Manduca sexta: Сиырқанаттың биологиялық және медициналық зерттеулердегі маңызы

Кіріспе

Көбелек түрі

Manduca sexta – Американың көп бөлігінде кездесетін Sphingidae тұқымдасына жататын көбелек. Бұл түрді алғаш рет Карл Линней 1763 жылы жазған "Centuria Insectorum" еңбегінде сипаттаған. Көбінесе Каролина сфинксі және темекі шұңқыры (ересектерде) және темекі мүйіз құрты мен Голиат құрты (ларва кезінде) деп аталады. Бұл түр өте ұқсас қызанақ мүйіз құртымен (Manduca quinquemaculata) жақын туыс және онымен шатастыру жиі болады; екеуінің личинкалары да Solanaceae тұқымдасына жататын әртүрлі өсімдіктердің жапырақтарымен қоректенеді. Бұл түрлердің личинкаларын олардың бүйірлік белгілері арқылы ажыратуға болады: қызанақ мүйіз құрттарында шекарасы жоқ сегіз V пішіндес ақ белгілер болады, ал темекі мүйіз құрттарында қара шекарасы бар жеті ақ диагональді сызықтар болады. Сонымен қатар, темекі құрттарының мүйіздері қызыл, ал қызанақ мүйіз құрттарының мүйіздері қара көк немесе қара болады. Белгілерді есте сақтауға көмектесетін еске түсіру құралы – темекі мүйіз құрттарының темекі сияқты түзу ақ сызықтары бар, ал қызанақ мүйіз құрттарының V пішіндес белгілері бар ("жинап алынған" томаттар сияқты). M. sexta темекіде кездесетін никотин нейротоксинін іріктеп жинау және бөліп шығару механизміне ие. M. sexta – оңай қолжетімді жүйке жүйесі мен қысқа өмір сүру циклі болғандықтан, әсіресе нейробиологияда кеңінен қолданылатын модельдік организм. Өте үлкен өлшемділігіне байланысты M. sexta медициналық бейнелеу әдістеріне (КТ, МРТ немесе ПЭТ сияқты) сәйкес келеді және бейнелеу және ішек қабынуын зерттеуде модель ретінде қолданылады. Ол әртүрлі биомедициналық және биологиялық ғылыми тәжірибелерде қолданылады. Оны бидай кебегіне негізделген диетада оңай өсіруге болады. Личинкасы ірі болғандықтан, оны бөлшектеу және оның мүшелерін оқшаулау салыстырмалы түрде оңай.

Өмірлік цикл

M. sexta тіршілік циклы қысқа, шамамен 30-50 күнге дейін созылады. Көптеген аймақтарда M. sexta жылына екі ұрпақ кездеседі, бірақ Флоридада жылына үш немесе төрт ұрпақ болуы мүмкін.

