Adaptaciones fisiologicas del intestino de los insectos a
1. EDNA PAOLA BECERRA ESPAÑOL
UNIVERSIDAD 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
4. Periodo Millones de Tipo de insectos Descripción
años
Devoniano 410 Mya Primeros insectos sin alas, Alimento material en
Terrestres o descomposición
semiacuaticos
Carbonífero 355 -290 Insectos alados Alimento de fluidos de tejidos
Primeros fitófagos de plantas
Primer registro fósil de un Y primer
insecto masticador masticador
(ancestro Orthoptera)
Pérmico 290 – 250 Extinción de los anteriores Aparecen Thysanoptera y
Hemíptera
Triásico 250 – 205 Ordenes de insectos Colonizan Gimnospermas
Jurasico 205 -145 modernos Col, Dip, Hym, Se especializan en ser
Lep, minadores, forman agallas y
madera
Cretáceo 145 -65 radiación Angiospermas dominan el
ambiente terrestre
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
5. 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: Arthropoda
Subphylum: Hexapoda
Clase: Insecta
Subclase: Pterygota
Division: Neoptera
Subdivision: Paraneoptera
Superorden: Condylognatha
Orden Thysanoptera - Hemiptera
Silva et al., 2004)
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
7. Calidad en la dieta: Proteínas y
Carbohidratos
Plantas = Bajo cont proteínas
Alto cont carbohidratos
Aminoácidos: varían dependiendo
la especie = (diferencias
nutricionales para el insecto)
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
9. 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 :
Intestino medio
Proteínas
Quitina Alrededor del bolo
Proteoglicanos alimenticio
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
10. 1. Protección contra partículas abrasivas
2. Compartimentalización para incrementar la
eficiencia de la digestión de proteínas y
carbohidratos
3. Barrera para microorganismos
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
11. 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).
Harper et al.,1998) Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
12. 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
Kabir et al., 2012 (In press) Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
14. Membrana en el intestino medio
Lipoproteínas
El 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
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
15. Mehrabadia et al, 2012 Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
16. 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
17. Bacteria simbionte: Genero Buchnera
Bacteriocitos (células)
a.a. son absorbidos por
la M. perimicroviliar
Usa a.a. no esenciales y
por simporte K+ sintetiza a.a. esenciales
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 http://micro.cornell.edu/cals/micro/research/labs/angert-
Paola Becerra. Maestría en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012 lab/spanish-genomes-2.cfm
18. Absorción de aminoácidos
Inmovilizar enzimas hidroliticas
Digestión de polímeros en Hemiptera que se alimentan de
semillas
Quesada gigas (Hemiptera: Cicadidae)
Plaga café
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.
Fonseca et al., 2010
20. Los fitófagos han adaptado su sistema digestivo
por:
1. Síntesis de enzimas digestivas especificas
2. 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
21. Incremento de la actividad proteasa = dieta
con bajo nivel de proteina
Para hacer mas eficiente el uso de esa
proteína limitada o escasa
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
22. 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
23. La enzima glucosa oxidasa (GOx) es una oxidorreductasa que
cataliza la oxidación de la glucosa para formar peróxido de
http://es.wikipedia.org/wiki/Glucosa_oxidasa hidrógeno y D-glucono-δ-lactona. En las células contribuye a
degradar los azúcares hacia sus metabolitos.
25. 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
26. 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)
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
28. 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.
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
29. son metabolitos secundarios
de las plantas, fenólicos, no
nitrogenados, solubles en
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012 agua
30. •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.
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
31. 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.
