Введение
Вид мотылька Manduca sexta – это мотылек семейства Sphingidae, обитающий на большей части территории Америки. Вид был впервые описан Карлом Линнеем в его работе 1763 года «Centuria Insectorum». Обычно его называют каролинским сфинксом и табачным ястребом (в стадии взрослой особи), а также табачным роговым червём и червём Голиаф (в стадии личинки). Он тесно связан и часто путается с очень похожим томатным роговым червём (Manduca quinquemaculata); личинки обоих видов питаются листвой различных растений семейства Solanaceae. Личинки этих видов можно различить по боковым отметинам: у томатного рогового червя восемь V-образных белых отметин без каёмки, а у табачного рогового червя – семь белых диагональных линий с чёрной каёмкой. Кроме того, у табачного рогового червя красные рожки, а у томатного – тёмно-синие или чёрные. Чтобы запомнить эти отличия, можно использовать мнемоническое правило: у табачного рогового червя прямые белые линии, как сигареты, а у томатного – V-образные отметины (как у «виноградных» томатов). M. sexta обладает механизмами селективного накопления и выделения никотина – нейротоксина, содержащегося в табаке. M. sexta является распространённым модельным организмом, особенно в нейробиологии, благодаря своей легкодоступной нервной системе и короткому жизненному циклу. Благодаря своим большим размерам M. sexta достаточно велик для использования в медицинских методах визуализации (таких как КТ, МРТ или ПЭТ) и применяется в качестве модели для визуализации и изучения воспаления кишечника. Он используется в различных биомедицинских и биологических научных экспериментах. Его легко выращивать на диете, основанной на зародышах пшеницы. Личинка крупная, поэтому её относительно легко препарировать и изолировать органы.
Manduca sexta is a moth of the family Sphingidae present through much of the Americas. The species was first described by Carl Linnaeus in his 1763 Centuria Insectorum. Commonly known as the Carolina sphinx moth and the tobacco hawk moth (as adults) and the tobacco hornworm and the Goliath worm (as larvae), it is closely related to and often confused with the very similar tomato hornworm (Manduca quinquemaculata); the larvae of both feed on the foliage of various plants of the family Solanaceae. The larvae of these species can be distinguished by their lateral markings: Tomato hornworms have eight V shaped white markings with no borders; tobacco hornworms have seven white diagonal lines with a black border. Additionally, tobacco hornworms have red horns, while tomato hornworms have dark blue or black horns. A mnemonic to remember the markings is tobacco hornworms have straight white lines like cigarettes, while tomato hornworms have V shaped markings (as in "vine ripened" tomatoes). M. sexta has mechanisms for selectively sequestering and secreting the neurotoxin nicotine present in tobacco. M. sexta is a common model organism, especially in neurobiology, due to its easily accessible nervous system and short life cycle. Due to its immense size M. sexta is big enough for medical imaging modalities (like CT, MRI, or PET) and used as a model in imaging and gut inflammation. It is used in a variety of biomedical and biological scientific experiments. It can be easily raised on a wheat germ based diet. The larva is large, and thus it is relatively easy to dissect it and isolate its organs.
Жизненный цикл
M. sexta имеет короткий жизненный цикл, длящийся примерно от 30 до 50 дней. В большинстве регионов у M. sexta насчитывается около двух поколений в год, но во Флориде их может быть три или четыре.
