Metamorphosis of the central nervous system in Habrobracon hebetor (Hymenoptera, Braconidae)

Full Text

Нервная система насекомых с полным превращением претерпевает значительные изменения во время метаморфоза: нейрогенез, интеграцию новых нейронов в состав ганглиев, ремоделирование или элиминирование уже существующих нейронов, удлинение и разветвление нервных волокон, образования новых синапсов (Booker, Truman, 1987, 1987а; Levine et al., 1995; Technau, Heisenberg, 1982). Нервную систему перепончатокрылых изучали в связи с паразитическим образом жизни (Brun, 1952), эусоциальностью (Couzin-Fuchs, Ayali, 2021; Farris, 2016), сложным поведением (Gronenberg, 2008; Molina et al., 2009) и миниатюризацией (Макарова, Полилов, 2013; Polilov, 2016). Исследований, касающихся метаморфоза нервной системы при переходе от личиночной стадии ко взрослой, не так много. Первые работы были опубликованы в конце XIX века Брандтом (Брандт, 1878, 1878а). В них показана реорганизация центральной нервной системы в процессе развития от личинки до имаго на примере 12 видов перепончатокрылых. Исследования, касающиеся метаморфоза нервной системы перепончатокрылых, до сих пор относились лишь к отдельным ее частям. Метаморфоз основных нейропилярных центров мозга с подробным описанием источников их развития детально изучен на примере медоносной пчелы: от новорожденной личинки до имаго прослежено развитие грибовидных тел (Панов, 1957), центрального тела (Панов, 1959), оптических нейропилей (Панов, 1960) и обонятельного центра (Панов, 1961). Исследован метаморфоз подглоточного ганглия в ходе постэмбрионального развития Apis cerana (Li, 2012), изменение объема мозга при развитии от предкуколки до имаго у рабочих особей и самцов Camponotus rufipes (Soares et al., 2011), изучено изменение в организации брюшной нервной цепочки Melipona quadrifasciata от личинки до поздней куколки (Cruz-Landim, Höfling, 1972; Pinto et al., 2003). Исследование, включающее морфологическое описание изменений, а также волюметрию и клеточный состав каждого ганглия во время метаморфоза пока проведено лишь для одного вида – миниатюрного яйцевого паразита Trichogramma telengai (Makarova et al., 2021).

Целью данного исследования стало изучение метаморфоза центральной нервной системы Habrobracon hebetor в ходе развития от предкуколки до имаго.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Куколок Habrobracon hebetor Say 1836 разных возрастов среднего размера отбирали из культуры личинок Ephestia kuehniella Zeller 1879 (Lepidoptera, Pyralidae), предоставленных К. Г. Самарцевым из Лаборатории Экспериментальной Энтомологии и теоретических основ биометода, Зоологический институт РАН.

Для описания строения нервной системы были выбраны предкуколка, куколки I, II, III морфологических возрастов и имаго. Определение морфологических возрастов куколок производилось на основе пигментации головы, сложных глаз, глазков, элементов ротового аппарата, груди и брюшка с яйцекладом (Pezzini et al., 2017). На предкуколочную фазу указывают отсутствие глаз (Magro et al., 2006) и появление уратных тел в средней кишке (Dahlan, Gordh, 1996; Jarjees, Merritt, 2002), которые отчетливо визуализируются через слабо склеротизованные покровы. У куколки I морфологического возраста (куколка I) кутикула слабо склеротизирована, сложные глаза темно-коричневые, все тело имеет белую окраску. Поздние фазы развития куколок отличаются пигментацией сложных глаз и степенью склеротизации грудного отдела (Pezzini et al., 2017). Куколка II морфологического возраста (куколка II) характеризуется потемнением кутикулы: голова, антенны, простые глазки и грудь приобретают коричневато-оранжевую окраску. У куколки III морфологического возраста (куколка III) все части тела целиком, включая яйцеклад, пигментированы и имеют темно-коричневый цвет.

Материал фиксировали в ФСУ (формальдегид, спирт, уксусная кислота) и хранили в 70% этаноле. Для изучения строения ЦНС фиксированный в ФСУ материал был обезвожен и заключен в аралдит (Araldite M). Из полученных блоков на микротоме Leica RM2255 были сделаны полные серии поперечных срезов толщиной 1.5–2 мкм. Срезы окрашивали толуидиновым синим и пиронином.

