INSECT PHYSIOLOGY AND BIOCHEMISTRY

JOURNAL DISCUSSION ALIMENTARY

THE LARVAL ALIMENTARY CANAL OF THE ANTARCTIC INSECT

Belgica antarctica

JOSUA CRYSTOVEL

150320160005

Dosen Pengajar:

Dr. Ir. Danar Dono, M.Si

PASCASARJANA AGRONOMI

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS PADJADJARAN

SUMEDANG

2017

1

THE LARVAL ALIMENTARY CANAL OF THE ANTARCTIC INSECT

Belgica antarctica

SISTEM SALURAN PENCERNAAN LARVA SERANGGA ANTARTIKA

Belgica antarctica

James B. Nardi a,*, Lou Ann Miller

b, Charles Mark Bee

c, Richard E. Lee, Jr.

d, David L.

Denlinger e

a Departemen Entomologi, University of Illinois, 320 Morrill Hall, 505 S. Goodwin Avenue,

Urbana, IL 61801, USA

b Pusat Mikroskopi dan Imaging, College of Veterinary Medicine, University of Illinois, 2001

S. Lincoln Avenue, Urbana, IL 61801, USA

c Imaging Technology Group, Beckman Institute for Advanced Sains dan Teknologi,

Universitas Illinois, 405N Mathews Avenue, Urbana, IL 61801, USA

d Departemen Zoologi, Universitas Miami, Oxford, OH 45056, USA

e Departemen Entomologi, Ohio State University, 400 Aronoff Laboratorium, 318 Barat 12th

Avenue, Columbus, OH 43210, USA

ABSTRAK

Di benua Antartika yang serangga midge sejenis agas bersayap yaitu Belgica antarctica

(Diptera; Chironomidae) terjadi lebih banyak pada daerah selatan daripada jenis serangga

lainnya. Saluran pencernaan tahap larva dari Belgica yang mendiami ini lingkungan yang

ekstrim dan feed dalam detritus dari rookeries penguin telah dijelaskan untuk pertama

kalinya. Makanan tertelan melewati lumen foregut dan menjadi katup stomodeal mewakili

intususepsi dari foregut dalam usus tengah. Sebuah diskontinuitas tajam panjang microfillar

terjadi pada antarmuka memisahkan mikrovili relatif lama dari wilayah midgut stomodeal,

situs di mana peritrofik berasal membran, dari epitel usus tengah berbaring posterior ke

daerah stomodeal ini. Meskipun bentuk sel sepanjang ini non-stomodeal midgut epitel serupa

tetapi lebih panjang. Peningkatan mikrofili lebih dari dua kali lipat dari anterior midgut ke

midgut posterior. Lapisan selimut membran basal juga menjelaskan antarmuka sangat

diperluas antara sel midgut dan hemocoel. Sel-sel epitel dari hindgut tampaknya khusus

untuk pertukaran air dengan mereka lingkungan, dengan anterior dua-pertiga dari hindgut

menunjukkan luminal yang sangat berbelit-belit membran dan posterior ketiga yang memiliki

2

permukaan basal yang sangat berbelit-belit. Lumen tengah sepertiga dari hindgut memiliki

populasi padat bakteri penduduk. Sel Regeneratif tersebar seluruh midgut epitel larva. Ini

mungkin merupakan sel induk untuk midgut dewasa, sementara cincin sel ditandai dengan

diskontinuitas dalam ukuran nuklir pada antarmuka midgut-hindgut, mungkin merupakan sel

induk untuk hindgut dewasa.

1. Perkenalan

Meskipun dominasi serangga dan arthropoda darat lainnya di seluruh dunia, hanya

beberapa spesies yang ditemukan di Antartika. Kebanyakan collembolans dan tungau, dengan

Kelas Insecta diwakili oleh hanya dua spesies endemik pengusir hama (Diptera:

Chironomidae) (Sampaikan dan Block, 1996). Dari jumlah tersebut jangkauan lebih

berlimpah midge Belgica antarctica meluas lebih jauh ke selatan di Semenanjung Antartika

daripada setiap serangga lainnya. B. antarctica memiliki distribusi merata di Semenanjung,

tetapi terutama berlimpah dekat rookeries penguin di kecil, lepas pantai pulau dekat Palmer

Station. Pada habitat ini larva nyamuk yang mengalami berbagai tekanan lingkungan

termasuk pengeringan, pembekuan, anoksia, pH fluktuasi dari nitrogen run-off dan genangan

dari air laut serta air tawar dari curah hujan dan pencairan es. Banyak adaptasi fisiologis jelas

dalam larva: heat shock protein terus diregulasi (Rinehart et al., 2006), agen untuk melawan

stres oksidatif yang hadir dalam kelimpahan (Lopez-Martinez et al., 2008). Hilangnya

persentase yang tinggi dari air tubuh ditoleransi dan bahkan memberikan kontribusi toleransi

pembekuan ditingkatkan (Hayward et al, 2007;.. Elnitsky et al, 2008). Perubahan dramatis

dalam metabolit (Michaud et al., 2008) dan ekspresi gen (Lopez-Martinez et al., 2009)

mengiringi respon fisiologis terhadap stres lingkungan. Selain fitur biokimia khas sel-sel B.

antarctica sangat mungkin bahwa fitur struktural ini serangga juga dapat menyimpang sedikit

dari pola yang diamati di serangga di lintang rendah. Lingkungan yang keras dari Antartika

jelas menempatkan tuntutan besar pada ketahanan sel yang terkena pengeringan periodik dan

pembekuan. Mempromosikan pembentukan kristal es dalam ruang ekstraseluler daripada

dalam sel, sel-sel serangga harus cepat bertukar air dengan mereka lingkungan ekstraseluler.

Perluasan luminal atau basal daerah permukaan sel epitel akan memfasilitasi ini cepat

bertukar.

Penekanan khusus dalam naskah ini telah ditempatkan pada arsitektur seluler dari tiga

wilayah epitel baik digambarkan dari serangga pencernaan kanal - foregut, midgut dan

hindgut. Sekresi dari nyamuk ini besar kelenjar ludah sel agregat partikel detritus dan

memfasilitasi penyerapan detritus ke usus (Oliver, 1971). Setelah berlalunya makanan

3

tertelan melalui nyamuk yang larva ini pendek dan sempit foregut, pencernaan dan

penyerapan materi tertelan terjadi melintasi membran peritrofik dan mikrovili yang melapisi

lumen usus tengah. Selanjutnya dicerna makanan masuk ke dalam hindgut mana ion molekul

kecil andwater diserap di lapisan kutikula.