Яйца
Яйца M. sexta сферические, диаметром около 1,5 миллиметров и полупрозрачно-зеленые. В гемолимфе (крови) этого вида содержится инсектицианин, билипротеин синего цвета. Когда личинка питается своей обычной диетой из листьев растений, она поглощает пигментированные каротиноиды, которые преимущественно имеют желтый оттенок. В результате получается зеленый цвет. В лабораторных условиях – при кормлении диетой на основе зародышей пшеницы – личинки приобретают бирюзовый цвет из-за отсутствия каротиноидов в их рационе. Гусеничная стадия табачного рогового червя очень похожа по внешнему виду на гусеницу близкородственного томатного рогового червя. Однако личинки этих двух видов легко различить по боковым отметинам. В частности, у гусеницы M. sexta имеется семь белых диагональных линий с черной каймой на первых семи абдоминальных сегментах, а рог – красный или зеленый с красным кончиком. У гусеницы M. quinquemaculata есть V-образные белые отметины без каких-либо каемок на всех восьми абдоминальных сегментах, а рог – темно-синего или черного цвета. В течение личиночной стадии гусеницы M. sexta питаются растениями семейства Solanaceae, главным образом табаком, помидорами и видами рода Datura. M. sexta имеет пять личиночных стадий, разделенных экдизом (линькой), но может добавлять личиночные стадии при неблагоприятных условиях питания. Ближе к концу этой стадии гусеница ищет место для окукливания, зарывается в землю и окукливается. Такое поведение известно как "блуждание". Неминуемость окукливания – о чем свидетельствует поведение блуждания – может быть анатомически подтверждена обнаружением сердца (аорты), представляющего собой длинный пульсирующий сосуд, проходящий вдоль спинной стороны гусеницы. Сердце становится видимым сквозь кожу непосредственно перед окончанием последней личиночной стадии. Распространенным биологическим методом борьбы с роговыми червями является паразитическая браконидная оса Cotesia congregata, которая откладывает яйца в тела роговых червей. Личинки ос питаются внутри и выходят из тела, чтобы сплести свои коконы. Паразитированные роговые черви часто покрыты множеством белых, хлопьевидных коконов ос, которые часто принимают за крупные яйца. Оса Polistes erythrocephalus питается личинками рогового червя.
Препупа
Перед тем, как личинка окуклится, она проходит стадию, называемую прекуколкой, где она значительно уменьшается в размерах и готовится к окукливанию. Часто люди принимают эту стадию за мертвую или погибающую гусеницу.
Пупа
Стадия куколки длится приблизительно 14–18 дней в лабораторных условиях (17 часов света, 7 часов темноты, 27 °C). При выращивании куколок в условиях короткого светового дня (12 часов света, 12 часов темноты) они переходят в состояние диапаузы, которое может продолжаться несколько месяцев. В течение стадии куколки внутри кукольного покрова формируются структуры взрослой бабочки, которые освобождаются во время выхода имаго (вылупления взрослой особи).
Взрослые
Взрослые особи M. sexta имеют узкие крылья с размахом около 100 мм. Мотыльки M. sexta питаются нектаром и посещают цветы, демонстрируя замечательную способность зависать в воздухе. Взрослые особи проявляют половой диморфизм. Самцов можно отличить по более широким антеннам и наличию хватательных органов на конце брюшка. Самки обычно готовы к спариванию через неделю после выхода из куколки и спариваются только один раз. Самцы могут спариваться многократно. Спаривание обычно происходит на вертикальной поверхности ночью и может длиться несколько часов, при этом самец и самка обращены задними концами друг к другу, соприкасаясь ими. После спаривания самки откладывают оплодотворенные яйца на листья, как правило, на нижней стороне.
Лабораторное разведение
Как и Drosophila melanogaster, M. sexta обычно используется в качестве модельного организма для экспериментов. Их часто изучают в лаборатории благодаря большому размеру и относительной простоте разведения. Их можно выращивать на растениях-хозяевах, таких как табак и его близкие виды, томаты или искусственной диете на основе зародышей пшеницы. Разведение относительно просто, при условии обеспечения длительного светового дня (например, 14 часов) в период развития для предотвращения диапаузы. Яйца дезинфицируют, промывая в течение одной-пяти минут в разбавленном бытовом отбеливателе. Яйца помещают на диетические кубики или растения-хозяева. Яйца вылупляются и развиваются с разной скоростью в зависимости от температуры. Личинок перемещают на свежую диету или листья по мере порчи или поедания пищи. Когда они начинают "скитаться", это означает, что они готовы к окукливанию, поэтому их помещают в камеру для окукливания. Камеры для окукливания представляют собой отверстия, просверленные в деревянной доске. Личинки мандуки запечатываются в камере пробкой и оставляют для окукливания. После окукливания куколки помещают в камеру для размножения или колонии для вылупления. Обеспечение самкам доступа к чашке с сахарной водой и растению табака (или близкого вида) позволит им отложить оплодотворенные яйца, которые затем можно будет вырастить. При кормлении искусственной диетой личинки мандуки не потребляют ксантофилл – желтый пигмент, необходимый для образования их зеленой окраски, и поэтому выглядят синими. На некоторых диетах они содержат очень мало пигмента и предшественников пигмента, поэтому имеют очень бледно-голубовато-белый цвет. Поскольку витамин А и другие каротиноиды необходимы для зрительных пигментов (родопсина), роговые черви, выращенные на искусственной диете, могут иметь плохое зрение из-за недостатка каротиноидов в рационе.
