Control of the release of digestive enzymes in the cricket Gryllus bimaculatus and the fall armyworm, Spodoptera frugiperda

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Lwalaba, Digali:
Control of the release of digestive enzymes in the cricket Gryllus bimaculatus and the fall armyworm, Spodoptera frugiperda.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

This thesis investigates control of the release of digestive enzymes in the cricket Gryllus bimaculatus and the fall armyworm, Spodoptera frugiperda. 1. Control of enzyme release in the cricket G. bimaculatus. Using flat-sheet preparations of the caecum, digestive enzyme release was investigated. More trypsin, aminopeptidase and amylase are secreted in the caecum of fed crickets than in unfed crickets, but basal levels of certain enzymes are released continuously even in unfed animals. A variable ratio of nutrients in ingested food leads to a different ratio of digestive enzyme release, but a high nutrient component in the food does not necessarily induce a high digestive enzyme release for that component. Maltose and glucose elevate amylase release from the tissues into the incubation medium, but starch does not. Bovine serum albumin (BSA), peptone and a mixture of amino acids have almost no effect on the release of aminopeptidase, and only low concentrations of peptone increase trypsin release. In crickets, the continuous release of proteases is sufficient to meet the needs for growth, and only moderate stimulation of trypsin results from feeding. Carbohydrates are used for energy, and the release of amylase is adjusted to the amount of food ingested. The neuropeptide allatostatin Grybi-AS 5 elevates the release of amylase in fed females, but not of trypsin or aminopeptidase, however, both amylase and trypsin release are stimulated by AS 5 in unfed crickets. Fed crickets have sufficient trypsin to obtain needed amino acids, but unfed do not, therefore the AS stimulation of trypsin release in unfed crickets makes sense. 2. Control of enzyme release in the larvae of S. frugiperda. A flat-sheet preparation of the ventriculus was used to test the release of amylase, trypsin and aminopeptidase in response to specific nutrients in the food and to specific neuropeptides. The epithelial secretion rate of amylase and trypsin was about 20% of the amount of enzyme present in the ventricular lumen, which, considering the efficient counter-current recycling of enzymes, suggests that the secretion rate is adequate to replace egested enzymes. Dietary carbohydrates are used for energy, and larvae adjust amylase activity to carbohydrate ingestion. Amylase activity is 5-times higher in fed compared to unfed larvae, and sugars in the incubation medium induces more than a 300 % increase in amylase release. Plants contain a low level of protein, but larvae need proteins for growth, thus the larvae can not afford to lose proteins by egestion. Therefore, trypsin activity remains high even in unfed larvae. As a result, proteins and amino acids have little or no effect on trypsin or aminopeptidase release in incubated tissues. The control of enzymes release in response to food is most likely mediated through neurohormones. Indeed, an allatostatin (Spofr-AS A5) inhibits amylase and trypsin release, and allatotropin (Manse- AT) stimulates amylase and trypsin release. Spofr-AS A5 also inhibits ileum myoactivity and Manse- AT stimulates myoactivity. 