticle

4.5. Development of pore canals

5. Conclusions