Perbandingan morfologi usus internal arthropoda melengkapi studi yang ada fitur

morfologi eksternal dan karakter molekuler yang filogenetik tradisional hubungan mewakili

perbedaan genetik antara organisme, didasarkan. Meskipun kanal pencernaan dari spesies lain

di keluarga Chironomidae belum diperiksa di seluler tingkat organisasi diperiksa dalam

naskah ini, komprehensif perbandingan karakter morfologi internal di antara spesies terkait

akan mengungkapkan perbedaan yang mungkin adalah berdasarkan adaptasi lingkungan.

Dalam penelitian ini kami mengeksplorasi kemungkinan bahwa lingkungan yang ekstrim di

mana ini larva nyamuk hidup membentuk arsitektur epitel usus mereka sel.

2. Bahan dan Metode

Larva B. antarctica dikumpulkan dari situs dekat penguin rookeries pada Cormorant

dan Humble Islands, dekat Palmer Station, Antartika (640 46

’S, 64

0 0’W) pada bulan Januari

dan Februari 2007. Nitrogen tinggi run-off dari rookeries penguin menyediakan dasar nutrisi

untuk mikroba, ganggang (Prasiola crispa), lumut dan lumut dengan yang midge larva

biasanya terkait. Larva pengembangan terbatas pada musim panas selatan singkat dari akhir

Desember sampai pertengahan Februari; dan larva tetap bergerak di substrat beku untuk sisa

tahun ini. Dua tahun yang diperlukan untuk larva untuk menyelesaikan pembangunan (Usher

dan Edwards, 1984) dan dewasa kehidupan dikompresi menjadi 1-2 minggu periode akhir

Desember / Januari awal (Sugg et al., 1983). Larva dikumpulkan di Antartika dikirim ke

laboratorium di Ohio State University di mana mereka dipelihara dengan substrat mereka

pada 40

C. Saluran pencernaan dan kelenjar ludah dari 32 individu yang dibedah dengan

forceps baik pembuat jam dalam budaya serangga Grace medium. Jaringan segera diperbaiki

pada 40 C di primer fiksatif dari 2,5% glutaraldehid (v / v) dan 0,5% paraformaldehyde (W /

v) dilarutkan dalam buffer bilas 0,1 M cacodylate (pH 7,4) mengandung 0,18 mM CaCl2 dan

0,58 mM sukrosa. Setelah 3 jam dalam ini fiksatif, jaringan dicuci tiga kali dengan bilas

buffer sebelum dipindahkan ke fiksatif sekunder (2% osmium ferri dilarutkan dalam bilas

penyangga, w / v) selama 4 jam. Setelah benar-benar mencuci dengan bilas penyangga,

jaringan secara bertahap dehidrasi dalam bergradasi seri etanol (10-100%, v / v). Dari etanol

absolut, jaringan yang ditransfer ke propilena oksida dan menyusup dengan campuran

propilena oksida dan resin sebelum tertanam dalam murni LX112 getah.

4

Semithin bagian untuk mikroskop cahaya yang dipasang pada kaca slide dan diwarnai

dengan 0,5% toluidin biru 1% boraks (w / v). Bagian ultrathin yang dipasang di grid dan

bernoda sebentar dengan jenuh air uranil asetat dan sitrat membantu Luft untuk

meningkatkan kontras. Gambar yang diambil dengan transmisi Hitachi 600 mikroskop

elektron beroperasi pada 75 kV. Tunggangan seluruh disusun dengan memperbaiki jaringan

di kamar Suhu selama 30 menit dalam larutan 4% dari paraformaldehida (W / v) dilarutkan

dalam phosphate-buffered saline (PBS). Setelah beberapa bilasan di PBS, inti sel diberi label

dengan 1: 1000 pengenceran 40,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI, 1 mg / ml air) setelah

pertama permeabilizing sel selama 30 menit dalam larutan 0,1% Triton X-100 di PBS (v / v).

Jaringan yang dipasang di bawah gelas penutup dalam larutan 70% gliserin dalam 0,1 M Tris

pada pH 9.0 (v / v).

Gambar. 1. (a) Secara gunung usus larva dengan tiga divisi utama usus dibatasi dengan panah: fm ¼ batas

foregut-midgut; mh ¼midgut-hindgut batas. Katup stomodeal kebohongan segera posterior fm (lihat Gambar.

4). Itu kapsul kepala sclerotized terpasang pada akhir anterior dan empat Malphigi tubulus melampirkan pada

batas midgut-hindgut. (B) Lateral pandangan larva. Punggung adalah ke kanan. Di bawah integumen relatif

tembus dari tiga segmen toraks (panah menunjuk ke prothoracic dan segmen metathoracic), kebohongan cakram

imaginal untuk tiga pasang kaki. Punggung ke cakram kaki ini di mesothoracic yang dan segmen metathoracic

adalah sayap dan haltere cakram, masing-masing. Skala bar ¼ 1,0 mm.

5

Gambar. 2. Secara gunung kelenjar ludah Belgica sebagai dilihat dengan Nomarski optik (a) dan setelah

pelabelan DNA dengan DAPI (b). Saliva duct terletak di panah. Skala bar ¼ 50 mm.

3. Hasil

3.1. Organisasi Global Belgica Usus Larva

Usus larva adalah saluran pencernaan lurus yang dikaitkan dengan sepasang ludah

kelenjar di akhir anterior dan empat tubulus Malphigi yang menyatu dengan saluran

pencernaan di persimpangan midgut dan hindgut (Gambar. 1, mh). Sebuah terkemuka katup

stomodeal menempati antarmuka antara foregut dan midgut (Gambar. 1, fm). Foregut

menempati hanya sekitar 5% dari panjang total saluran pencernaan sedangkan endodermal

yang midgut yang menempati wilayah antara fm dan mh pada Gambar. 1 jelas mewakili lebih

dari setengah panjang pencernaan yang kanal.