Жұмыртқа

M. sexta жұмыртқалары шар тәрізді, диаметрі шамамен 1,5 миллиметр, мөлдір жасыл түсті. Бұл түрдің гемолимфасында (қанда) көк түсті билипротеин – инсектицианин болады. Өсімдік жапырақтарымен қоректенген кезде, личинка негізінен сары түсті пигментті каротиноидтарды сіңіреді. Соның нәтижесінде жасыл түс пайда болады. Зертхана жағдайында, астық тұқымдық диетамен қоректенгенде, личинкалары түркіз түсті болады, себебі диеталарында каротиноидтар жеткіліксіз. Темекі шыршасының күлісі, жақын туысы – томат шыршасының күлісіне өте ұқсас. Дегенмен, бұл екі түрдің личинкаларын олардың бүйірлік белгілері арқылы оңай ажыратуға болады. Атап айтқанда, M. sexta күлісінің алғашқы жеті құрсақ сегментінде қара жиекпен жеті ақ диагональ сызығы бар, ал мүйізі қызыл немесе жасыл, ұшы қызыл түсті. M. quinquemaculata күлісінің барлық сегіз құрсақ сегментінде шекарасы жоқ V пішіндес ақ белгілері болады, ал мүйізі қара көк немесе қара түсті. Личинка кезеңінде M. sexta күлістері Solanaceae тұқымдасына жататын өсімдіктермен, негізінен темекімен, қызанақпен және Datura туысына жататын өсімдіктермен қоректенеді. M. sexta-да бес личинкалық инстар бар, олар экдизис (таңдану) арқылы бөлінеді, бірақ қоректік жағдайлар нашар болғанда қосымша личинкалық инстарлар пайда болуы мүмкін. Осы кезеңнің соңында күліс қанаттану үшін орын іздеп, жерге көміліп, қанаттанады. Бұл іздеу мінез-құлқы "көшпелілік" деп аталады. Қанаттануға дайын екенін мінез-құлқы бойынша байқауға болады, анатомиялық тұрғыдан жүректің (аортаның) – құрттың арқа жағымен созылатын ұзын, қақталатын қантамырды анықтау арқылы растауға болады. Жүрек соңғы инстардың аяқталуына жақын тері арқылы көріне бастайды. Темекі шыршасын биологиялық бақылаудың кең таралған тәсілі – паразиттік браконид арасы Cotesia congregata, ол жұмыртқаларын шыршаның денесіне салады. Араның личинкалары іштен қоректенеді және кокон тоқу үшін денеден шығады. Паразиттік шыршалар көбінесе көптеген ақ, мақта тәрізді ара кокондарымен жабылған, олар көбінесе үлкен жұмыртқалар деп қате түсініледі. Polistes erythrocephalus арасы шырша личинкаларымен қоректенеді.

M. sexta eggs are spherical, approximately 1.5 millimeters in diameter, and translucent green. The hemolymph (blood) of this species contains insecticyanin, a blue colored biliprotein. When the larva feeds on its normal diet of plant foliage, it ingests pigmentacious carotenoids, which are primarily yellow in hue. The resulting combination is green. Under laboratory conditions—when fed a wheat germ based diet—larvae are turquoise in color due to the lack of carotenoids in their diet. The caterpillar stage of the tobacco hornworm is quite similar in appearance to that of the closely related tomato hornworm. The larvae of these two species can however be readily distinguished by their lateral markings. Specifically, the M. sexta caterpillar has seven white diagonal lines with a black border at the first seven abdominal segments, and the horn is red or green with a red tip. The M. quinquemaculatacaterpillar has V shaped white markings with no borders at all eight of its abdominal segments, and the horn is dark blue or black in color. During the larval stage, M. sexta caterpillars feed on plants of the family Solanaceae, principally tobacco, tomatoes and members of the genus Datura. M. sexta has five larval instars, which are separated by ecdysis (molting), but may add larval instars when nutrient conditions are poor. Near the end of this stage, the caterpillar seeks a location for pupation, burrows underground, and pupates. This searching behavior is known as "wandering". The imminence of pupation—suggested behaviorally by the wandering—can be anatomically confirmed by spotting the heart (aorta), which is a long, pulsating vessel running along the length of the caterpillar's dorsal side. The heart becomes visible through the skin just as the caterpillar is reaching the end of the final instar. A common biological control for hornworms is the parasitic braconid wasp Cotesia congregata, which lays its eggs in the bodies of the hornworms. The wasp larvae feed internally and emerge from the body to spin their cocoons. Parasitized hornworms are often seen covered with multiple white, cottony wasp cocoons, which are often mistaken for large eggs. A wasp species, Polistes erythrocephalus, feeds on hornworm larvae.

Ұялы

Құрт коконға айналудан бұрын, ол коконға дейінгі дайындық кезеңінен өтеді, онда ол қатты кішірейіп, коконға дайындалады. Көптеген адамдар осы кезеңді өлген немесе өліп бара жатқан гусеница деп қате түсінеді.

Құс

Лабораториялық жағдайда қуыршақ кезеңі шамамен 14-18 күнге созылады (17 сағат жарық, 7 сағат қараңғы, 27 °C). Ұзақ күндізгі фотопериодта (12 сағат жарық, 12 сағат қараңғы) өсірілген кезде, қуыршақтар бірнеше айға дейін сақталып қалатын тоқтау күйіне енеді. Қуыршақ кезеңінде ересек көбелектің құрылымдары қуыршақтың қабығының ішінде қалыптасады, ол ересек көбелек шығар кезде (эклозия) түсіріледі.