Для трехмерного компьютерного моделирования (3D) серии срезов были сфотографированы на слайд-сканнере Olympus VS120. После выравнивания и калибровки полученного стека в программе Bitplane Imaris проводили реконструкцию ЦНС. Все структуры были сегментированы вручную. Готовые реконструкции обрабатывали в программе Autodesk Maya, используя функции сглаживания поверхности и рендеринга. Для подсчета объема тела и ганглиев использовался статистический модуль программы Bitplane Imaris.

На основе средней площади, занимаемой телами клеток на 10 равноудаленных срезах, в программе Reconstruct вычисляли линейный размер тела клеток ЦНС. Количество клеток оценивали исходя из среднего объема тела клетки и объема клеточный коры. Диаметр клеток для всей ЦНС определены как среднее значение в пределах всех ганглиев.

Всего было изучено по одному экземпляру каждой стадии. Это не позволяет проводить статистический анализ показателей между морфологическими возрастами, но делает возможным выявить основные тенденции в ходе развития.

Номенклатура ЦНС приведена по Ито с соавторами (Ito et al., 2014) и Нивену с соавторами (Niven et al., 2008). При описании ганглиев ЦНС использованы сокращения: sez – подпищеводная зона, spz – надпищеводная зона, t1–t3 – передне-, средне- и заднегрудной ганглии, a1–a8 – брюшные ганглии, at – брюшной синганглий. Под термином мозг подразумевается скопление ЦНС внутри головной капсулы (spz и sez) (Ito et al., 2014).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Предкуколка

Длина тела 1.9 мм.

Центральная нервная система предкуколки имеет следующую формулу: spz + sez + t1 + t2 + t3 + a1 + + a2 + a3 + a4 + a5 + a6 + a7 + a8 (рис. 1а–1г).

 

Рис. 1. Строение ЦНС предкуколки (а–г), куколки I (д–з), куколки II (и–м) и имаго (н–р) Habrobracon hebetor, 3D-реконструкция: а, д, и, н – вид сверху; б, е, к, о – вид сверху на нейропилярную часть ЦНС; в, ж, л, п – вид сбоку; г, з, м, р – вид сбоку на нейропилярную часть ЦНС; a1–a8 – брюшные ганглии, at – брюшной синганглий, sez – подпищеводная зона, spz – надпищеводная зона, t1–t3 – передне-, средне- и заднегрудной ганглий.

 

Антеннальные доли еще не дифференцированы на гломерулы (рис. 2а). Зрительные доли представлены небольшими однородными нейропилями – ламиной, медуллой и лобулой. Ламина имеет небольшой размер и визуализируется в виде короткой полоски. Наблюдается начало дифференцировки области ретины. Грибовидные тела дифференцированы, состоят из короткой ножки и небольшой шаровидной чашечки, доли неразличимы. Между грибовидными телами располагается центральный комплекс, включающий протоцеребральный мост и центральное тело. Центральное тело четко разделяется на веерообразное тело, пока не имеющее своей характерной рассеченности, и эллипсоидное тело.

 

Рис. 2. Строение ЦНС предкуколки (а–в), куколки I (г–е), куколки II (ж–и) и имаго (к–м) Habrobracon hebetor, гистология: al – антеннальные доли, а2 – второй брюшной ганглий, lam – ламина, lob – лобула, mb – грибовидное тело, med – медулла, t2–t3 – средне- и заднегрудной ганглии.

 

Коннективы хорошо различимы между всеми грудными ганглиями, при этом между средне- и заднегрудным ганглием они короче и толще. Заднегрудной ганглий тесно сближен с первыми брюшными ганглиями (а1 и а2). Следующие за ними три ганглия (а3–а5) находятся друг от друга на большем расстоянии и соединяются длинными тонкими коннективами. Терминальные ганглии брюшной нервной цепочки (а6–а8) соединены друг с другом более массивными и короткими коннективами.