Gambar. 3. kutikula dari foregut dan epidermal epitel memiliki stratifikasi yang berbeda. Pada perbesaran yang

lebih tinggi, internal dilipat foregut kutikula (a) dibandingkan dengan kutikula dari epidermis eksternal (b).

Sebuah braket meluas di kutikula foregut. Lumen usus (*) dikelilingi oleh kutikula relatif tipis dibandingkan

dengan kutikula epidermis tebal di (b) sel epitel (e), lemak tubuh berpigmen (f). Dalam (c) integumen berbelit-

belit dari foregut (panah) dikelilingi oleh otot (panah), tracheoles (t), jaringan saraf (n) dan kelenjar ludah (g).

Skala bar: (a) 1,0 mm, (b) 5 mm, dan (c) 20 mm.

6

3.2. Kelenjar Ludah Dan Foregut

Kelenjar ludah mencolok menempati ujung anterior midge larva. Kelenjar ini keduanya

polyploid dan polytene (Gbr. 2). Seperti kelenjar ditemukan di anggota larva lain dari

Chironomidae, ini kelenjar ludah mensekresikan benang sutra yang menjerat makanan

partikel. Di permukaan apikal yang foregut ini, kutikula yang melapisi sempit lumen foregut

adalah sekitar 0,3-0,5 mmthick (Gambar. 3a). Berbeda dengan tebal kutikula bersebelahan

eksoskeleton larva dengan electrondense batin lapisan (Gambar. 3b), kutikula foregut ini

sangat berbelit-belit dan yang Lapisan terluar adalah elektron-padat. Lapisan otot mencolok

mengelilingi foregut. Kelenjar ludah besar dan otak larva di mengubah surround otot-otot ini

pada permukaan basal dari larva yang foregut (Gambar. 3c).

Gambar. 4. Katup stomodeal merupakan intususepsi dari posterior foregut epithelium (fe) ke anterior midgut

epitel (saya). (A) foregut Epitel dilipat dikelilingi oleh midgut anterior. Anterior ke kanan. (B, c) bagian

longitudinal menunjukkan dalam lumen kutikula (ic) dan luar lumen kutikula (oc) dari foregut. Antara dua

kutikula kebohongan ini dua lapisan epitel foregut dan lapisan otot enterik (m). Midgut epitel adalah lapisan

terluar dari katup. (C) Merupakan daerah yang dibatasi oleh persegi panjang di (b). Itu diskontinuitas morfologi

ditandai dengan panah. The peritrofik membran (p) terletak pada lumen memisahkan foregut dan midgut. (D)

Susunan konsentris tiga epitel, dua lumina dan satu lapisan otot ditunjukkan pada bagian melintang ini katup.

Dari pinggiran ke pusat: (1) midgut epitel dengan mikrovili yang melapisi lumen yang bentuk membran

peritrofik; (2) foregut epitel menghadapi lumen ini dan (3) otot enterik (m) menempati ruang antara ini epitel

foregut dan foregut epitel menghadap lumen terdalam. Skala bar: (a, b, d) 50 mm; (C) 20 mm.

3.3. Katup Stomodeal Pada Antarmuka Foregut-Midgut

Setelah disalurkan melalui lumen foregut dilapisi oleh kutikula berbelit-belit, isi usus

melewati a stomodeal katup mencolok ke dalam ruang endoperitrophic dari midgut epitel.

Katup stomodeal merupakan intususepsi dari foregut epitel ke dalam midgut (Gambar. 4a-d

dan 5a-c). Ini lipat dari epitel foregut dan yang kutikula menciptakan sekum yang dilapisi

7

secara terpusat oleh foregut kutikula dan perifer oleh midgut mikrovili. Antarmuka foregut

dan midgut terletak di ujung anterior dari sekum. Pada ini persimpangan foregut dan midgut,

sebuah berasal membran peritrofik dan garis lumen lebih posterior midgut epitel.

3.4. Diferensiasi Spasial Dari Epitel Midgut

Diskontinuitas epitel tiba-tiba ditandai dengan disparitas panjang midgut microvillar

terjadi pada antarmuka antara wilayah stomodeal dan midgut epitel lebih posterior (Gambar.

4c dan 5d). Sel-sel tertentu pada antarmuka ini khusus untuk sekresi (Gambar. 5d-f) dan

mungkin adalah sel endokrin. Sel-sel ini di tepi posterior katup stomodeal adalah satu-

satunya sel midgut yang diamati mengandung butiran sekretorik mencolok

Gambar. 5. Pada resolusi yang lebih tinggi, bagian longitudinal katup stomodeal mengungkapkan rincian

formasi membran peritrofik dan adanya sel sekretori khusus. (A) Pada antarmuka antara epitel foregut dan

midgut epitel terletak sebuah pertemuan otot (m), epitel foregut ditutupi oleh kutikula (fg) dan mikrovili

sekretori (panah) dari epitel usus tengah. Anterior di bagian bawah. (B, c) sekresi berlebihan dari bahan

membran peritrofik (*) terjadi dari mikrovili sel epitel usus tengah pada akhir anterior yang stomodeal katup.

Perhatikan kepadatan tinggi mitokondria dalam sel midgut yang berdekatan. Dalam (b) yang baru dibentuk

peritrofik membran (panah) terletak di antara foregut (fg) kutikula dan tips dari mikrovili tersebut. (D) sel

sekretori Distinctive (panah) terletak di dalam epitel usus tengah dari katup stomodeal di perbatasan antara sel-

sel midgut dengan mikrovili dan sel midgut tanpa mikrovili jelas (Lihat Gambar. 4c). Lumen usus adalah di kiri

atas. (E, f) Close-up dari sel sekretori yang menunjukkan inti (n), retikulum enoplasmic kasar (Panah) dan

kepadatan tinggi butiran sekretori (*). Skala bar: (a) 10 mm; (B, c) 2 mm; (D) 5 mm; (E) 1 mm; dan (f) 0,2 mm.

