Insect Science

Tóm tắt  Một gói phần mềm tích hợp nhưng dễ sử dụng mang tên Hệ thống Xử lý Dữ liệu (DPS) đã được phát triển để thực hiện nhiều phân tích số chuẩn và các thao tác được sử dụng trong thiết kế thí nghiệm, thống kê và khai thác dữ liệu. Chương trình này chạy trên các máy tính Windows tiêu chuẩn. Nhiều chức năng trong gói phần mềm này có tính chuyên biệt cho nghiên cứu côn trùng học và các lĩnh vực sinh học khác và không được tìm thấy trong các phần mềm thống kê tiêu chuẩn. Bài báo này trình bày các ứng dụng của DPS trong thiết kế thí nghiệm, phân tích thống kê và khai thác dữ liệu trong côn trùng học.

Hệ thống miễn dịch bẩm sinh của côn trùng được chia thành hai phần: phòng thủ huyết thanh bao gồm sự sản xuất các phân tử hiệu ứng hòa tan và phòng thủ tế bào như thực bào và bao bọc được trung gian bởi các tế bào máu. Bài viết này tóm tắt hiểu biết hiện tại về phản ứng miễn dịch tế bào. Côn trùng sản xuất nhiều loại tế bào máu đã phân hóa cuối cùng, được phân biệt bởi hình thái, các dấu hiệu phân tử và kháng nguyên cũng như chức năng. Các tế bào máu đã phân hóa lưu thông trong giai đoạn ấu trùng hoặc ấu trùng trưởng thành xuất phát từ hai nguồn: các tế bào tiền thân được sản xuất trong quá trình phát triển phôi và các cơ quan tạo huyết có nguồn gốc từ trung mô. Việc điều tiết tạo huyết và sự phân hóa của các tế bào máu cũng liên quan đến nhiều con đường tín hiệu khác nhau. Thực bào và bao bọc yêu cầu các tế bào máu phải nhận diện một mục tiêu nhất định là ngoại lai, tiếp theo là việc kích hoạt các tín hiệu hạ nguồn và các phản ứng hiệu ứng. Một số thụ thể huyết thanh và tế bào đã được xác định mà nhận diện các vi sinh vật khác nhau và ký sinh trùng đa bào. Đổi lại, việc kích hoạt các thụ thể này kích thích nhiều con đường tín hiệu khác nhau điều chỉnh các chức năng khác nhau của tế bào máu. Các nghiên cứu gần đây cũng xác định các tế bào máu như là nguồn quan trọng của một số phân tử hiệu ứng huyết thanh cần thiết để tiêu diệt các kẻ xâm nhập ngoại lai khác nhau.

Tóm tắt  Bảng sinh học hai giới, nhiều giai đoạn của ruồi dưa, Bactrocera cucurbitae (Coquillett) (Diptera: Tephritidae), được nuôi trên dưa leo (Cucumis sativus L.), bí sọt (Luffa cylindrica Roem) và môi trường cà rốt (bột Daucus carota L. pha trộn với đường và thủy phân men) đã được xây dựng dưới điều kiện phòng thí nghiệm ở nhiệt độ 25 ± 1°C, độ ẩm tương đối 65% ± 0,5% và chu kỳ ánh sáng 12 : 12 h (S : T). Tốc độ gia tăng tự nhiên của B. cucurbitae lần lượt là 0.144 6, 0.141 2 và 0.068 8 ngày trên dưa leo, bí sọt, và môi trường cà rốt. Tỷ lệ sinh sản ròng cao nhất đạt 172 con cái trên mỗi ruồi được nuôi trên bí sọt. Thời gian sinh sản trung bình của B. cucurbitae dao động từ 34 ngày nuôi trên dưa leo đến 56 ngày nuôi trên môi trường cà rốt. Dữ liệu thô về lịch sử sinh sản đã được phân tích bằng cách sử dụng bảng sinh học đặc trưng tuổi của con cái và so sánh với kết quả thu được bằng bảng sinh học hai giới, nhiều giai đoạn. Khi bảng sinh học đặc trưng tuổi của con cái được áp dụng cho một quần thể có cấu trúc nhiều giai đoạn và hai giới, các đường cong sống sót và sinh sản sẽ bị thao tác không chính xác do không thể bao gồm sự biến đổi trong thời gian phát triển trước tuổi thành thục. Chúng tôi đã thảo luận những cách hiểu khác nhau về mối quan hệ giữa tỷ lệ sinh sản ròng và tỷ lệ gia tăng tự nhiên để làm sáng tỏ những hiểu lầm có thể xảy ra trong tài liệu.