Абсолютный объем ЦНС 17.8 нл (3.7% от объема тела), абсолютный объем мозга (spz+sez) 11.9 нл (2.5% от объема тела), абсолютный суммарный объем грудных ганглиев 3.2 нл (0.67% от объема тела), абсолютный суммарный объем брюшных ганглиев 2.0 нл (0.42% от объема тела).

Примерно 58% всего объема ЦНС приходится на клеточную кору (табл. 1). Центральная нервная система предкуколки состоит из 68 700 клеток, при этом 46 600 клеток входят в состав мозга, на грудные ганглии приходится около 11 100 клеток и брюшные ганглии также состоят из 11 000 клеток (табл. 2). Средний диаметр клеток ЦНС составляет 4.9 ± 0.49 мкм.

 

Табл. 1. Волюметрические характеристики Habrobracon hebetor на разных стадиях

Структура	Предкуколка		Куколка I		Куколка II		Куколка III		Имаго
	V	NV	V	NV	V	NV	V	NV	V	NV
Тело	476	–	727	–	600	–	586	–	1118	–
Голова	61.9	–	60.9	–	46.4	–	44.8	–	72.8	–
ЦНС	17.9	7.5	37.2	14.5	26.0	13.2	22.0	11.6	35.2	22.3
Мозг	11.9	4.7	25.3	9.4	16.7	8.3	14.0	7.4	23.6	14.3
t1	0.96	0.41	2.3	0.93	1.7	0.85	1.4	0.76	2.5	1.7
t2	0.92	0.44	2.1	1.04	1.4	0.83	1.3	0.67	2.1	1.5
t3	1.3	0.61	2.3	1.1	1.7	0.91	1.7	0.93	2.5	1.7
a1–a5	1.04	0.37	1.8	0.61	1.1	0.51	0.87	0.39	1.3	0.76
a6–a8	0.96	0.38	0.78	0.30	1.5	0.66	1.2	0.63	1.5	0.84

Примечания. V – объем, нл; NV – объем нейропиля, нл; a1–a8 – брюшные ганглии, t1–t3 – передне-, средне- и заднегрудной ганглий. Объем ЦНС с учетом коннективов между ганглиями был получен из 3D-реконструкции. Объем нейропиля ЦНС представляет собой сумму объемов нейропилей всех ганглиев. Значения, данные для а1–а5 и а6–а8, представляют собой суммы объемов отдельных ганглиев.

 

Табл. 2. Количество (N) и средний размер нервных клеток (D, мкм) Habrobracon hebetor на разных стадиях развития

Структура	Предкуколка		Куколка I		Куколка II		Куколка III		Имаго
	N	D	N	D	N	D	N	D	N	D
ЦНС	68 727	4.9	62035	6.7	63 639	5.8	67222	4.8	54 240	5.1
Мозг	46 659	5.4	48872	6.8	45 853	5.7	41443	5.3	33 034	5.6
t1	4666	4.9	2592	7.6	4111	5.9	4672	5.08	3357	5.6
t2	2899	5.3	2723	7.3	2530	6.06	4453	5.1	3150	5.8
t3	3524	5.9	2473	7.9	2519	6.8	6150	4.9	4413	5.6
a1–a5	5212	5.1±0.3	3575	6.5±1.0	3650	5.6±0.98	4477	4.7±0.56	4377	5.1±0.57
a6–a8	5766	4.4±0.24	1800	6.1±0.58	4975	5.6±0.32	6026	4.6±0.17	5908	4.5±0.43

Примечания. a1–a8 – брюшные ганглии, t1–t3 – передне-, средне- и заднегрудной ганглии.

 

Куколка I

Длина тела 2.3 мм.

Центральная нервная система характеризуется той же формулой, что и на предкуколочной стадии (рис. 1д–1з). На периферии антеннальных долей становятся различимы гломерулы. Наблюдается увеличение размеров всех оптических нейропилей. Ламина визуализируется в виде вытянутой пластинки. Нейропиль медуллы и лобулы подразделяется на несколько слоев. Продолжается дифференцировка области ретины, формирование пигментного аппарата сложных глаз. Удлиняется ножка грибовидных тел (рис. 2г). Хорошо визуализируется межцеребральная часть с отходящими от нее короткими глазковыми нервами. Вееробразное тело приобретает слабую рассеченность. Позади центрального тела различимы парные нодули.