Для кормления домашних животных
Роговые черви, выращенные в неволе и питающиеся искусственной диетой, часто скармливают насекомоядным экзотическим животным, таким как определенные рептилии, рыбы и мелкие млекопитающие. Они предпочтительнее диких роговых червей, которые могут накапливать ядовитые вещества из растений, составляющих их рацион. Роговые черви, изначально разводившиеся для лабораторий, также выращиваются в коммерческих целях. Их часто продают в готовой упаковке, содержащей все необходимое для развития личинок, включая корм. Уход за ними относительно прост, а животные, кажется, с удовольствием едят их из-за яркого цвета и вкуса.
Животное образцово-
Ларвы M. sexta вырастают до 100 миллиметров в длину, достигая веса до 20 граммов. Благодаря своим большим размерам, они используются в качестве альтернативных моделей животных для методов медицинской визуализации, таких как компьютерная томография, магнитно-резонансная томография или позитронно-эмиссионная томография. Исследовательская группа под руководством Антона Виндфельдера внедрила личинок M. sexta в качестве альтернативной модели животных для изучения хронических воспалительных заболеваний кишечника, а также в качестве модели для тестирования новых контрастных веществ в радиологии.
Кормление
Табачные роговые черви – факультативные специалисты; личинки способны расти и развиваться на любых растениях-хозяевах. Однако личинки предпочитают растения семейства пасленовых, такие как табак и томаты. На этих растениях личинки растут и развиваются быстрее. Боковые и медиальные сенсильные стилоконии (сенсорные рецепторы) на их ротовых частях помогают им идентифицировать пасленовые растения, распознавая индиозид D – стероидный гликозид, содержащийся в этих растениях (del Campo et al., 2001). Салицин – неприятный фагодетеррент, встречающийся только у видов Salix, в то время как кофеин является фагодетеррентом, обладающим токсическим действием. Личинки табачного рогового червя предпочитают влажную среду. При обезвоживании личинки перемещаются к источнику воды или в место с высокой относительной влажностью. Они используют свои антенны для поиска воды.
Оборона
Никотин ядовит для большинства животных, использующих мышцы для передвижения, поскольку он воздействует на ацетилхолиновый рецептор в нейромышечном соединении. Однако табачный роговой червь способен метаболизировать никотин, содержащийся в табачном растении, и использовать его для защиты от хищников. Он обладает геном, называемым цитохром P450 6B46 (CYP6B46), который преобразует никотин в метаболит. Около 0,65% метаболитов никотина транспортируется из кишечника в гемолимфу, где они вновь превращаются в никотин и выделяются в воздух через дыхальца табачного рогового червя. Выделяемый никотин служит для отпугивания пауков, явление, известное как «токсический галитоз». В одном исследовании табачные роговые черви, питавшиеся растениями с низким содержанием никотина или экспрессировавшие низкие уровни CYP6B46, оказались более уязвимыми для нападения волчьих пауков. Гусеницы табачного рогового червя издают короткие щелкающие звуки челюстями, когда на них нападают. Считается, что это звукоиздание является формой акустического апозематизма, то есть предупреждающих сигналов, сообщающих хищникам о нежелательности поедания; наблюдалось, что табачные роговые черви выкручиваются и кусают хищников после издавания этих щелчков. Эти щелчки слышны на близком расстоянии в диапазоне частот от 5 до 50 кГц. Интенсивность щелчков возрастает с увеличением числа атак (Bura et al., 2012).