ADAPTACIONES FISIOLOGICAS DEL INTESTINO DE LOS INSECTOS A HERBIVORIA

EDNA PAOLA BECERRA ESPAÑOLUNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Progress in Biological Control, 2012, Volume 14, 75-88, ARTHROPOD-PLANT INTERACTIONS. Félix Ortego

Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad Nacional de Colombia. 2012

Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012


Periodo Millones de años

Tipo de insectos Descripción

Devoniano 410 Mya Primeros insectos sin alas, Terrestres o semiacuaticos

Alimento material en descomposición

Carbonífero 355 -290 Insectos aladosPrimeros fitófagosPrimer registro fósil de un insecto masticador (ancestro Orthoptera)

Alimento de fluidos de tejidos de plantasY primer masticador

Pérmico 290 – 250 Extinción de los anteriores

Aparecen Thysanoptera y Hemíptera

Triásico 250 – 205 Ordenes de insectos modernos Col, Dip, Hym, Lep,

Colonizan GimnospermasSe especializan en ser minadores, forman agallas y madera

Jurasico 205 -145

Cretáceo 145 -65 radiación Angiospermas dominan el ambiente terrestre


Propuesta de evolución de Condylognatha, mostrando las relaciones entre los principales infraórdenes de Hemíptera y el orden Thysanoptera.

Los principales infraórdenes que se alimentan de savia son Auchenorrhyncha y Sternorrhyncha

Phylum: ArthropodaSubphylum: HexapodaClase: InsectaSubclase: PterygotaDivision: NeopteraSubdivision: ParaneopteraSuperorden: CondylognathaOrden Thysanoptera - Hemiptera

Silva et al., 2004)Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012

http://www.scientificlib.com/en/Biology/Animalia/Arthropoda/Arthropoda.html

http://www.scientificlib.com/en/Biology/Animalia/Arthropoda/Hexapoda.html

http://www.scientificlib.com/en/Biology/Animalia/Arthropoda/Insects/Insecta.html

http://www.scientificlib.com/en/Biology/Animalia/Arthropoda/Insects/Pterygota.html

http://www.flickr.com/photos/24085570@N04/2290341310/Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012

Calidad en la dieta: Proteínas y Carbohidratos

Plantas = Bajo cont proteínas Alto cont

carbohidratos

Aminoácidos: varían dependiendo la especie = (diferencias nutricionales para el insecto)



Hipótesis: El proceso digestivo se relaciona con la posición filogenética y hábitos dietarios resultado de la adaptación de insectos ancestrales a un tipo particular de alimento.

Matriz extracelular formada por :

Proteínas Quitina Proteoglicanos

Intestino medio

Alrededor del bolo alimenticio


1. Protección contra partículas abrasivas

2. Compartimentalización para incrementar la eficiencia de la digestión de proteínas y carbohidratos

3. Barrera para microorganismosPaola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012

Harper et al.,1998)

European corn borer (ECB; (Ostrinia nubilalis, Lepidoptera: Crambidae)) larvae (third instar) fed 0.05% w/w wheat germ agglutinin (WGA) (Germen de trigo)


Microscopía del mesenteron (seccion transversal) tercer estadio del ECB. (A) mesenteron de las larvas control que muestra la membrana peritrófica (PM) y fragmentos celulares de las plantas en células epiteliales del IM (x 80). PC, fragmento de célula, mg, intestino medio. (B) válvulas de estomodeo de larvas alimentadas con WGA mostrando PM en el lumen del intestino vacío y las células epiteliales relativamente pequeñas (x 80).

Kabir et al., 2012 (In press)

Fluorescein isothiocyanate (FITC)-chitin-binding domain (CBD) probe-coupled fluorescence detection of chitin in the PM of an M. alternatus adult.

(a) tracto digestivo de adulto (b) tipo I PM. (c) micrografía electrónica de barrido de la MP . (d) micrografía electrónica de la PM mostrando múltiples capas



Membrana en el intestino medioLipoproteínasEl intestino medio no esta en

contacto con los fluidos ingeridos

El principal problema de los insectos chupadores es la baja concentración de a.a esénciales y el alto contenido de sacarosa en la savia


Mehrabadia et al, 2012Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012

Mehrabadia et al, 2012

El V1 tiene células columnares con núcleos basales y PMMs. El V2 muestra células cilíndricas con núcleo en el centro de las células y una gran cantidad PMMs que se extienden hacia lumen. En la parte distal de V2 hacia el V3, las células del epitelio se organizan de tal manera para formar un lumen estrecho. Las mismas células están presentes en el V3 pero con menos PMMs vistos en V1-V2. El V4 tiene también células columnares del epitelio sin PMMs. Bacterias simbiontes se encuentran en V4. El recto (R) células vacuolares. Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de

Colombia 2012

Bacteria simbionte: Genero Buchnera

Bacteriocitos (células)

En Acyrthosiphon pisum (Hemiptera: Aphididae ) la presión osmótica de la savia ingerida es reducida por α glucosidasas : catalizan la liberación de sacarosa (dis) e incorporación de glucosa (mono) excretando melaza

Usa a.a. no esenciales y sintetiza a.a. esenciales

a.a. son absorbidos por la M. perimicroviliar por simporte K+

http://micro.cornell.edu/cals/micro/research/labs/angert-lab/spanish-genomes-2.cfm

Paola Becerra. Maestría en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012

Absorción de aminoácidos

Inmovilizar enzimas hidroliticas

Digestión de polímeros en Hemiptera que se alimentan de semillas

Fonseca et al., 2010

A) Detail of the apex of a V3 cell. Note perimicrovillar membranes (PMM, arrows). B) Immunocytochemical localization of membrane-bound α-glucosidase inmidgut cells. Note arrows and arrow heads pointing to perimicrovillarmembranes close to microvilli.