(Gambar. 5e dan f). Posterior katup stomodeal, mencolok gradien panjang microvillar

terjadi sepanjang antero-posterior (AP) sumbu epitel usus tengah (Gambar. 6), dengan

singkat (w0.1 ke 0,2 mm) mikrovili menempati daerah anterior midgut dan sangat panjang,

lurus dan padat (w10 mm, Gambar. 7 dan 9) mikrovili menempati daerah posterior dari

midgut. Ini gradien morfologi jelas dalam bagian membujur dari midgut (Gambar. 6a-c) serta

8

serangkaian bagian melintang dari lokasi yang berbeda sepanjang sumbu AP dari usus

Belgica (Gambar. 6d-f dan 7-9). Mendasari topografi antero-posterior diungkapkan oleh

mikrovili dari midgut adalah topografi paralel, di dasar mikrovili, tercermin kontur

permukaan apikal usus tengah sel. Permukaan ini yang paling rumit di daerah usus tengah

dengan mikrovili terpendek dan paling berbelit-belit di daerah midgut dengan mikrovili

terpanjang (Gambar. 6d-f). Kasar retikulum endoplasma (RER) hadir di seluruh daerah dari

midgut (Gambar. 7d, 8d, dan 9d).

Gambar. 6. Longitudinal (a-c) dan melintang (d-f) bagian dari midgut epitel posterior ke perbedaan regional

stomodeal katup acara sepanjang sumbu antero-posterior usus. Tiga daerah sama spasi sepanjang sumbu ini

diilustrasikan: (a, d) daerah anterior; (b, e) wilayah tengah; (c, f) daerah posterior. Dalam setiap gambar

microvillar permukaan dan usus lumen yang di atas. Membran peritrofik (panah) terlihat dalam (a, b, d, dan e).

Skala bar ¼ 20 mm.

Tumpukan besar kantung pipih dari retikulum endoplasma terutama jelas dalam daerah

posterior epitel midgut. beberapa halus retikulum endoplasma (SER) diselingi antara RER

dari ketiga anterior midgut, dengan sedikit jika ada SER diamati di sepertiga tengah atau

posterior ketiga midgut. Namun, jelas kompleks Golgi tidak jelas dalam salah satu sel

midgut. Lumen ketiga tengah midgut Belgica dilapisi dengan mikrovili panjang menengah

(w1 mm) yang terkait dengan partikel elektron-padat ukuran seragam (w0.05 mm). Partikel-

partikel ini terletak dalam ruang ectoperitrophic dan acara afinitas yang kuat untuk mikrovili

(Gambar. 8a-c). Dalam sitoplasma dari sel midgut mendasari, elektron-padat partikel Ukuran

identik terkonsentrasi di vakuola autophagic, masing-masing dipisahkan oleh membran

plasma, dan diduga masuk sel-sel epitel oleh endositosis. Banyak vesikel dilapisi di dasar

mikrovili pada permukaan luminal midgut ini sel (Gambar. 8c) menawarkan rute yang jelas

9

untuk ambilan partikel elektron-padat ini dari ruang ectoperitrophic dari lumen usus. Selimut

dari membran basal sel epitel yang paling terkemuka di anterior dan posterior daerah usus

tengah (Gambar 7c, 8e, dan 9c.); mitokondria yang paling mencolok di sepanjang permukaan

basal dari midgut anterior (. Gambar 7a, c) dan selimut dari membran plasma basal

mengandung banyak mitokondria dan vakuola elektron-Lucent (Gambar. 7c dan 9c). sel

regeneratif yang tersebar di seluruh midgut larva epitel dan mungkin mewakili sel induk

imaginal yang menggantikan epitel larva di metamorfosis. Sel-sel ini terletak basally di epitel

larva dan padat dikemas dengan ribosom dan retikulum endoplasma (Gambar. 10).

Gambar. 7. Ini adalah gambar ultrastructural dari daerah anterior epitel midgut. Perhatikan konsentrasi tinggi

mitokondria sepanjang permukaan basal dari epitel di (A) serta gelap sel (panah) pada permukaan basal epitel

ini. Lumen ditandai dengan tanda bintang (*). (B) Permukaan epitel menghadapi lumen (*) ditutupi oleh singkat

mikrovili. (C) Mitokondria (panah) dilokalisasi antara selimut membran yang terletak berdekatan dengan lamina

basal dan otot enterik (panah). (D) wilayah perinuklear dari midgut sel. Kasar retikulum endoplasma (ER) yang

ditandai dengan panah. ER halus ditandai dengan panah ganda. Panah menunjuk ke mitokondria. n ¼ inti. Skala

bar: a. 5 mm; (b, c) 2 mm; dan (d) 1 mm.

3.5. Isi Lumen Midgut

3.5.1. Ruang Endoperitrophic

Dalam lumen usus bahwa membran peritrofik memisahkan suatu dalam ruang

endoperitrophic dari ruang ectoperitrophic luar (Terra dan Ferreira, 1994;. Gambar 6).

Anterior endoperitrophic ruang midgut dikemas dengan multisel relatif utuh organisme

mikroba. pencernaan bertahap mikroba tercermin dalam hilangnya pigmentasi dari lumen

usus di posterior sepertiga dari midgut (Gbr. 1a). Dalam batas-batas yang membran peritrofik

midgut, sel-sel mikroba diatur secara tunggal atau di berbagai agregat dapat segera dilihat.

10

Sel-sel ini dapat diidentifikasi sebagai mikroba dominan nonbacterial - yaitu, alga, jamur,

lumut, protista (Gbr. 11a-c).

3.5.2. Ruang Ectoperitrophic

Pada ruang sekitarnya ectoperitrophic dipagari oleh midgut epitel dengan mikrovili

yang panjang yang dinilai sepanjang sumbu antero-posterior. Dalam salah satu dari 10

seluruh gunung dari nyali larva siap, gregarines dengan pelengkap khas yang ditemukan di

zona midgut ini (antara matriks peritrofik dan permukaan midgut epitel) (Gambar. 11d dan

e). Mengingat isolasi gregarines ini dari spesies terkait host lain, protista ini kemungkinan

besar merupakan spesies yang berbeda dari dipteran parasit.

Gambar. 8. perbesaran yang berbeda dari wilayah tengah midgut diilustrasikan dalam (a-e). Dalam gambar a

dan c, lumen midgut adalah di bagian atas; di e, itu turun. Elektron-padat partikel menempati ruang antara

membran peritrofik (panah dalam) dan permukaan microvillar. partikel sebanding diamati dalam vakuola

autophagic sel midgut (Panah di b). (C) gambar resolusi tinggi menunjukkan bahwa partikel-partikel ini diambil

oleh endositosis (panah) pada permukaan microvillar. (D) wilayah perinuklear sel midgut. Panah menunjukkan

retikulum endoplasma kasar; panah menunjuk ke mitokondria; n ¼ inti; saya ¼ membran antara dua sel. (E)

Basal lamina (panah) dan otot (M) menutupi permukaan basal epitel ini. Selimut dari permukaan basal dari

membran plasma tidak mencolok. Skala bar: (a) 5 mm; (B, c) 1,0 mm; (D) 1 mm; dan (e) 2 mm.