Коннективы, соединяющие мозг с переднегрудным ганглием, удлиняются в два раза в сравнении с предкуколочной стадией. Происходит сближение средне- и заднегрудного ганглиев, коннективы между ними не визуализируются, однако между нейропилярными частями ганглиев четко визуализируются границы. Изменений в организации и структуре остальных ганглиев брюшной нервной цепочки не обнаружено.

Абсолютный объем ЦНС 37.2 нл (5.1% от объема тела), абсолютный объем мозга 25.3 нл (3.5% от объема тела), абсолютный суммарный объем грудных ганглиев 6.67 нл (0.92% от объема тела), абсолютный суммарный объем брюшных ганглиев 2.6 нл (0.36% от объема тела).

Около 60% всего объема ЦНС приходится на клеточную кору (табл. 1). Центральная нервная система состоит из 62 000 клеток, при этом 48 900 клетки входят в состав мозга, на грудные ганглии приходится 7750 клетки, на брюшные ганглии приходится 5350 клеток (табл. 2). Средний диаметр клеток ЦНС составляет 6.7 ± 0.89 мкм.

Куколка II

Длина тела 2.4 мм.

Центральная нервная система характеризуется следующей формулой: (spz + sez) + t1 + t2 + t3 + a1 + + a2 + a3 + a4 + a5 + a6 + a7 + a8, которая остается до конца куколочного развития (скобки обозначают слияние). Надпищеводная зона и подпищеводная зона сближены и образуют компактную массу (мозг), занимающую примерно 36% объема головной капсулы (рис. 2г). В сложных глазах становятся различимы отдельные омматидии. Продолжается увеличение всех крупных нейропилярных центров мозга: оптических нейропилей, антеннальных долей, чашечек грибовидных тел, межцеребральной части и нодулей. На данной стадии становится различимо деление чашечки грибовидных тел на губу, воротничок и базальное кольцо. Хорошо различимы три доли грибовидных тел. Изменений в организации и структуре ганглиев брюшной нервной цепочки не обнаружено (рис. 1и–1м).

Абсолютный объем ЦНС 26.1 нл (4.3% от объема тела), абсолютный объем мозга 16.7 нл (2.8% от объема тела), абсолютный суммарный объем грудных ганглиев 4.8 нл (0.96% от объема тела), абсолютный суммарный объем брюшных ганглиев 2.7 нл (0.44% от объема тела).

Примерно 50% всего объема ЦНС приходится на клеточную кору (табл. 1). Центральная нервная система состоит из 63 600 клеток, при этом 45 800 клетки входят в состав мозга, на грудные ганглии приходится 9200 клеток, на брюшные ганглии приходится 8600 клеток (табл. 2). Средний диаметр клеток ЦНС составляет 5.8 ± 0.73 мкм.

Куколка III

Длина тела 2.5 мм.

Мозг занимает приблизительно 31% объема головной капсулы. Продолжается увеличение объема крупных нейропилярных центров мозга (рис. 2ж). Изменений в организации и структуре ганглиев брюшной нервной цепочки не обнаружено.

Абсолютный объем ЦНС 22.0 нл (3.8% от объема тела), абсолютный объем мозга 14.02 нл (2.4% от объема тела), абсолютный суммарный объем грудных ганглиев 4.3 нл (0.73% от объема тела), абсолютный суммарный объем брюшных ганглиев 2.01 нл (0.35% от объема тела).

Приблизительно 48% всего объема ЦНС приходится на клеточную кору (табл. 1). Центральная нервная система состоит из 67 200 клеток, при этом 41 400 клетки входят в состав мозга, на грудные ганглии приходится 15 300 клеток, на брюшные ганглии приходится 10 500 клетки (табл. 2). Средний диаметр клетки ЦНС составляет 4.8 ± 0.43 мкм.

Имаго

Длина тела самки 3.2 мм.

Центральная нервная система характеризуется следующей формулой: (spz+sez) + t1 + t2 + t3 + a1 + + a2 + a3 + a4 + a5 + at (a6 + a7 + a8).