Quesada gigas (Hemiptera: Cicadidae)Plaga café


Los fitófagos han adaptado su sistema digestivo por:

1.Síntesis de enzimas digestivas especificas2.Regulación de la síntesis de isoenzimas

La expresión para la síntesis y niveles de proteasa en algunas especies depende del hospedero y la calidad y cantidad de alimento

Las serín proteasas son hidrolasas que degradan enlaces peptídicos de péptidos y proteínas y que poseen en su centro activo un aminoácido de serina esencial para la catálisis enzimática. Esta clase de enzimas incluye a la tripsina, quimotripsina, subtilisina

http://es.wikipedia.org/wiki/Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012

Incremento de la actividad proteasa = dieta con bajo nivel de proteina

Para hacer mas eficiente el uso de esa proteína limitada o escasa


En el lumen determina las condiciones optimas para la actividad enzimática y cantidad de nutrientes que pueden ser digeridos

La alcalinización del lumen en Lep es producido por secreción de K+ desde la hemolinfa

La acidez en el IM de Diptera se debe a los hábitos ancestrales de consumir bacterias

La acidez en el IM de Hemiptera es debido a la presencia de cisteína y proteasas asparticas Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de

Colombia 2012

http://es.wikipedia.org/wiki/Glucosa_oxidasa

La enzima glucosa oxidasa (GOx) es una oxidorreductasa que cataliza la oxidación de la glucosa para formar peróxido de hidrógeno y D-glucono-δ-lactona. En las células contribuye a degradar los azúcares hacia sus metabolitos.


1. Las hojas heridas de tomate sintetizan prosistemina (200aa)

2. Prosistemina procesada proteolíticamente para producir sistemina (18aa)

3. Sistemina es liberada de las células dañadas en el apoplasto.

4. Sistemina se transporta fuera de la hoja herida vía floema.

5. En las células diana, la sistemina puede unirse a un sitio en la membrana plasmática e iniciar la síntesis de ácido Jasmónico que tiene efectos de gran alcance.

6. Ácido Jasmónico finalmente activa la expresión de los genes que codifican para INHIBIDORES DE PROTEASA (PIN) Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de

Colombia 2012

Las plantas al bloquear la síntesis de proteasas intestinales (enzimas que rompen los enlaces peptídicos de las proteínas) , frenan el crecimiento y provocan la muerte por ayuno.

Los inhibidores de proteasas bloquean las proteasas de serina, cisteína y aspartato (a.a), así como a las carboxipeptidasas (enzimas q catalizan hidrólisis de enlaces peptidicos)



Algunos insectos recurren a estrategias diversas para eludir la defensa vegetal:

incrementan su actividad proteolítica inducen enzimas proteolíticas insensibles a los

inhibidores de proteasas expresan proteasas que degradan específicamente

a los inhibidores de proteasas producidos por las plantas y para las cuales no tiene inhibidores.

Como resultado de la coevolución, los insectos herbívoros se han adaptado a las defensas de las plantas.


son metabolitos secundarios de las plantas, fenólicos, no nitrogenados, solubles en agua


•La habilidad de regular la expresión genética de enzimas digestivas permite al insecto superar la defensa de las plantas y minimizar el costo metabólico asociado a su producción.

•Es necesario estudiar a nivel genético la interacción planta –insecto incluyendo esas adaptaciones del intestino del insecto a la herbivoría.


En los insectos se han presentado adaptaciones morfológicas en el intestino y fisiológicas por producción de enzimas para degradar y asimilar los nutrientes

Por coevolucion los insectos herbívoros y las plantas han desarrollado mecanismos de defensa.

Los mecanismos de defensa de insectos contra sustancias defensa de las plantas se basa en la regulación de la expresión de genes dependiendo el tipo de alimento o tipo de sustancia de defensa ingerida.


M. S. Harper 1, T. L. Hopkins 1, T. H. Czapla 2 . Effect of wheat germ agglutinin on formation and structure of the peritrophic membrane in European corn borer (Ostrinia nubilalis) larvae. Tissue & Cell, 1998 30 (2) 166-176

Kabir, K.E., et al., Fluorescein-5 isothiocyanate conjugated-chitin-binding domain probe (FITC-CBD)-coupled detection of chitin in the peritrophic membrane of Monochamus alternatus..., J. Asia Pac. Entomol. (2012),

Carlos P. Silvaa, Jose´ R. Silvaa, Fa´bio F. Vasconcelosa, Marı´lvia D.A. Petretskia,Renato A. DaMattab, Alberto F. Ribeiroc, Walter R. Terrad,. Occurrence of midgut perimicrovillar membranes in paraneopteran insect orders with comments on their function and evolutionary significance. Arthropod Structure & Development 33 (2004) 139–148Micron 43 (2012) 631–637

Mohammad Mehrabadia, Ali R. Bandania,∗, Morteza Allahyarib, Jose E. Serrãoc. The Sunn pest, Eurygaster integriceps Puton (Hemiptera: Scutelleridae) digestivetract: Histology, ultrastructure and its physiological significance. Micron 43 (2012) 631–637

Fábio V. Fonseca a, José R. Silva b, Richard I. Samuels c, Renato A. DaMatta d, Walter R. Terra e, Carlos P. Silva f, Comparative Biochemistry and Physiology, Part B 155 (2010) 20–25

Purification and partial characterization of a midgut membrane-bound α-glucosidasefrom Quesada gigas (Hemiptera: Cicadidae)



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