Ересектер

Ересек M. sexta-ның қанаттары тар, қанат жайылымы шамамен 100 мм. M. sexta көбелектері нектармен қоректенеді және гүлдерден жем алады, бұл олардың керемет түрде ауада тоқтау қабілетін көрсетеді. Ересектерде жыныстық ерекшелік байқалады. Аталықтарын кең антенналары және құрсақтарының соңындағы қысқыштар арқылы анықтауға болады. Аналық көбелектер әдетте, қанаттары жазылғаннан кейін бір аптадан соң жұптасуға дайын болады және өмірінде бір рет ғана жұптасады. Аталықтары бірнеше рет жұптаса алады. Жұптасу әдетте түнде тік бетте жүзеге асады және бірнеше сағатқа созылуы мүмкін, аталық пен аналық бір-біріне қарама-қарсы қарап, артқы жағымен жанасады. Жұптасқаннан кейін аналықтары ұрықтанған жұмыртқаларын жапырақтарға, көбінесе жапырақтардың төменгі жағына түсіреді.

Зертханалық өсіру

Drosophila melanogaster сияқты, M. sexta эксперименттер үшін үлгі организм ретінде жиі қолданылады. Олардың үлкен мөлшері және салыстырмалы түрде өсірудің оңай болуына байланысты зертханада жиі зерттеледі. Оларды темекі және оның туыстары, помидор өсімдіктері немесе бидайдан жасалған жасанды диетада өсіруге болады. Оларды өсіру оңай, егер олар даму кезінде ұзақ күндізгі цикл (мысалы, 14 сағат) алса, бұл диапаузаның алдын алуға көмектеседі. Жұмыртқаларды дезинфекция үшін бір-бес минутқа сұйылтылған үй шайырында жуып тастау керек. Жұмыртқалар диеталық кубиктерге немесе қонақ өсімдіктерге салынады. Жұмыртқалар температураға байланысты әртүрлі жылдамдықпен шайқалып, дамиды. Личинкалар тамақ бұзылғанда немесе желінгенде жаңа диетаға немесе жапырақтарға көшіріледі. Олар "қарсу" басталғанда, құпуға дайын дегенді білдіреді, сондықтан оларды құпу камерасына орналастырады. Құпу камералары – ағаш тақтаға бұрғыланған тесіктер. Manduca личинкалары камерада тығынмен жабылып, құпуға рұқсат етіледі. Құпудан кейін құпулар көбейту немесе колониялық камераға қойылады. Матаған аналықтардың құнарлы жұмыртқалар салуына мүмкіндік беру үшін қантты судың стаканы мен темекі (немесе ұқсас) өсімдігін ұсыну жеткілікті, содан кейін оларды өсіруге болады. Жасанды диетамен қоректенгенде, Manduca личинкалары жасыл түске ие болу үшін қажетті сары пигмент – ксантофиллді жемейді, сондықтан олар көк түсті болып көрінеді. Кейбір диеталарда пигмент пен пигмент алдындары өте аз болады, сондықтан олар өте ақшыл көк түсті болады. А витамині және басқа да каротиноидтар көру пигменттеріне (родопсин) қажет болғандықтан, жасанды диетамен өсірілген мүйіз құрттың көру қабілеті нашарлауы мүмкін.

Үй жануарлары үшін азық ретінде

Тұтқында өсірілген мүйіз құрттары жасанды жеммен қоректендіріледі және көбінесе жәндіктермен қоректенетін экзотикалық жануарларға, мысалы, кейбір бауырымен жорғалаушыларға, балықтарға және кішкентай сүтқоректілерге беріледі. Олар жабайыда қоршалған мүйіз құрттарынан артықшылыққа ие, себебі жабайы құрттар жемістерінде кездесетін зиянды заттарды бойына сіңіріп алады. Мүйіз құрттары бастапқыда зертханалар үшін өсірілгенімен, қазір осы мақсатта фермаларда да өсіріледі. Олар көбінесе құрттың өсуіне қажетті барлық нәрсені, соның ішінде жемді де қамтитын жеке қаптамаларда сатылады. Оларды күту өте оңай, ал жануарлар олардың жарқын түсі мен дәмін ұнатады.