Мозг занимает около 32% объема головной капсулы. Нейропилярные центры мозга хорошо развиты и четко визуализируются, достигают максимального значения в абсолютном и относительном объеме (рис. 2к). Массивные антеннальные доли состоят из крупных гломерул, при этом центральная часть доли представляет собой гомогенный нейропиль. Крупные грибовидные тела состоят из парных чашечек, подразделяющихся на губу, воротничок и базальное кольцо, длинной ножки и трех долей. Среди оптических нейропилей медулла является самым крупным, ее нейропиль имеет четкую слоистость. Веерообразное тело приобретает явную рассеченность. Нодули имеются. Брюшная нервная цепочка представлена свободным переднегрудным ганглием, первый и второй брюшные ганглии сближены с средне- и заднегрудным ганглиями. Последующие три ганглия брюшной цепочки остаются свободными и связаны друг с другом длинными коннективами, а в терминальной части брюшка располагается синганглий, в состав которого вошли шестой, седьмой и восьмой ганглии (рис. 1н–1р).

Абсолютный объем ЦНС 35.2 нл (3.2% от объема тела), абсолютный объем мозга 23.6 нл (2.1% от объема тела), абсолютный суммарный объем грудных ганглиев 7.1 нл (0.63% от объема тела), абсолютный суммарный объем брюшных ганглиев 2.8 нл (0.25% от объема тела).

Приблизительно 37% всего объема ЦНС приходится на клеточную кору (табл. 1). Центральная нервная система состоит из 54 240 клеток, при этом 33 000 клетки входят в состав мозга, на грудные ганглии приходится 10 900 клетка, на брюшные ганглии приходится 10 340 клеток (табл. 2). Средний диаметр клетки ЦНС составляет 5.1 ± 0.53 мкм.

ОБСУЖДЕНИЕ

Строение ЦНС

В период развития от предкуколки к имаго происходит постепенное сближение среднегрудного и заднегрудного ганглиев, при этом с последним сближаются еще и первый, и второй брюшные ганглии; аналогичные процессы происходят между шестым, седьмым и восьмым брюшными ганглиями, что завершается полным их слиянием с образованием синганглия. Максимальная степень концентрации ганглиев брюшной нервной цепочки наблюдается на взрослой стадии, но полного слияния между грудными ганглиями не происходит, поскольку границы между их нейропилями четко прослеживаются.

У представителей родственного семейства Ichneumonidae состав ганглиев брюшной нервной цепочки зародыша и личинок такой же, как у Braconidae (Bronskill, 1964; Evans, 1933; Grosch, 1949; Ryan, 1963; Salkeld, 1959). Различия наблюдаются в строении имагинальной ЦНС. У Ichneumon monticola последние три брюшных ганглия (a6, a7 и a8) соединены явными короткими парными коннективами (Брандт, 1878), в то время как у H. hebetor эти же ганглии вошли в состав синганглия. Таким образом, в брюшной нервной цепочке браконид наблюдается более сильная степень олигомеризации и концентрации ганглиев, чем у сестринской группы ихневмонид. Редки случаи, когда нервная система при метаморфозе вовсе не претерпевает изменений, а сохраняет исходный личиночный план строения. Подобное явление описано для Phytospheces (Брандт, 1878а).

Слияние и концентрация ганглиев в ходе метаморфоза частое явление и наблюдается во многих отрядах насекомых с полным превращением – у жесткокрылых (Menees, 1961), чешуекрылых (Pipa, Woolever, 1964), двукрылых (Levine et al., 1995) и перепончатокрылых (Брандт, 1878, 1878а; Smith, 1970). Миниатюрные перепончатокрылые обладают более выраженной концентрацией ганглиев, чем H. hebetor. У Trichogramma telengai в период между предкуколкой и куколкой I ганглии брюшной нервной цепочки сближаются и сливаются, формируя два крупных синганглия (Makarova et al., 2021).

Объем тела и ЦНС

В ходе развития H. hebetor от предкуколки к имаго вдвое увеличивается абсолютный объем тела (рис. 3а).

