Evolution of olfaction in Lepidoptera and Trichoptera: Gene families and antennal morphology

Resultaten i denna avhandling ökar vår kunskap om hur evolutionen av feromondetektering hos fjärilar gått till.

Luktsinnet är viktigt för de flesta djur, inklusive människor, hundar, insekter och många andra. Hos insekter, särskilt nattfjärilar och flugor, används luktsinnet för att hitta parningspartners, föda, äggläggningsställen och att undkomma fiender.

Feromoner är kemikalier som produceras och avges av en organism och som ändrar beteende eller fysiologi hos en annan individ inom samma art. Hos nattfjärilar är det för det mesta honan som avger feromoner, för att locka till sig hannar, ofta från långt håll. Hos insekterna är det antennen som har den funktion som vår näsa har, nämligen att känna dofter.

På antennens yta ryms en mängd hårliknande sensiller. Dessa sensiller rymmer doftreceptorer, som är proteiner inställda på att detektera specifika molekyler. Det finns ytterligare aktörer som är involverade i doftigenkänningsprocessen, och som är lokaliserade i sensillerna, och det är hjälp-receptorer, dvs. medmottagare till doftreceptorerna. Båda sitter i dendriterna, som är korta förgrenade nervcellsutskott. Kombinationen av doftreceptorer och dess hjälp-receptorer översätter doftinformationen som mottages och skickar in den i nervcellen. Nervcellen är av en speciell typ, som kallas doftigenkänningsnervcell. Den går från antennen in i en antennlob. I antennloben är de inkommande nervcellerna organiserade i något som kallas glomerulus, där den första bearbetningen av inkommande doftdata sker. Hos nattfjärilar som utvecklats relativt sent ur ett evolutionärt perspektiv finns i glomerulus särskilda ansamlingar, s. k. makroglomeruluskomplex, som enbart bearbetar feromonrelaterad information. Den bearbetade informationen i glomerulus skickas sedan vidare till högre nivåer i hjärnan, för vidare bearbetning. Detta kan slutligen leda till att utlösa ett beteende, t. ex. att börja flyga.

En särskild uppsättning av receptorer används för att känna igen olika ämnen, exempelvis används feromonreceptorer för att känna igen feromonämnen. Andra uppsättningar av receptorer används för att känna igen andra ekologiskt viktiga doftämnen, t. ex. värdväxtdofter. När en ny feromonsignal utvecklas, måste en motsvarande matchning av receptorerna hos mottagaren utvecklas, för att upprätthålla kommunikationen mellan den avsändande honan och den mottagande hannen.

Den mesta forskningen om feromonproduktion och -perception kopplat till beteende och fysiologi har hittills mest fokuserat på nattflyn och dagfjärilar. Mycket lite är känt om evolutionen hos feromonreceptorerna hos mer "primitiva" fjärilar, dvs. mer ursprungliga ur evolutionär synvinkel. För att förstå hur feromonreceptorerna utvecklats hos fjärilarna (ordningen Lepidoptera) är det viktigt att studera även dessa "primitiva" fjärilar.

I denna doktorsavhandling analyserar jag fyra insektsarter, som använder två olika slags feromontyper och som återfinns i intressanta positioner i insekternas fylogenetiska träd. Nattsländor (ordningen Trichoptera) är systergrupp till fjärilar (ordningen Lepidoptera). Nattsländan Rhyacophila nubila och den "primitiva" fjärilen vårpurpurmal (Eriocrania semipurpurella) använder båda en feromontyp som kallas Typ 0, en typ som kemiskt påminner om många växtsubstanser. Vinbärsknoppmal (Lampronia capitella) och den afrikanska dagfjärilen Bicyclus anyana använder däremot en feromontyp som kallas Typ I, som utgörs av mer långkedjiga föreningar med acetater, alkoholer eller aldehyder i ena molekyländen. För att få en bättre förståelse av hur dessa fjärilars och nattsländors luktorgan utvecklats jämför jag olika organ hos de fyra arterna. Men när det gäller Bicyclus anyana har bara antennmorfologi och antennlobsstrukturen studerats.

Jag använder antennvävnad för att identifiera de kemosensoriska gener som styr kemisk sensitering. Till hjälp har jag HEK-celler. HEK är en förkortning av
Human Embryonic Kidney, det vill säga celler från njuren hos mänskliga embryon. Med hjälp av HEK-celler kan jag uttrycka doftreceptorerna och testa deras reaktion på olika feromoner och växtdofter. Svepelektronmikroskopi och transmissionselekronmikroskopi används för att i mycket hög förstoring dokumentera morfologiska och strukturella detaljer hos sensillerna hos de fyra arterna. Immuncytokemiska metoder såsom infärgning används för att visualisera nervcellsuppbyggnaden i antennloben.

Den funktionella karakteriseringen av doftreceptorerna hos vårpurpurmalen identifierar för första gången receptorer som detekterar feromonkomponenter av Typ 0. Dessa receptorer reagerar till viss del även på strukturellt likartade växtdofter. Detta tyder på att feromonreceptorerna hos vårpurpurmalen har utvecklats genom att växtdoftreceptorer, som användes för att hitta värdväxter, modifierats till att bli feromonreceptorer. De funktionella studierna av receptorerna hos vinbärsknoppmalen visar å andra sidan för första gången feromonreceptorer hos den mest "primitiva" fjärilsgruppen som reagerar på feromoner av Typ I.

De morfologiska studierna av sensilltyperna hos nattsländan och nattfjärilar visar att det inträffat en stor evolutionär förändring, ett så kallat skifte, hos viktiga sensilltyper. För första gången visas att en insekt som använder feromon av Typ 0 har glomeruli som innehåller makroglomeruluskomplex. Jag visar också att hos vinbärsknoppmalen L. capitella och hos B. anyana förekommer makroglomerulusliknande strukturer bara hos det kön för vilket feromondetektering är viktigt, inte hos det andra könet.

Fortsatt forskning om genfamiljer som styr reaktioner på kemiska signaler hos de primitiva fjärilarna skulle ge ytterligare insikter i hur denna evolution gått till.