Жануарлар үлгісі

M. sexta личинкалары 100 миллиметрге дейін ұзарады, салмағы 20 граммға жетеді. Үлкен өлшемдеріне байланысты, олар компьютерлік томография, магниттік-резонанстық бейнелеу немесе позитрондық эмиссиялық томография сияқты медициналық бейнелеу әдістерінде баламалы жануарлар моделі ретінде қолданылады. Антон Виндфелдердің зерттеу тобы M. sexta личинкаларын созылмалы ішек қабыну аурулары үшін баламалы жануарлар моделі ретінде, сондай-ақ радиологияда қолданылатын жаңа контраст заттарды сынау үшін жануарлар моделі ретінде пайдалануға мүмкіндік берді.

Тамақтандыру

Темекі мүйіз құрттары - факультативті мамандар; личинкалары кез келген қоныс тегінің өсімдіктерінде өсіп, дамуы мүмкін. Дегенмен, личинкалар темекі және помидор сияқты соланацея тұқымдас өсімдіктерді артық жақсы көреді. Осы өсімдіктерде личинкалар жылдамырақ өсіп, дамиды. Олардың ауыз мүшелеріндегі бүйірлік және медиальді сенсилла стилокониялары (сенсорлық рецепторлар) сол өсімдіктерге тән стероидты гликозид – индиозид D-ді тани отырып, соланацея тұқымдас өсімдіктерді анықтауға көмектеседі (del Campo және басқалар, 2001). Салицин – тек Salix spp-де ғана кездесетін жағымсыз фагодетеррент, ал кофеин – уытты қасиеттері бар фагодетеррент. Темекі мүйіз құрттарының личинкалары ылғалды ортаны жақсы көреді. Кез келген дегидратация болғанда, темекі мүйіз құрттарының личинкалары су көзіне немесе салыстырмалы ылғалдылығы жоғары аймаққа қарай жылжиды. Олар су ішу үшін антенналарын пайдаланады.

Қорғау

Никотин қозғалыс үшін бұлшық еттерін пайдаланатын көптеген жануарлар үшін у болып табылады, себебі никотин нейромышектік қосылыстағы ацетилхолин рецепторын бағыттайды. Дегенмен, темекінің мүйіз құрттары темекі өсімдігінен алынған никотинді метаболизмдей алады және оны жыртқыштардан қорғану үшін пайдаланады. Олар цитохром P450 6B46 (CYP6B46) деп аталатын генге ие, ол никотинді метаболитке айналдырады. Никотин метаболиттерінің шамамен 0,65% ішекten гемолимфаға тасымалданады, онда олар қайтадан никотинге айналып, темекі құртының спиральдері арқылы ауаға шығарылады. Бұл шығарылған никотин өрмекшілерді қорғау үшін қолданылады, бұл құбылыс «улы демі» деп аталады. Бір зерттеуде никотин жетіспейтін өсімдіктермен қоректенген немесе CYP6B46 деңгейі төмен темекі мүйіз құрттары қасқыр өрмекшілерінің шабуылына көбірек ұшырады. Темекі құрттарының дернәсілдері шабуылға ұшырағанда, олардың жақ сүйектерінен қысқаша дыбыстар шығарады. Бұл дыбыс шығару акустикалық апозематизмнің бір түрі деп саналады, яғни жыртқыштарға оларды жеуге тырысу қиын болатынын ескертетін ескерту дыбысы; темекі мүйіз құрттары осы дыбыстарды шығарғаннан кейін жыртқыштарды ұрып-соғып, тістейтіні байқалған. Бұл дыбыстар 5-тен 50 кГц-ға дейінгі жиілік диапазонында жақын қашықтықтан естіледі. Шабуылдардың саны артқан сайын дыбыстың қарқындылығы да артады (Bura et al., 2012).