 

Рис. 3. Изменения основных количественных показателей частей ЦНС в процессе развития от предкуколки до имаго у Habrobracon hebetor: а – абсолютный объем тела и ЦНС; б – абсолютный объем мозга и ганглиев брюшной нервной цепочки; в – относительный объем ЦНС, мозга и ганглиев брюшной нервной цепочки; г – относительный объем нейропилярных центров мозга; д – абсолютный объем клеточного слоя и нейропиля ЦНС; е – абсолютный объем клеточного слоя мозга и ганглиев брюшной нервной цепочки; ж – абсолютный объем нейропиля мозга и ганглиев брюшной нервной цепочки; з – объем нейропиля относительно ганглиев; и – диаметр нервных клеток в мозге и ганглиях брюшной нервной цепочки; к – количество нервных клеток в мозге и ганглиях брюшной нервной цепочки.

 

Объем ЦНС у куколки I H. hebetor вдвое больше, чем у предкуколки, затем следует снижение (объем ЦНС у куколки сопоставим с предкуколочным), далее снова увеличение к имагинальной стадии. В период развития от куколки I до куколки III абсолютный объем всех ганглиев падает, но при переходе к имаго снова возрастает и достигает тех же значений, которые наблюдались у куколки I (рис. 3б). Изменения объемов ганглиев в течение развития от предкуколки до имаго коррелирует с изменением объемов клеточного слоя и нейропиля в этих ганглиях, при этом нейропиль вносит больший вклад в увеличение объема ганглиев (рис. 3е–3ж). Полученная динамика показателей объемов может быть связана как с особенностями развития куколки, так и с индивидуальными особенностями изученных единичных экземпляров. Последнее, безусловно, не позволяет проводить статистическую оценку и затрудняет однозначную трактовку результатов. В изменении относительных объемов всей ЦНС и ганглиев по отдельности прослеживается аналогичная тенденция. Подобный характер изменений относительного объема мозга в течение метаморфоза описан для Megachile rotundata (Helm et al., 2018). Наблюдаются сходные показатели относительного объема мозга в ходе развития от ранней куколки до взрослой особи. У миниатюрной T. telengai относительный объем ЦНС и мозга увеличивается в куколочный период, а при переходе от поздней куколки к имаго относительный объем ЦНС, мозга и грудного синганглия уменьшается, возвращаясь к значениям, близким к таковым у предкуколки (Makarova et al., 2021).

Многие ганглии брюшной нервной цепочки насекомых с полным и неполным превращением увеличиваются в объеме в течение постэмбрионального развития (Power, 1952; Gymer, Edwards, 1967). В отличие от более крупного H. hebetor, у миниатюрной T. telengai, развитие которой также изучено на единичных экземплярах, от предкуколки до имаго абсолютный объем тела и объем ЦНС уменьшаются почти вдвое (Makarova et al., 2021). Также для имаго T. telengai отмечено уменьшение объема мозга и грудных ганглиев.

Объем клеточной коры и нейропиля ЦНС

В период развития от предкуколки к куколке I объем клеточной коры мозга и ганглиев брюшной нервной цепочки увеличивается вдвое. От куколки I до имаго наблюдается снижение объема клеточной коры (рис. 3д). Нейропиль ЦНС H. hebetor увеличивается вдвое при развитии от предкуколки к куколке I и почти не меняется до куколки III. После линьки на имаго объем нейропиля ЦНС увеличивается вдвое. Если рассматривать развитие начиная с предкуколки, то объем нейропиля увеличивается трехкратно. Подобные тенденции отмечены и для других насекомых (Casaday, Camhi, 1976; Huetteroth et al., 2010; Makarova et al., 2021; Martín-Vega et al., 2021).