11

3.6. Diferensiasi Spasial Dari Hindgut

3.6.1. Ring Dibedakan, Dewasa Epitel Hindgut

Dalam gambar dari usus Belgica berlabel DAPI (Gambar. 12a) diskontinuitas dalam

pelabelan nuklir diamati di midgut- yang batas hindgut. Pada anterior paling-wilayah larva

yang hindgut, cincin imaginal dewasa dugaan undifferentiated sel hindgut muncul di seluruh

gunung sebagai zona sel dengan kecil inti antara inti polyploid di sel-sel hindgut larva epitel.

Segera posterior cincin imaginal dari sel epitel, ketiga anterior dari hindgut dilapisi oleh

kutikula yang halus tebal sekitar 0,25 mm. kutikula hindgut ini, seperti foregut kutikula,

bersebelahan dengan exoskeleton. Juga seperti foregut kutikula, kutikula hindgut

mengeluarkan baik-digambarkan elektron-padat terluar kutikula lapisan. Susunan lapisan-

lapisan yang berbeda yang disekresikan oleh sel-sel epitel hindgut adalah berbeda dari

susunan lapisan kutikula disekresikan oleh epidermal epitel (Gambar. 3b). Anterior hindgut

kutikula adalah disekresikan oleh dilemahkan, ekstensi yang sangat terlipat apikal permukaan

epitel hindgut mengandung mencolok mitokondria dan dipisahkan oleh vakuola besar yang

kurang electrondensity (Gambar. 12b dan c).

Sementara ujung apikal sel epitel pada sepertiga anterior hindgut memiliki vakuola

besar mencolok, wilayah tengah dari hindgut ditempati oleh sel-sel epitel yang kurang

vakuola tapi itu memiliki membran apikal sangat berbelit-belit karakteristik sel epitel yang

terlibat dalam transpor aktif ion dan air (Gambar. 12d dan e). Juga di wilayah tengah hindgut,

yang kehadiran bakteri elektron-padat diamati pada resolusi tinggi gambar tercermin dalam

pigmentasi bagian tengah hindgut seperti yang dilihat di seluruh gunung nyali larva (Gambar.

1a). Di posterior ketiga dari hindgut atau rektum, yang sangat kutikula berbelit-belit lapisan

lumen mencerminkan struktur foregut. Permukaan apikal sel epitel rektum kekurangan

membran infolded terkait dengan mitokondria dan ternyata tidak khusus untuk transportasi

ion dan air. Permukaan basal dari daerah ini, sebaliknya sangat infolded. Asosiasi permukaan

basal ini dengan berbagai otot menunjukkan epitel posterior-paling hindgut ini melayani

mekanik fungsi. Di bagian posterior sebagian ini hindgut lumen adalah tanpa kedua mikroba

penduduk serta mikroba tertelan (Gambar. 12f).

3.7. Otot Yang Terkait Dengan Epitel Usus

Permukaan basal epitel hindgut, seperti foregut epitel, erat menutupi peran lapisan

seragam tebal melingkar otot (w10 mm) (Gambar. 3c, 12e, f). Sebaliknya, otot terkait dengan

12

epitel usus tengah yang jarang tapi teratur didistribusikan melalui permukaan basal midgut ini

(Gambar. 6-9). Relatif banyak sel-sel otot tersebar terletak pada permukaan basal dari midgut

tersebut epitel dan tertanam dalam matriks dari basal epitel lamina. Ini mewakili otot

longitudinal usus. Jarang didistribusikan otot melingkar juga hadir.

Gambar. 9. Dalam-c, lumen usus tengah ke kiri. perbesaran berbeda dari daerah posterior midgut diilustrasikan.

(A) Catatan banyak vakuola jelas (panah) kebohongan yang antara mikrovili luminal dan lamina basal (kanan

bawah). (B) mikrovili panjang padat dan memperluas sekitar 10 mm ke dalam lumen. (C) basal membran sel di

daerah posterior ini sangat dilipat. lamina basal ditunjukkan dengan panah. Otot ¼ m. (D) wilayah perinuklear

sel midgut. panah menunjukkan kasar retikulum endoplasma; panah menunjuk ke mitokondria. Skala bar: (a) 10

mm; (B) 5 mm; (C) 2 mm; dan (d) 1 mm.

4. Diskusi

Studi keanekaragaman serangga dan evolusi telah dikemukakan oleh survei ekstensif

filogeni molekuler dan morfologi integumen eksternal; Namun, pengetahuan dan apresiasi

keanekaragaman serangga tetap tidak lengkap tanpa pengetahuan yang memadai tentang

keragaman internal anatomi / fisiologi serangga dan bagaimana keragaman ini dipengaruhi

oleh lingkungan Hidup.

Dengan kurangnya informasi pada arsitektur seluler nyali serangga, namun,

menghubungkan usus tertentu struktur epitel dengan adaptasi terhadap diet dan / atau

lingkungan tertentu tetap dalam keadaan belum sempurna. deskripsi konvensional usus

keanekaragaman epitel (Lehane, 1998; Noble-Nesbitt, 1998; Terra et al., 1988) jelas tidak

menganggap diferensiasi regional ditandai mikrovili pada sel midgut dari B. antarctica

menjadi fitur umum dari sel-sel epitel nyali serangga. Membangun bagaimana umum atau

bagaimana unik fitur internal antara serangga, Namun, menunggu studi struktural tambahan

pada terkait lainnya spesies serangga.

13

Gambar. 10. sel Regenerative (tanda bintang) midgut epitel yang tersebar di seluruh epitel larva. Sel dari

berbagai daerah sepanjang sumbu antero-posterior yang ditampilkan. (A) Anterior ketiga. ketiga (b) Tengah. (C)

Posterior ketiga. Panah menunjuk ke lamina basal; m¼ otot; n ¼ inti sel regeneratif. Skala bar ¼ 2,0 mm.

