Time-dependent modulation of pheromone-sensitive trichoid sensilla of the hawkmoth Manduca sexta

The pheromone release and also the male responsiveness to pheromone in nocturnal moths are controlled by circadian pacemakers. In Manduca sexta the circadian rhythm in the calling behaviour of female moths with a maximum at the end of the scotophase is correlated with peaks in the male flight activi...

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Main Author: Flecke, Christian
Contributors: Homberg, Uwe (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2009
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Table of Contents: Die Abgabe von Pheromonen weiblicher als auch das Antwortverhalten männlicher nachaktiver Lepidopteren steht unter der Kontrolle von circadianen Schrittmachern. Für Manduca sexta wurde gezeigt, dass der circadiane Rhythmus im Lockverhalten der Weibchen mit einem Maximum am Ende der Dunkelphase mit Maxima in der Flugaktivität der Männchen korreliert. Weiterhin bestimmen circadiane Veränderungen in der Konzentration des biogenen Amins Oktopamin (OA) in der Hämolymphe und im Zentralkörper die Sensitivität der Männchen für Pheromone. Zudem verbesserte die Injektion von OA in die Hämolymphe das Auffinden von Pheromonquellen in Windtunnelversuchen. Diese OA-abhängige Sensitisierung beruht wahrscheinlich auf Effekten auf zentraler Ebene aber auch auf einer Verstärkung der Pheromontransduktion. Um die tageszeitliche Modulation der Pheromontransduktion von olfaktorischen Rezeptorneuronen (ORNs) zu untersuchen, wurde OA und seine Vorgängersubstanz Tyramin (TA) während Langzeitableitungen von einzelnen Trichoidsensillen von M. sexta durch Perfusion über die Ableitelektrode appliziert. Die Ableitungen wurden bei Zeitgeberzeit (ZT) 22-1, ZT 1-4 oder ZT 8-11 durchgeführt (ZT 0 = Licht an). Zudem wurden die Trichoidsensillen mit der Hauptkomponente des Pheromongemisches Bombykal (BAL) in einem nichtadaptierenden Protokoll über einen Zeitraum von 180 Minuten stimuliert. Die Perfusion mit OA und TA erhöhte die Sensillenpotentialamplitude (SP-Amplitude) und die Aktionspotentialfrequenz (AP-Frequenz) in Ableitungen bei ZT 8-11 aber nicht bei ZT 22-1. Weiterhin adaptieren die ORNs mit Beginn der Photophase auf Ebene der AP-Antwort und die Applikation von OA und TA bei ZT 8-11 disadaptiert die ORNs. Zudem führte OA und TA zu einer Aufhebung der endogenen Adaptation in der AP-Verteilung in den Antworten. OA, aber nicht TA erhöhte zudem die spontane AP-Frequenz vorwiegend durch eine Zunahme der Bursts und durch Verlängerung der Bursts. Der OA-Rezeptor Antagonist Epinastine (EPI) verringerte die AP-Frequenz in BAL-Antworten stark bei ZT 8-11 und schwach bei ZT 22-1 ohne die SP-Amplitude zu beeinflussen. Auch die spontane AP-Frequenz wurde unter EPI-Einfluss in gleichem Maße bei ZT 22-1 und ZT 8-11 abgeschwächt. Bei ZT 22-1 führte EPI außerdem zu einer Verschiebung von phasischen hin zu tonischen AP-Verteilungen in den Antworten. Diese Ergebnisse zeigen, dass OA der Schlüsselfaktor in der tageszeitlichen Modulation der Pheromonsensitivität der ORNs darstellt und das OA obligatorisch für starke und phasische AP-Antworten und essentiell für eine hohe Pulsfolgenauflösung sein könnte. Da die Mehrzahl der OA-Rezeptoren positiv an Adenylylzyklasen gekoppelt ist, wurde untersucht, ob zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) die OA-abhängige Disadaption nachahmt. Das membrangängige cAMP-Analogon 8-bromo cAMP (8bcAMP) erhöhte die SP-Amplitude bei ZT 1-4 und ZT 8-11, jedoch nicht bei ZT 22-1. Weiterhin wirkte 8bcAMP der endogenen Adaptation auf Ebene der mittleren SP-Amplitude bei ZT 1-4 und teilweise bei ZT 8-11 entgegen. Im Gegensatz dazu hatte 8bcAMP keinen Einfluss auf die AP-Frequenz, auf die Verteilung der APs in den Antworten und wirkte der endogenen Abnahme der mittleren AP-Frequenz bei ZT 8-11 nicht entgegen. Zudem erhöhte 8bcAMP die spontane AP-Frequenz bei ZT 8-11. Weiterhin adaptieren die ORNs auch auf Ebene der spontanen AP-Frequenz mit Beginn der Photophase und 8bcAMP hebt diese Adaptation bei ZT 1-4 und ZT 8-11 durch Anstiege in der Anzahl der Bursts und der Einzel-APs auf. 8bcAMP vermittelt somit die OA-Effekte nur zum Teil. Neben der OA-abhängigen Aktivierung einer Adenylylzyklase ist vermutlich noch ein zweiter möglicherweise Ca2+-abhängiger Pfad in der OA-Modulation involviert. Da adaptierende Pheromonstimuli Anstiege in der Konzentration von zyklischen Guanosinmonophosphat (cGMP) in Trichoidsensillen von M. sexta bewirken, wollten wir weiterhin untersuchen ob cGMP an der tageszeitabhängigen Modulation der Pheromontransduktion beteiligt ist. Hierzu wurde das membrangängige cGMP Analogon 8-bromo cGMP (8bcGMP) während ZT 1-4 und ZT 8-11 appliziert. 8bcGMP adaptierte die AP-Antwort aber nicht die SP-Antwort. Die Perfusion mit 8bcGMP verringerte die AP-Frequenz und die Anzahl der APs in den ersten 100 ms der BAL-Antworten. Weiterhin zeigten wir, dass die 8bcGMP-abhängige Abnahme in der AP-Frequenz bei ZT 8-11 stärker war als bei ZT 1-4. Zudem verstärkte 8bcGMP die endogene Verschiebung hin zu tonischen AP-Verteilungen bei ZT 8-11. 8bGMP veränderte außerdem die Form spontaner APs durch Anstiege in deren Maximalamplitude und durch die Verlängerung der Repolarisationsphase. Wir stellten die Hypothese auf, das neben Veränderungen in der OA-Konzentration in der Hämolymphe, der tageszeitlich bedingte Anstieg in der cGMP-Konzentration die Pheromonsensitivität während der Photophase herabsetzt und damit auch die Pulsfolgenauflösung der ORNs verringert.