Увеличение слоя клеточной коры, по-видимому, частично является результатом скопления клеток. Эти клетки, предположительно, являются глией, располагающейся снаружи по отношению к слою тел нейронов (Heywood, 1965). Рост объема клеточного слоя и нейропиля при превращении предкуколки в куколку I также возможно связан с появлением новых мотонейронов, иннервирующих формирующиеся у куколки мышечные волокна в груди и брюшке (Pflüger et al., 1993; Tissot et al., 1998; Tsujimura, 1989). В начале куколочного развития начинается процесс ремоделирования таких нейронов (усиленный рост и разветвление отростков) (Kent et al., 1995; Williams, Truman, 2005). Вследствие этого процесса и происходит увеличение объема нейропиля. Также на ремоделирование нейронов влияют и стероидные гормоны. Показано, что максимальная концентрация в гемолимфе экдистероидов наблюдается сразу после окукливания, что совпадает с ростом нервных отростков и их ветвлением (Kraft et al., 1998; Levine, 1989; Levine, Weeks, 1996; Levine et al., 1991; Matheson, Levine, 1999; Prugh et al., 1992). При этом увеличение длины и активное ветвление происходят именно в течение последней трети развития куколки, как раз перед экдизисом (Levine et al., 1991). Максимальный объем нейропиля, сформированного отростками мотонейронов, интернейронов, ассоциативных нейронов и отростками нервных клеток органов чувств, на имагинальной стадии обеспечивает разнообразный репертуар поведения, обработку визуальных и запаховых сигналов, играет ключевую роль при полете, поиске пищи и жертвы, спаривании и откладке яиц.

Относительный объем нейропиля как в ЦНС, так и в ганглиях по отдельности увеличивается от предкуколки к имаго (рис. 3ж). Соотношение объема нейропиля и клеточной коры во всей ЦНС имаго H. hebetor составляют 63 и 37% соответственно, а в мозге – 61 и 39%, что соответствует значению нейропилярной константы (Polilov, Makarova, 2020).

Хотя в ходе развития от предкуколки до имаго у H. hebetor большинство нейропилярных центров мозга увеличиваются в абсолютном и относительном выражении, объем центрального комплекса остается практически неизменным (рис. 3г). Возможно, причина этого в относительной консервативности центрального комплекса, благодаря чему он менее развит у насекомых, обладающих сложным поведением (Homberg, 2008). Ассоциативные функции центрального комплекса берут на себя грибовидные тела, развитие которых происходит быстрыми темпами на предкуколочной и куколочной стадиях (Панов, 1959). Увеличение объема оптических нейропилей в ходе куколочного развития связано с тем, что в это время происходит рост сложных глаз, развитие омматидиев, развитие аксонов зрительных клеток, их врастание из ретины в ламину, образование синапсов в этом оптическом нейропиле (Панов, 1960; Roat, Landim, 2010). Интенсивное развитие сенсорных структур антенн начинается после окукливания и сопровождается дифференцировкой рецепторных клеток, ветвлением их аксонов в гломерулах за счет чего происходит увеличение объема антеннальных долей (Sanes, Hildebrand, 1976). Гломерулярная структура антеннальных долей H. hebetor развивается аналогично описанному раннее развитию у Apis mellifera, у которой нейропиль личинки гомогенен, а гломерулы формируются в куколочный период, достигая полноценного развития только у взрослого насекомого (Панов, 1961). Аналогичные изменения относительного объема ключевых нейропилярных центров мозга были выявлены у Calliphora vicina (Martín-Vega et al., 2021), у которой в течение всего развития куколки увеличивались оптические доли и антеннальные доли. Наиболее стремительный рост относительного объема отмечался во второй половине куколочного развития. Схожие результаты были получены в работе по исследованию метаморфоза мозга в течение личиночного-имагинального развития у Manduca sexta (Huetteroth et al., 2010). Авторы указывают, что линейное увеличение объема нейропилей во время развития куколки вызвано несколькими факторами, включая рост нейронов, нейрогенез, врастание аксонов фоторецепторных клеток из ретины, синаптогенез между различными нейропилями, созревание нейронной сети.

Размер клеток ЦНС и их количество

К началу куколочного развития H. hebetor происходит увеличение размера нервных клеток во всех ганглиях. Далее в ходе индивидуального развития следует снижение их диаметра, и у куколки III наблюдается минимальный размер нервных клеток (рис. 3и). У отродившегося имаго происходит небольшое увеличение размера, и они достигают диаметра, сопоставимого с таковым на стадии предкуколки и куколки III.