Kể từ khi cách mạng sinh học phân tử diễn ra, kiến thức của chúng ta về các cơ chế phân tử nằm dưới các cơ chế phòng vệ chống lại căng thẳng đã được mở rộng đáng kể. Dưới áp lực chọn lọc mạnh mẽ, nhiều loài động vật có thể tiến hóa để cải thiện khả năng chịu đựng căng thẳng. Điều này có thể đạt được bằng cách thay đổi cấu trúc protein (thông qua các đột biến trong các vùng mã hóa của gen) hoặc bằng cách thay đổi lượng protein (thông qua sự điều chỉnh phiên mã). Loại tiến hóa sau có thể đạt được thông qua việc thay thế trong vùng điều khiển của gen quan tâm (thay đổi cis) hoặc bằng cách thay đổi cấu trúc hoặc lượng của các protein điều hòa phiên mã (thay đổi trans). Hệ thống metallothionein là một trong những hệ thống phản ứng căng thẳng được nghiên cứu nhiều nhất trong ngữ cảnh kim loại nặng. Biểu hiện metallothionein được cho là được điều chỉnh bởi yếu tố phiên mã kim loại 1 (MTF-1); tuy nhiên, cho đến nay, sự tham gia của MTF-1 chỉ được chứng minh cho một số loài động vật có xương sống và Drosophila. Dữ liệu trên động vật không xương sống như giun tròn và giun đất cho thấy rằng có thể có các cơ chế khác để kích thích metallothionein. Một nghiên cứu chi tiết về khả năng chịu đựng Cd đã được thực hiện cho một loài giun đất sống trong đất, Orchesella cincta. Gen metallothionein của loài này được biểu hiện quá mức trong các quần thể ngoài tự nhiên tiếp xúc với kim loại. Phân tích vùng điều khiển metallothionein đã chứng minh sự đa hình sinh học rộng rãi có ý nghĩa chức năng, như đã được chứng minh qua các thí nghiệm sinh học. Trong một nghiên cứu so sánh 20 quần thể khác nhau, tần suất của một alen vùng điều khiển biểu hiện cao có mối tương quan tích cực với nồng độ kim loại trong đất, đặc biệt là Cd. Nghiên cứu về giun đất cho thấy rằng thay đổi cis trong việc điều chỉnh các gen liên quan đến phản ứng căng thẳng của tế bào có thể góp phần vào sự tiến hóa khả năng chịu đựng kim loại.

