В качестве модельного организма бражник табачный Manduca sexta внес большой вклад в наши знания о процессах развития у насекомых.
И основные изменения в развитии между различными личиночными возрастами обычно хорошо известны. Вторая и более поздние стадии M. sexta не производят шелка, и их прядильные и вспомогательные губные железы (железы Лайонета), структуры, которые считаются ключевыми членами в производстве шелка у других чешуекрылых, сильно уменьшены.
Ранее морфология ротовой полости и губных желез личинки первой стадии, производящей шелк, никогда не была описана. Ученые решили исправить ситуацию и сравнить морфологию ротовой полости и профиль транскриптома первой и последующих возрастов M. Sexta, чтобы определить, связана ли потеря производства шелка с изменениями в структуре фильеры и половых желез, а также с изменениями в экспрессии генов, связанных с шелком.
Исследования показали, что первая стадия, в отличие от более поздних, имеет типичную шелковистую фильеру с трубчатой втулкой и хорошо развитыми железами Лионета. Кроме того, три известных гена белка шелка высоко экспрессируются в первой стадии, но почти не проявляют экспрессию в эмбрионе или в более поздних стадиях.
Таким образом, представленные здесь изменения в морфологии и экспрессии генов, совпадающие с изменениями в поведении личинок от производства шелка до распространения слюны, способствуют нашему пониманию процессов развития, лежащих в основе этого перехода в этом опытном образце.
Предыдущие исследования показали, что и патрубок, и железа Лионе отсутствуют у M. sexta. Это открытие не удивительно, так как хорошо известно, что более поздние стадии M. sexta не производят шелк. Однако сообщается, что первый возраст способен производить шелк и, таким образом, потенциально может содержать структуры, необходимые для этого. Губная железа и губно-гипофарингеальная доля личинки первого возраста никогда не были описаны.
В поиске известных генов шелка в транскриптоме М. sexta было найдено пять самых известных генных. Из этих пяти три гена - фиброин легкой цепи, фиброин тяжелой цепи и белок шелка Р25 - были высоко экспрессированы в личинке первой стадии, но значительно менее экспрессированы в других возрастах. Два других гена были серицинами и демонстрировали низкую экспрессию на всех стадиях (возрастах). Когда были отсортированы все гены, чтобы идентифицировать те, которые наиболее высоко развиваются в первом возрасте и наиболее дифференцированно экспрессируются между первыми возрастами и другими стадиями, эти три гена попадают в число 20 лучших генов с наиболее высокой и дифференцированной экспрессией.
Личинки первой стадии у M. sexta производят два вида шелковых структур: шелковые пряди, на которые они спускаются, и шелковые подушечки, на которых они фиксируют себя при помощи своих протегов перед тем, как их сбрасывать. В исследовании наблюдались личинки первого возраста, производящие шелковые подушечки даже на искусственных подложках. Но не было замечено, как они создавали шелковые пряди и спускались по ним.
Время осаждения шелковой подушки указывает на то, что личинке первой стадии нужна подушка для правильной линьки. Спуск по шелковым прядям может выполнять несколько основных функций у чешуекрылых, таких как: рассеивание, изменение положения на одном и том же растении и защитное падение. Такое поведение часто наблюдается только у новорожденных личинок, поскольку более поздние стадии могут быть слишком тяжелыми, чтобы использовать шелковые пряди для этих целей.
Секреция лабиальной железы гусеницы потенциально участвует в многочисленных физиологических механизмах, таких как: пищеварение, детоксикация и подавление иммунитета растения-хозяина.
Эти выделения, вероятно, откладываются на поверхности растения до приема растительного материала. Трубчатая втулка личинок Lepidoptera, производящих шелк, высоко специализируется на вытягивании шелка и, вероятно, не так эффективна для распределения слюны. Помимо Sphingidae в некоторых таксонах-ноктуидах, которые окукливаются в почве, можно найти щетинчатые фильеры. Было высказано предположение, что губная щетка используется для распределения слюны в почвенной камере для стабилизации и водонепроницаемости ее стенок. Хотя М. sexta окукливается в почвенной камере, полностью развитая кисточка фильеры появляется уже у личинки второй стадии. Таким образом, личинки M. sexta могут использовать фильеру щеточного типа для распределения слюны на поверхности растения, повышая эффективность ферментов, участвующих в пищеварении и детоксикации.
Ремоделирование спиннеретов у M. sexta совпадает с сокращением желез Лионета, которые, как сообщается, играют важную роль в производстве шелка. Сдвиг функции от производства шелка к слюне, на который указывают эти морфологические изменения, подтверждается специфическими для стадии сдвигами в экспрессии генов. В сравнении эмбриона и личинок транскриптомов М. sextaмы обнаружили три гена шелка (фиброины легкой и тяжелой цепи и гликопротеин шелка P25), экспрессия которых в значительной степени ограничена первым возрастом, и обнаружили, что они были одними из лучших генов с высокой и дифференциальной экспрессией, исключающей этот возраст. Эти белки являются основными тремя компонентами шелкового волокна и экспрессируются в больших количествах во время производства шелка. Адгезивный серицин, который обычно покрывает эти волокна, в основном отсутствует у личинок Manduca первого возраста, что свидетельствует о его меньшей важности для производства шелка первого возраста. Организованная вместе реконструкция спиннерета и половых желез, а также изменения в профиле транскриптома указывают на резкое изменение поведения личинок M. sexta от производства шелка к пищеварению и детоксикации.