Сходная динамика изменения размеров нервных клеток обнаружена у Drosophila melanogaster в небольшой популяции нейронов, восприимчивых к пигмент-диспергирующему гормону (Helfrich-Förster, 1997). У куколок наблюдалось уменьшение размеров клеточных тел, а затем следовала волна роста, достигая максимума у взрослой стадии. У Manduca sexta с начала куколочного развития увеличивается средний диаметр нервных клеток в переднегрудном и четвертом брюшном ганглиях (Booker, Truman, 1987). По мере того, как созревают нейроны, размер их тел возрастает за счет увеличения как ядерного, так и цитоплазматического объема. На увеличение размера нервных клеток Manduca sexta влияет и титр экдистероидов в гемолимфе (Booker, Truman, 1987a). С увеличением титра, которое приходится на предкуколочную стадию, происходит увеличение размеров нейронов в абдоминальных ганглиях. У T. telengai размер клеток ЦНС поступательно уменьшается в процессе развития от предкуколки до взрослой особи (Makarova et al., 2021). Размер нервных клеток имаго H. hebetor вдвое больше, чем у T. telengai.

При переходе от предкуколки к куколке I происходит уменьшение количества нервных клеток в ЦНС, однако в ходе куколочного развития их число постепенно возрастает, и на стадии куколки III оно практически сравнивается с таковым на предкуколочной стадии (рис. 3к). У вышедшего из куколки имаго количество нервных клеток в ЦНС снижается на 19%. Увеличение числа нервных клеток во время куколочного развития может иметь несколько причин: в связи с началом дифференцировки интернейронов, которые появляются именно в куколочный период из персистирующих нейробластов (Tissot, Stocker, 2000); в результате развития глиальных клеток, поскольку первые тела появляются начиная с первой трети развития куколки (Stork et al., 2012); наконец, из-за апоптоза части нейронов в начале метаморфоза (Ichikawa, 1994). Кроме того, мышцы, задействованные во время экдизиса и расправления крыльев, дегенерируют через 12 часов после линьки, а вместе с ними погибают некоторые мотонейроны в брюшной нервной цепочке имаго (Kimura, Truman, 1990). У T. telengai количество нервных клеток в ходе куколочного развития также увеличивается, но последующее уменьшением их числа на взрослой стадии более заметно, убыль нейронов в ЦНС имаго достигает 32% (Makarova et al., 2021). Наконец, одной из причин уменьшения числа нервных клеток на имагинальной стадии может быть лизис ядер, обнаруженный у миниатюрных Trichogrammatidae (Polilov, 2012, 2017) и Mymaridae (Polilov et al., 2023). Однако у H. hebetor нервные клетки значительно крупнее и следов лизиса мы не обнаружили.

Макроструктурные изменения ЦНС в ходе метаморфоза H. hebetor выражены в сближении ганглиев посредством укорочения коннективов, причем степень олигомеризации ганглиев у H. hebetor выражена сильнее, чем у таких же крупных представителей родственных групп. Увеличение объема ЦНС коррелирует с увеличением нейропиля и клеточного слоя, но именно нейропиль вносит больший вклад в рост ганглиев на последних этапах развития H. hebetor. Изменения абсолютного и относительного объемов ганглиев, размера и количества нервных клеток сходны с описанными ранее для других перепончатокрылых или насекомых других отрядов. Как и у миниатюрных перепончатокрылых, при метаморфозе от предкуколки к имаго H. hebetor происходит увеличение нейропиля. Таким образом, H. hebetor может быть референтным объектом для изучения влияния миниатюризации на метаморфоз ЦНС.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарны К. Г. Самарцеву (ЗИН РАН) за предоставленный материал.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (№ 22-74-10008, https://rscf.ru/project/22-74-10008).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В работе были выполнены все международные, национальные и внутренние требования по использованию насекомых для научных экспериментов.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

E. N. Veko

Moscow State University

Author for correspondence.
Email: vekoegor@gmail.com

Faculty of Biology

Russian Federation, Moscow, 119234

А. А. Makarova

Moscow State University

Email: vekoegor@gmail.com

Faculty of Biology

Russian Federation, Moscow, 119234

А. А. Polilov

Moscow State University

Email: vekoegor@gmail.com

Faculty of Biology

Russian Federation, Moscow, 119234

References

Supplementary files