نوروفیزیولوژی و رفتار حس بویایی در مورچه‌های جهنده‌ی Harpegnathos saltator

کد مقاله : 1003-23IPPC (R1)
نویسندگان
1گروه علوم زیستی، دانشگاه ایالتی آریزونا‌
2گروه علوم زیستی، دانشگاه ایالتی آریزونا،تمپی، آمریکا
3گروه علوم زیستی، دانشگاه ایالتی آریزونا، تمپی، آمریکا
چکیده
مورچه‌ها برای حفظ یکپارچگی کلونی خود به همکاری با یکدیگر نیاز دارند. این همکاری به‌وسیله‌ی ارتباط از طریق علایم بویایی، معروف به ترکیب‌های بودار، تنظیم می‌شود. یکی از مهم‌ترین این ترکیب‌ها، هیدروکربن‌های کوتیکولی می‌باشند که در کوتیکول جلد بدن قرار دارند. تشخیص این ترکیب‌های بودار توسط سیستم بویایی حشرات نیازمند اندرکنش‌ بین این ترکیب‌ها و گیرنده‌های بویایی مستقر در انشعاب‌های دندریت نورون‌های حسی بویایی می‌باشد که در ساختارهای مو مانندی به نام گیرنده‌های حسی قرار دارند. با این وجود، اطلاعات ما در مورد چگونگی تشخیص و تمایز این ترکیب‌ها توسط حشرات بسیار ناچیز است. ما این موضوع را روی مورچه‌های Harpegnathos saltator مورد بررسی قرار دادیم. در این مورچه‌ها، کارگرها ماده‌های نازایی هستند که به پرورش نوزادان کمک می‌کنند، اما در غیاب ملکه، وارد دوره‌ی گذاری می‌شوند که طی آن به افرادی تولیدمثل کننده، به نام ملکه‌ی کاذب، تبدیل می‌شوند. در مقابل، تنها وظیفه‌ی نرها جفت‌گیری با ملکه برای تولید تخم‌های بارور است. در این تحقیق، با به‌کارگیری روش رکوردگیری از تک‌سلول عصبی و با استفاده از ۴۵ ترکیب شیمیایی بودار، پاسخ‌ الکتروفیزیولوژیک گیرنده‌های حسی بویایی مختص کارگرهای نازا و ملکه‌‌های کاذب اندازه‌گیری و مقایسه شد. پاسخ‌ها به چندین هیدروکربن زنحیره بلند در ملکه‌های کاذب به‌طور معنی‌داری کم‌تر بودند. در رکوردگیری‌های بعدی، افرادی با سنین و وضعیت تولیدمثلی معین مورد بررسی قرار گرفتند. مشخص شد که پاسخ‌ گیرنده‌های حسی‌ ملکه‌های کاذبِ ۷ ماهه به هیدروکربن‌های زنحیره بلند، نسبت به ملکه‌های کاذب ۳ ماهه به‌طور معنی‌داری کاهش یافت اما، این پاسخ‌‌ در ملکه‌های کاذب ۳۶ ماهه کاهش بیش‌تری نشان نداد. نکته‌ی جالب این‌که، این روند کاهشی تنها مختص هیدروکربن‌های کوتیکولی بود و پاسخ به محرک‌های غیرهیدروکربنی در سنین مختلفِ ملکه‌های کاذب تغییری نکرد. از سوی دیگر، پاسخ به هیدروکربن‌های زنحیره بلند در سنین مختلف کارگرهای نازا تغییری نشان نداد. این نشان می‌دهد که کاهش پاسخ به هیدروکربن‌های زنحیره بلند در ملکه‌های کاذب تنها به‌واسطه‌ی انتقال آن‌ها از مرحله‌ی کارگر نازا به وضعیت تولیدمثل کننده می‌باشد. احتمالا هیدروکربن‌های زنحیره بلند تاثیر مهارکنندگی روی رشد تخمدان کارگرها و ملکه‌های کاذب دارند.گیرنده‌های حسی در نرها، برخلاف کارگرها و ملکه‌های کاذب، به طیف وسیعی از هیدروکربن‌های کوتیکولی پاسخ ندادند بلکه بیش‌تر به آن‌دسته از هیدروکربن‌های کوتیکولی عصاره‌گیری شده از غددترشحی پشت مری ملکه‌های باکره پاسخ دادند. حشرات نر احتمالا از ترشحات این غدد برای تشخیص جفت خود از فاصله‌ی نزدیک استفاده می‌کنند. آزمایش‌های بویایی‌سنجی تایید نمودند که مورچه‌های نر پاسخ‌های رفتاری مشابهی به ترکیب‌های بودار غیرهیدروکربنی دادند که با رفتارهای آن‌ها در طبیعت هم‌خوانی دارد.
کلیدواژه ها
موضوعات
 
Title
The neurophysiology and behavior of olfactory detection in the ant Harpegnathos saltator
Authors
Majid Ghaninia, Kevin Haight, Jürgen Liebig
Abstract
In order to maintain colony integrity ants need to cooperate with each other. This cooperation is regulated by communication through olfactory cues, known as odorants. Compounds of one important odorant group, known as cuticular hydrocarbons (CHCs), are part of the lipid surface of the cuticle. Olfactory detection in insects involves interactions between odorants and diverse groups of olfactory receptors expressed in the dendritic branches of the olfactory sensory neurons housed within individual hair-shaped structures, known as sensilla, that are predominately, present on antennae. However, our knowledge about the detection and discrimination of these odorants is meager. We investigated this problem in the ant Harpegnathos saltator. Here, female workers act as helpers and raise brood, or, in the absence of the queen, may undergo a transition period and become reproductive individuals, called gamergates. In contrast, the male ants’ sole function is to mate with queens or workers. We employed extracellular recording technique to measure and compare electrophysiological responses from the female-specific sensilla basiconica of the non-reproductive workers and reproductive workers (gamergates) using a panel of 45 compounds (CHCs and non-HC stimuli). We found that responses to several long-chained hydrocarbons were significantly lower in gamergates. Subsequent age- and reproductive status-specific recordings showed that sensillum responses to a panel of long-chained hydrocarbons significantly and consistently decreased within the four months of gamergate maturation after the transition from worker status. However, 36-month-old gamergates did not show a further decline in response over time. Interestingly, this effect was hydrocarbon-specific and responses to non-HCs did not change. The responses to CHCs did not change in non-reproductive workers, which indicates that the reduced response to long-chained hydrocarbons seen in gamergates is specific to their transition to reproductive status. Since the reproductive-specific blend of long-chained hydrocarbons may have an inhibitory effect on worker, and potentially gamergate, ovarian development, a reduction in sensitivity to hydrocarbons may reduce mutual and self-inhibition in gamergates. In a search for CHC-responding sensilla in males we found that, unlike workers and gamergates, males’ sensilla are not broad spectrum detectors of CHCs as only some sensilla responded to CHCs from virgin queen postpharyngeal glands which may be used for close range mate recognition.Olfactometric bioassays verified that the male ants display behavioral responses to the electrophysiologically active non-HC stimuli which correlate with the life habits of male ants. We discuss how the peripheral olfactory detection of male ants is correlated with their life habits.
Keywords
Antennal olfactory sensilla, Cuticular hydrocarbons, Electrophysiology, Odor coding, olfactometer, Olfactory sensory neurons