4.1. Diferensiasi Batas Foregut-Midgut: Struktur

Membran peritrofik dan katup stomodeal Sebuah wilayah luminal khusus pada batas

foregut-midgut dapat divisualisasikan bahkan di seluruh gunung dari saluran pencernaan

(Gambar. 1a). Di lintas-bagian dan bagian longitudinal saluran pencernaan di daerah

perbatasan ini, sebuah konsentris batin cincin dilipat foregut epitel dan lapisan otot yang

terkait terletak dalam midgut epitel anterior (Gambar. 4, 5). Antara yang Diptera, tingkat

spesialisasi foregut dan midgut sel epitel bervariasi antara subordo. Yang paling kompleks

spesialisasi antarmuka foregut-midgut ditemukan antara lalat muscoid, di mana khusus

midgut anterior epitel erat menutupi peran katup stomodeal untuk membentuk khas kardia

(Eisemann et al, 2001;. Binnington, 1988); tapi spesialisasi sederhana antarmuka foregut-

midgut adalah diamati dalam subordo Nematocera, yang Belgica adalah seorang anggota.

Lalat ini, foregut telah digambarkan sebagai membentuk intususepsi singkat ke midgut

anterior disebut sebagai katup stomodeal (Raja, 1991; Wigglesworth, 1930). Untuk Belgica,

bagaimanapun, intususepsi ini foregut sebagai persentase dari total foregut dikelilingi oleh

midgut lebih tinggi daripada yang dilaporkan oleh Volf et al. (2004) untuk empat

nematoceran lainnya Diptera di (pipiens Culex) keluarga Culicidae dan Psychodidae

(Lutzomyia longipalpis, Phlebotomus duboscqi, Phlebotomus papatasi). Struktur peritrofik

bagi banyak spesies serangga telah sering digambarkan sebagai chitinous, membran

reticulated dengan mikrofibril kitin dalam susunan heksagonal atau orthogonal (Lehane,

14

1998). Struktur peritrofik terdiri dari jaringan kitin tertanam dalam matriks protein-

karbohidrat (Wang dan Granados, 2001; Tellam et al., 1999). Asal dan konsistensi dari

membran peritrofik, gel dan matriks berbeda antara serangga (Terra, 2001;. Binnington et al,

1998). Struktur peritrofik dari beberapa serangga, seperti lepidopteran larva, secara

tradisional telah digambarkan sebagai yang timbul dari sel sepanjang epitel midgut (tipe I

peritrofik matriks). Studi terbaru yang melibatkan pelabelan peritrofik lepidopteran protein

telah menunjukkan bahwa sementara satu protein peritrofik (Yaitu, invertebrata mucin usus)

disekresikan oleh sel-sel epitel di sepanjang midgut (Harper dan Granados, 1999), protein

peritrofik tertentu diakui oleh antibodi mengangkat terhadap membran peritrofik virescens

Heliothis yang diproduksi oleh sel-sel khusus dekat antarmuka foregut-midgut (Ryerse et al.,

1992). Di persimpangan foregut dan midgut epitel di Diptera, yang Struktur peritrofik (tipe

II) muncul dari mikrovili dari midgut epitel (Eisemann et al., 2001) dan garis lumen lebih

posterior epitel usus tengah. Dalam Belgica, sel-sel epitel midgut dari katup stomodeal adalah

satu-satunya sel diamati untuk menghasilkan sekresi berlebihan terkait dengan struktur yang

baru terbentuk yang merupakan tipe II membran peritrofik.

4.2. Diferensiasi Regional Midgut Epitel

Setidaknya dalam beberapa jenis serangga bahwa midgut dibedakan baik struktural dan

fungsional sepanjang panjangnya (Lehane, 1998; Marana et al., 1997; Ferreira et al., 1990;

Terra et al., 1988; Dow, 1981). Itu ditandai dan dinilai perbedaan panjang microvillar diamati

untuk Belgica midgut sel epitel, bagaimanapun, mewakili ekstrim contoh diferensiasi

regional seperti (Gbr. 6). infolding luas permukaan epitel basal dari midgut dan sel hindgut,

namun, seperti yang sering diamati pada serangga lain, adalah hanya terlihat di daerah

tertentu (anterior ketiga dan posterior ketiga) dari midgut Belgica dan posterior ketiga

(rektum) dari hindgut nya (Villaro et al, 1999;. Lehane, 1998;. Marana et al, 1997). Lihat

Gambar. 7c, 8e, 9c dan 12f. Konsentrasi tinggi dari partikel elektron-padat yang menempati

ruang ectoperitrophic dari wilayah tengah midgut tersebut tidak diamati di tempat lain di

saluran pencernaan. Kehadiran dari partikel sebanding dalam vakuola autophagic sel midgut

ini menunjukkan bahwa partikel ini diambil oleh sel daripada disekresikan oleh sel-sel usus.

Tingginya konsentrasi partikel di dalam usus lumen juga menyiratkan bahwa gerakan mereka

melanjutkan ke arah rendah konsentrasi partikel diamati dalam epitel midgut sel.

Meskipun sel-sel regeneratif belum diamati dalam midgut epitel arthropoda dewasa

tertentu seperti larva Musca domestica (Terra et al., 1988) dan belum menghasilkan Allacma

fusca (Rost-Roszkowska et al., 2007a), sel-sel regeneratif (dugaan sel induk imaginal) yang

15

diamati tersebar di seluruh monolayer dari Belgica midgut epitel karena mereka berada di gut

epitel banyak serangga lainnya (Rost-Roszkowska et al., 2007a, b; Rost, 2006; Ohlstein dan

Spradling, 2005; Evangelista dan Leite, 2003; Lehane, 1998; Hecker, 1977). Sebagai

tambahannya gambar resolusi tinggi dari sel regeneratif Belgica (Gambar. 10), yang sel gelap

pada permukaan basal dari midgut epitel anterior pada Gambar. 7a, mungkin juga mewakili

seperti sel regeneratif.

Gambar. 10. sel Regenerative (tanda bintang) midgut epitel yang tersebar di seluruh epitel larva. Sel dari

berbagai daerah sepanjang sumbu antero-posterior yang ditampilkan. (A) Anterior ketiga. ketiga (b) Tengah. (C)

Posterior ketiga. Panah menunjuk ke lamina basal; m¼ otot; n ¼ inti sel regeneratif. Skala bar ¼ 2,0 mm.