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
32. 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) digestive
tract: 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-glucosidase
from Quesada gigas (Hemiptera: Cicadidae)
Paola Becerra. Maestria en Ciencias Agrarias. Universidad nacional de Colombia 2012
Resumen. Barrenador del maíz europeo (BCE; Ostrinia nubilalis (Hübner)) larvas (tercer estadio) alimentados con 0.05% w / w de aglutinina de germen de trigo (WGA) en su dieta durante 72 horas mostraron un aumento muy pequeño en el peso corporal, mientras que el peso de las larvas de control casi se cuadruplicó. los estudios de microscopía electrónica de transmisión mostró que la morfología de la membrana peritrófica (PM) cambió a las 24 h después de larvas BCE alimentados con la dieta de WGA. Considerando que la PM en el región anterior del intestino medio era una estructura delgada membranosa en el control de las larvas, las larvas alimentadas con WGA-secretada un PM de múltiples capas y no organizado incrustadas que contenía partículas de alimentos, bacterias, y piezas de desintegración microvellosidades. Marcado con oro Ventajas WGA localiza específicamente en el PM y microvellosidades. El primer WGA alimentados con larvas fue inundado con coloración oscura estructuras amorfas que, cuando se incuba con anticuerpos anti-Ventajas WGA, mostró gran Ventajas de WGA localización. La etiqueta anticuerpo indica que la mayor parte de la ingestión de WGA se encontró en la PM, con cantidades menores en la superficie microvillar y la menor cantidad dentro del epitelio. Después de 72 h, la porción media del mesenteron reveló un PM delgada y compacta en las larvas de control, mientras que el PM de las larvas alimentadas con WGA-era multicapa y discontinua, lo que permitió la pared celular vegetal-fragmentos de penetrar en las microvellosidades del epitelio. Microscopía electrónica de barrido de MO del quinto estadio las larvas alimentadas con la dieta BCE WGA reveló una ruptura de la malla quitinosa a las 48 h después del inicio de la alimentación. La superficie endo-PM de las larvas de control era lisa e intacta, mientras que el PM de WGA-larvas alimentadas mostraron desintegración de la malla y una matriz proteica reducida. Estas bacterias y partículas de alimentos permitidos para penetrar a través de la PM en el espacio ectoperitrophic y en contacto directo con las microvellosidades. Por lo tanto, WGA, un inhibidor de la proteína del crecimiento de las larvas, interfiere con la formación y la integridad de la PM, que expone el borde en cepillo de material ingerido. Esto, a su vez, parece estimular la secreción de capas adicionales de PM, la desintegración concomitante de las microvellosidades, y cese de la alimentación.
(a) A digital photograph of the digestive tract of an adult individual of Monochamus alternatus. (b) A magnified microphotograph representing type-I PM. (c) A scanning electron micrograph of the peritrophic membrane of an adult individual of Monochamus alternatus, 15 kv, ×95, 100 μm. (d) An electron micrograph of the excised PM showing its multi-layered structure, 15 kv, ×70, 100 μ m. Abbreviations: fg, foregut; mg, midgut; hg, hindgut; m1, anterior midgut; m2, mid-midgut; m3, posterior midgut; mt, malphighian tubules; pm, peritrophic membrane; mge, midgut epithelium; fb, food.
Adult of E. integriceps (A) and its pooled digestive tract (B), showing the first (V1), second (V2), third (V3) and fourth (V4) ventriculus. MI: Malpighian tubules; Re: rectum. Scale bars: 1 mm. Schematic drawn of E. integriceps digestive tract gross morphology and epithelial cells. V1–V4 corresponds to the first, second, third and fourth ventriculus, respectively. The V1 has columnar cells with basal nucleus and PMMs. The V2 shows intensive columnar cells with nucleus at the middle of cells and a large amount of PMMs extending toward lumen. In distal V2 toward the V3, epithelium cells are organized in such way to form a narrow lumen. The same cells are present in the V3 but with less PMMs seen in V1–V2. The V4 has also columnar epithelial cells without PMMs. Bacterial symbionts are present in V4. The rectum (R) has vacuolated cells.
Estas bacterias son simbiontes intracelulares de ciertas especies de áfido. Esta relación mutual entre el áfido y la bacteria desarrolló hace millones de años. Aunque está relacionado con E. coli, Buchnera tiene el tamaño de genoma aproximadamente un séptimo del genoma del E. coli. En una especie de Buchnera, el genoma se compone de 640 cromosomas de kilobase (KB) y de dos plasmids, que codifican los caminos biosintéticos para varios aminoácidos. Se ha demostrado que el número de las copias del genoma en las células de Buchnera está relacionado con la etapa de desarrollo de su áfido anfitrión; mientras que un áfido entra a una edad adulta, el número genomico de copia en las células individuales de Buchnera aumenta. Mientras que el anfitrión agrande, el número genomico de copia en Buchnera disminuye. Se ha propuesto que esta fluctuación en número de copia puede ser debido a la bacteria que se purga de genomas con mutaciones deletéreas, asegurando solamente los cromosomas viables serán transmitidas a la generación siguiente.
Se observó que plantas sanas de tomate expuestas al metil-jasmonato volátil acumulan inhibidores de proteinasas en niveles semejantes a los encontrados en plantas dañadas en ausencia de JA por lo que se sugirió que el JA actuaría coma señal de transducción en la respuesta a lesiones. También se vio que el metil jasmonato volátil liberado por plantas de Artemisia tridentata ejercía esta misma acción sobre plantas de tomate vecinas, sugiriéndose que la señal se transmitía por el aire. Los compuestos químicos volátiles