Côn trùng từ lâu đã là nhóm động vật ăn cỏ phong phú nhất, và thực vật đã tiến hóa các cơ chế tinh vi để phòng thủ trước sự tấn công của chúng. Đặc biệt, thực vật có khả năng nhận biết các mô hình tổn thương tế bào cụ thể liên quan đến sự ăn cỏ của côn trùng. Một số loài thực vật có thể nhận diện một số chất kích thích nhất định có trong tiết nước bọt của côn trùng (OS) mà đi vào vết thương trong quá trình ăn, từ đó nhanh chóng kích hoạt một loạt các con đường tín hiệu liên kết để điều phối quá trình tổng hợp các hợp chất phòng thủ khác nhau. Các kinase protein hoạt hóa bởi mitogen (MAPK), phổ biến ở tất cả các eukaryote, tham gia vào việc điều phối nhiều quá trình tế bào, bao gồm cả phát triển và phản ứng với căng thẳng. Ở thực vật, ít nhất hai loại MAPK, kinase protein kích thích bởi axit salicylic (SIPK) và kinase protein kích thích bởi tổn thương (WIPK), được kích hoạt nhanh chóng bởi sự tổn thương hoặc tiết dịch từ côn trùng; điều quan trọng là, các nghiên cứu di truyền bằng cách sử dụng thực vật chuyển gen hoặc thực vật đột biến bị khuyết tật trong tín hiệu MAPK cho thấy rằng MAPK đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh động lực học của phytohormone kích thích do sự ăn cỏ, như axit jasmonic, etylen và axit salicylic, và MAPK cũng cần thiết cho việc kích hoạt phiên mã các gen liên quan đến phòng thủ chống côn trùng và tích lũy các hợp chất phòng thủ. Trong bài tổng quan này, chúng tôi tóm tắt những phát triển gần đây trong việc hiểu biết về chức năng của MAPK trong khả năng kháng côn trùng của thực vật.

Côn trùng có thể có sự khác biệt lớn về nồng độ nguyên tố trong toàn bộ cơ thể. Các cuộc điều tra gần đây về côn trùng liên quan đến các loại cây tích lũy nickel cao đã xác định được những loại côn trùng có nồng độ nickel trong cơ thể tương đối cao. Đánh giá dữ liệu hạn chế có sẵn cho thấy nồng độ nickel trong toàn bộ cơ thể là 500 μg Ni/g là điều đặc biệt: Tôi đề xuất rằng một loài côn trùng có giá trị trung bình là 500 μg Ni/g hoặc cao hơn, ở giai đoạn ấu trùng/nymph hoặc trưởng thành, được coi là "côn trùng chứa nickel cao". Sử dụng tiêu chí 500 μg Ni/g, 15 loài côn trùng chứa nickel cao đã được xác định cho đến nay từ các nghiên cứu ở Mpumalanga (Nam Phi), New Caledonia và California (Mỹ). Nồng độ nickel trung bình cao nhất được báo cáo là 3 500 μg Ni/g cho nymph của một loài Stenoscepa ở Nam Phi (Orthoptera: Pyrgomorphidae). Phần lớn côn trùng chứa nickel cao (66%) là côn trùng ăn cỏ thuộc nhóm Heteroptera. Các nghiên cứu về sở thích ký sinh của côn trùng chứa nickel cao cho thấy chúng thường ăn một loài cây tích lũy nickel cao cụ thể (hoặc gần như vậy). Một phần lớn nickel trong cơ thể của những côn trùng này nằm ở ruột (lên đến 66%–75%), nhưng nồng độ cao cũng được tìm thấy trong các ống Malpighian, cho thấy việc loại bỏ hiệu quả có thể là một chiến lược để đối phó với chế độ ăn giàu nickel. Mức độ nickel trong mô thường thấp hơn nhiều so với nồng độ trong ruột, nhưng đã có báo cáo lên đến 1200 μg Ni/g từ xác, cho thấy rằng việc lột xác có thể là một con đường khác để loại bỏ nickel. Một chức năng sinh thái của nồng độ nickel cao ở những côn trùng này có thể là để bảo vệ chúng khỏi kẻ thù tự nhiên, nhưng cho đến nay chỉ có một thử nghiệm thực nghiệm hỗ trợ giả thuyết "phòng thủ nguyên tố" này. Các nghiên cứu ở cấp độ cộng đồng cho thấy côn trùng chứa nickel cao chuyển động nickel vào chuỗi thực phẩm nhưng sự tích lũy nickel không xảy ra ở các bước giữa thực vật - côn trùng ăn cỏ hoặc côn trùng ăn cỏ - kẻ ăn thịt. Không có gì ngạc nhiên khi chỉ số tích lũy nickel cao hơn cho côn trùng chứa nickel cao so với các loài côn trùng khác ăn các loại cây tích lũy nickel cao. Có một số bằng chứng về việc di chuyển nickel vào chuỗi thực phẩm bởi các côn trùng thăm hoa của các loại cây tích lũy nickel cao, nhưng chưa báo cáo về sự thăm hoa của côn trùng chứa nickel cao.