4.3. Diferensiasi Epitel Hindgut

Sebuah diskontinuitas dalam ukuran nuklir pada antarmuka midgut-hindgut jelas dalam

seluruh gunung nyali Belgica (Gbr. 12a). Cincin sel epitel dengan inti yang lebih kecil dari

nukleus terletak baik anterior dan posterior ke ring mungkin merupakan sel induk atau sel

imaginal dugaan untuk hindgut dewasa (Takashima et al, 2008;. Murakami dan Shiotsuki,

2001).

16

Gambar. 11. Isi dari lumen midgut dijelaskan di kedua ruang endoperitrophic (a-c) dan ruang ectoperitrophic (d,

e). Bentuk mikroba multiseluler diamati di ini bagian tipis (a, b, c) ruang endoperitrophic midgut adalah jamur

dan alga. (D, e). Tak dikenal tapi khas gregarine protista mendiami ruang ectoperitrophic. Catatan pelengkap

spiral (panah) terlihat pada gregarines ini. p ¼ peritrofik membran; m¼ midgut epitel; en ¼ ruang

endoperitrophic. Skala bar: (a, b) 20 mm; (C) 3 mm; (D) 50 mm; dan (e) 20 mm.

Bantalan dubur dan / atau papila banyak serangga terestrial telah terbukti terlibat dalam

penyerapan air dan ion. sel epitel dubur (posterior hindgut) dari terestrial ini serangga

memiliki lipat mencolok dari plasma apikal mereka membran. Namun, ILEA atau anterior

hindguts dari air serangga seperti Cenocorixa dan Ephydrella serta beberapa serangga

terestrial seperti Formica, disesuaikan untuk ion dan / atau transportasi air (Villaro et al,

1999;. Marshall dan Wright, 1974; Jarial dan Scudder, 1970). Serangga yang hidup di air atau

semi-akuatik lingkungan mungkin memiliki kegiatan serap yang berbeda, menjadi lebih

peduli dengan penyerapan ion anorganik bukan daripada dengan penyerapan air. Berdasarkan

pemeriksaan hindguts serangga lainnya (Noble-Nesbitt, 1998; Jarial dan Scudder, 1970),

banyak vakuola berkorelasi dengan fungsi serap untuk sel-sel epitel. Anterior dua-pertiga dari

hindgut Belgica atau ileum tampaknya akan disesuaikan untuk penyerapan ion dan air di

lingkungan semi-akuatik larva (Murakami dan Shiotsuki, 2001;. Heuser et al, 1993). Tidak

seperti bantalan dubur atau papila serangga terestrial, sepertiga posterior dari hindgut atau

rektum epitel Belgica tidak menunjukkan khusus adaptasi di permukaan apikal untuk

transportasi ion dan air; ini bagian dari hindgut dikelilingi oleh lapisan tebal otot dan

tampaknya memiliki mekanik daripada fungsi transportasi (Gambar. 12c-f).

UCAPAN TERIMA KASIH

Kami berterima kasih kepada staf di Palmer Station untuk bantuan logistik di Antartika.

Saran bijaksana dua anonim pengulas membantu meningkatkan kualitas naskah ini. Oleh

researchwas didukung sebagian oleh hibah NSF OPP-0337656 dan OPP- 0.413.786.

17

REFERENSI

Binnington, K.C., 1988. Ultrastructure of the peritrophic membrane-secreting cells in the

cardia of the blow fly Lucilia cuprina. Tissue Cell 20, 269–282.

Binnington, K.C., Lehane, M.J., Beaton, C.D., 1998. The peritrophic membrane. In: Harrison,

F.W., Locke, M. (Eds.), Microscopic Anatomy of Invertebrates. Insecta, vol. 11B.

Wiley, New York, pp. 747–758.

Convey, P., Block, W., 1996. Antarctic Diptera: ecology, physiology and distribution.

European Journal of Entomology 93, 1–13.

Dow, J.A.T., 1981. Countercurrent flow, water movements and nutrient absorption in the

locust midgut. Journal of Insect Physiology 27, 579–585.

Eisemann, C., Wijffels, G., Tellam, R.L., 2001. Secretion of the type 2 peritrophic matrix

protein, peritrophin-15, from the cardia. Archives of Insect Biochemistry and

Physiology 47, 76–85.

Elnitsky, M.A., Hayward, S.A.L., Rinehart, J.P., Denlinger, D.L., Lee Jr., R.E., 2008.

Cryoprotective dehydration and the resistance to inoculative freezing in the Antarctic

midge, Belgica antarctica. Journal of Experimental Biology 211, 524–530.

Evangelista, L.G., Leite, A.C.R., 2003. Midgut ultrastructure of the third instar of Dermatobia

hominis (Diptera:Cuterebridae) based on transmission electron microscopy. Journal of

Medical Entomology 40, 133–140.

Ferreira, C., Oliveira, M.C., Terra, W.R., 1990. Compartmentalization of the digestive

process in Abracris flavolineata (Orthoptera:Acrididae) adults. Insect Biochemistry 20,

267–274.

Harper, M.S., Granados, R.R., 1999. Peritrophic membrane structure and formation of laval

Trichoplusiani with an investigation on the secretion patterns of a PM mucin. Tissue

Cell 31, 202–211.

Hayward, S.A.L., Rinehart, J.P., Sandro, L.H., Lee Jr., R.E., Denlinger, D.L., 2007. Slow

dehydration promotes desiccation and freeze tolerance in the Antarctic midge, Belgica

antarctica. Journal of Experimental Biology 210, 836–844.

Hecker, H., 1977. Structure and function of midgut epithelial cells in Culicidae mosquitoes

(Insecta, Diptera). Cell Tissue Research 184, 321–341.

Heuser, J., Zhu, Q., Clarke, M., 1993. Proton pumps populate the contractile vacuoles of

Dictyostelium amoebae. Journal of Cell Biology 121, 1311–1327.

18

Jarial, M.S., Scudder, G.G.E., 1970. The morphology and ultrastructure of the Malpighian

tubules and hindgut in Cenocorixa bifida (Hung.) (Hemiptera, Corixidae).

Zoomorphology 68, 269–299.

King, D.G., 1991. The origin of an organ: phylogenetic analysis of evolutionary innovation in

the digestive tract of flies (Insecta: Diptera). Evolution 45, 568– 588.

Lehane, M.J., 1998. The midgut. In: Harrison, F.W., Locke, M. (Eds.), Microscopic Anatomy

of Invertebrates. Insecta, vol. 11B. Wiley, New York, pp. 725–746.

Lopez-Martinez, G., Elnitsky, M.A., Benoit, J.B., Lee Jr., R.E., Denlinger, D.L., 2008. High

resistance to oxidative damage in the Antarctic midge Belgica antarctica, and

developmentally-linked expression of genes encoding superoxide dismutase, catalase

and heat shock proteins. Insect Biochemistry and Molecular Biology 38, 796–804.

Lopez-Martinez, G., Benoit, J.B., Rinehart, J.P., Elnitsky Lee Jr., R.E., Denlinger, D.L.,

2009. Dehydration, rehydration and overhydration alter patterns of gene expression in

the Antarctic midge, Belgica antarctica. Journal of Comparative Physiology B 179,

481–491.

Marana, S.R., Ribeiro, A.F., Terra,W.R., Ferreira, C., 1997. Ultrastructure and secretory

activity of Abracris flavolineata (Orthoptera:Acrididae). Journal of Insect Physiology

43, 465–473.

Marshall, A.T., Wright, A., 1974. Ultrastructural changes associated with osmoregulation in

the hindgut cells of a salt-water insect, Ephydrella sp. (Ephydridae, Diptera). Tissue

and Cell 6, 301–318.

Michaud, M.R., Benoit, J.R., Lopez-Martinez, G., Elnitsky, M.A., Lee Jr., R.E., Denlinger,

D.L., 2008. Unique and shared metabolic changes in response to heat shock, freezing

and desiccation in the Antarctic midge, Belgica antarctica. Journal of Insect Physiology

54, 645–655.

Murakami, R., Shiotsuki, Y., 2001. Ultrastructure of the hindgut of Drosophila larvae, with

special reference to the domains identified by specific gene expression patterns. Journal

of Morphology 248, 144–150.

Noble-Nesbitt, J., 1998. Hindgut with rectum. In: Harrison, F.W., Locke, M. (Eds.),

Microscopic Anatomy of Invertebrates. Insecta, vol. 11B. Wiley, New York, pp. 759–

808.

Ohlstein, B., Spradling, A., 2005. The adult Drosophila posterior midgut is maintained by

pluripotent stem cells. Nature 439, 470–474.

19

Oliver, D.R., 1971. Life history of the Chironomidae. Annual Review of Entomology 16,

211–230.

Rinehart, J.P., Hayward, S.A.L., Elnitsky, M.A., Sandro, L.H., Lee Jr., R.E., Denlinger, D.L.,

2006. Continuous up-regulation of heat shock proteins in larvae, but not adults, of a

polar insect. Proceedings of the National Academy of Sciences, United States of

America 103, 14223–14227.

Rost, M.M., 2006. Ultrastructural changes in the midgut epithelium in Podura aquatica L.

(Insecta, Collembola, Arthropleona) during regeneration. Arthropod Structure and

Development 35, 69–76.

Rost-Roszkowska, M.M., Poprawa, I., Swiatek, P., 2007a. Ultrastructural changes in the

midgut epithelium of the first larva of Allacma fusca (Insecta, Collembola,

Symphypleona). Invertebrate Biology 126, 366–372.

Rost-Roszkowska, M.M., Pilka, M., Rzymska, R., Klag, J., 2007b. Ultrastructural studies of

midgut epithelium formation in Lepisma saccharina L. (Insecta, Zygentoma). Journal of

Morphology 268, 224–231.

Ryerse, J.S., Purcell, J.P., Sammons, R.D., Lavrik, P.B., 1992. Peritrophic membrane

structure and formation in the larva of a moth, Heliothis virescens. Tissue Cell 24, 751–

771.

Sugg, P., Edwards, J.S., Baust, J., 1983. Phenology and life history of Belgica antarctica, an

Antarctic midge (Diptera: Chironomidae). Ecological Entomology 8, 105–113.

Tellam, R.L., Wijffels, G., Willadsen, P., 1999. Peritrophic membrane proteins: a review.

Insect Biochemistry and Molecular Biology 29, 87–101.

Terra, W.R., 2001. The origin and functions of the insect peritrophic membrane and

peritrophic gel. Archives of Insect Biochemistry and Physiology 47, 47–61.

Terra, W.R., Espinoza-Fuertes, F.P., Ribeiro, A.F., Ferreira, C., 1988. The larval midgut of

the house fly (Musca domestica): ultrastructure, fluid fluxes and ion secretion in

relation to the organization of digestion. Journal of Insect Physiology 34, 463–472.

Terra, W.R., Ferreira, C., 1994. Insect digestive enzymes: properties, compartmentalization

and function. Comparative Biochemistry and Physiology 109B, 1–62.

Takashima, S., Mkrtchyan, M., Younossi-Hartenstein, A., Merriam, J.R., Hartenstein, V.,

2008. The behaviour of Drosophila adult hindgut stem cells is controlled by Wnt and

Hh signaling. Nature 44, 651–655.

20

Usher, M.B., Edwards, M., 1984. A dipteran from south of the Antarctic Circle: Belgica

antarctica (Chironomidae) with description of its larva. Biological Journal of the

Linnean Society 23, 19–31.

Villaro, A.C., Garayao, M., Lezaun, M.J., Sesma, P., 1999. Light and electron microscopic

study of the hindgut of the ant (Formica nigricans, Hymenoptera): I. structure of the

ileum. Journal of Morphology 242, 189–204.

Volf, P., Hajmova, M., Sadlova, J., Votypka, J., 2004. Blocked stomodeal valve of the insect

vector: similar mechanism of transmission in two trypanosomatid models. International

Journal for Parasitology 34, 1221–1227.

Wang, P., Granados, R.R., 2001. Molecular structure of the peritrophic membrane (PM):

identification of potential PM target sites for insect control. Archives of Insect

Biochemistry and Physiology 47, 110–118.

Wigglesworth, V.B., 1930. The formation of the peritrophic membrane in insects, with

special reference to the larvae of mosquitoes. Quarterly Journal of Microscopical

Science 73, 593–616.