Nhiệt độ tối ưu nội sinh cho sự phát triển của động vật biến nhiệt là một trong những yếu tố quan trọng nhất không chỉ đối với các quá trình sinh lý mà còn đối với các quá trình sinh thái và tiến hóa. Mô hình Sharpe–Schoolfield–Ikemoto (SSI) đã thành công trong việc xác định nhiệt độ mà tại đó, về mặt nhiệt động lực học, xác suất một enzyme hoạt động đạt được mức độ hoạt động tối đa có thể xảy ra. Trước đây, một thuật toán đã được phát triển bởi Ikemoto (Sốt rét nhiệt đới không có nghĩa là môi trường nóng. Tạp chí Côn trùng Y học, 45, 963–969) để ước lượng các tham số mô hình, nhưng chương trình đó rất tốn thời gian tính toán. Hiện nay, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng mô hình SSI dễ dàng hơn vì đã có một chương trình máy tính tự động hoàn chỉnh được thiết kế bởi Shi et al. (Chương trình sửa đổi để ước lượng các tham số của mô hình SSI. Côn trùng Môi trường, 40, 462–469). Tuy nhiên, ý nghĩa thống kê của ước tính điểm nhiệt độ tối ưu nội sinh cho mỗi động vật biến nhiệt vẫn chưa được xác định. Tại đây, chúng tôi cung cấp một phương pháp mới để tính khoảng tin cậy của nhiệt độ tối ưu nội sinh ước lượng bằng cách điều chỉnh phương pháp khoảng tin cậy bootstrap gần đúng. Để mục đích này, cần phát triển một chương trình mới để ước tính nhanh hơn các tham số trong mô hình SSI, điều mà chúng tôi cũng đã thực hiện.

Các vi khuẩn đồng sinh đóng vai trò quan trọng trong các đặc điểm sinh thái của bọ aphid. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phân tích các vi khuẩn đồng sinh của A. gossypii được thu thập ở Karaj, Iran và vai trò của chúng trong hiệu suất của bọ aphid. Kết quả của chúng tôi cho thấy ngoài Buchnera aphidicola, A. gossypii cũng chứa cả hai loài Hamiltonella defensa và Arsenophonus sp. Kết quả PCR định lượng (qPCR) cho thấy rằng dân số của các vi khuẩn đồng sinh tăng lên trong suốt quá trình phát triển của ấu trùng cho tới khi bọ trưởng thành xuất hiện; sau đó, dân số của Buchnera và Arsenophonus giảm, trong khi mật độ của H. defensa liên tục tăng. Việc giảm Buchnera dẫn đến thời gian phát triển kéo dài và không sản xuất con non. Hơn nữa, việc giảm các vi khuẩn đồng sinh thứ cấp dẫn đến giảm tuổi thọ tổng cộng và tỷ lệ tăng trưởng tự nhiên nội tại cũng như sự xuất hiện của các con non bị deformed và chết so với côn trùng đối chứng. Việc giảm các vi khuẩn đồng sinh thứ cấp không ảnh hưởng đến tỷ lệ ký sinh của bọ aphid bởi ong ký sinh Aphidius matricariae. Tổng hợp các phát hiện này cho thấy H. defensa và Arsenophonus đóng góp vào sự sung mãn của A. gossypii bằng cách tăng cường hiệu suất của nó, nhưng không thông qua khả năng kháng ký sinh.