3. Inhibition of enzyme release in the larvae of S. frugiperda. Exogenous inhibitors are produced by plants, and are ingested by the insect. Endogenous inhibitors are produced by the gut epithelial cells themselves. A dose-dependent inhibition of endogenous enzymes occur in the lumen after feeding L6 larvae with the exogenous serine protease inhibitor from soybean (SBTI), the specific trypsin inhibitor TLCK, an aminopeptidase inhibitor (bestatin), and an amylase inhibitor from wheat. Inhibition in tissue extracts is seen only with higher doses of SBTI and TLCK. Inhibition of enzyme release into the incubation medium is apparent only with very high doses of SBTI. Inhibition in the tissues and inhibition of release indicate a direct cellular response to an inhibitor present in the lumen. The elevation of aminopeptidase activity in response to ingested trypsin inhibitors indicates a cellular synthesis in response to the product of a digestive enzyme. The enzymes investigated are irreversibly inactivated by 10 min at 90°C, but the corresponding inhibitors are not, therefore endogenous inhibitors could be identified. Endogenous inhibitors are present in the ventricular cells and in the lumen. We suggest that the endogenous protease inhibitors may protect the epithelium by inactivation of the trypsin in underfed larvae. This is the first explanation of how insects are able to secrete an active trypsin.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Dissertation untersucht die Steuerung der Freisetzung der Verdauungsenzyme bei der Mittelmeerfeldgrille Gryllus bimaculatus und dem Maisschädling Spodoptera frugiperda. 1. Steuerung der Enzymfreisetzung bei der Mittelmeerfeldgrille G. bimaculatus. Unter Verwendung von flachgeschnitten Gewebepräparaten des Darmcaecums wurde die Freisetzung der Verdauungsenzyme untersucht. Mehr Trypsin, Aminopeptidase und Amylase werden im Caecum von gefütterten Grillen freigesetzt als bei ungefütterten Grillen, aber eine gewisse Menge an Enzymen wird kontinuierlich auch bei ungefütterten Tieren freigesetzt. Verschiedene Nährstoffe im aufgenommenen Futter führen zu einem weiteren Anteil an Verdauungsenzymfreisetzung, obwohl ein hoher Nährstoffbestand in der Nahrung nicht unbedingt eine hohe Freisetzung von Verdauungsenzymen für diesen Bestandteil hervorruft. Maltose und Glucose führen zu einer Amylasefreisetzung aus den Geweben, aber Stärke hat keine Wirkung. Rinderserumalbumin (BSA), Pepton und eine Mischung von Aminosäuren haben fast keine Wirkung auf Aminopeptidase- oder Carboxypeptidasefreisetzungen, aber nur geringe Mengen von Pepton erhöhen die Freisetzung von Trypsin. Die andauernde Freisetzung von Proteasen ist ausreichend, um den Proteinbedarf für das Wachstum zu decken, und nur eine mäßige Erhöhung des Trypsins ergibt sich aus Fütterung. Kohlenhydrate werden für die Energiegewinnung verwendet, und die Freisetzung der Amylase hängt von der Menge der aufgenommenen Nahrung ab. Das Neuropeptid Allatostatin AS 5 (Grybi-AS 5) erhöht die Freisetzung von Amylase in gefütterten Weibchen, aber nicht von Trypsin oder Aminopeptidase. In ungefütterten Grillen hingegen wurde die Freisetzung von Amylase und Trypsin durch AS 5 erhöht. Gefütterte Grillen haben genügend Trypsin im Darm, um die benötigten Aminosäuren zu erhalten, aber nicht die Ungefütterten; deshalb macht die Erhöhung der Trypsin-freisetzung durch AS in ungefütterten Grillen auch Sinn. 2 . Steuerung der Enzymfreisetzung in den Larven von S. frugiperda. Flach-geschnittene Caecumpräparate wurden verwendet, um die Freisetzung von Amylase, Trypsin und Aminopeptidase als Antwort auf spezifische Nährstoffe im Futter und auf spezifische Neuropeptide zu testen. Die Sekretionsrate des Ventriculumepithels für Amylase und Trypsin war ungefähr 20 % der Menge der anwesenden Enzyme im Lumen, was in Anbetracht der hoch wirksamen Gegenstromwiederverwertung der Enzyme erkennen lässt, dass die Sekretionsrate hoch genug ist, um ausscheidende Enzyme zu ersetzen. Kohlenhydrate aus der Nahrung werden für den Energiehaushalt verwendet, und die Amylaseaktivität im Darm passt sich an die Kohlenhydratzufuhr an. Die Amylaseaktivität ist 5-mal höher in gefütterten im Vergleich zu ungefütterten Larven, und Zucker im Inkubationsmedium bewirkt mehr als eine 300%ige Erhöhung der Amylasefreisetzung. Pflanzen enthalten einen verhältnismäßig niedrigen Proteinanteil, aber besonders die Larven brauchen Proteine für Wachstum. Die Larven können es sich nicht leisten, Proteine durch Ausscheidung zu verlieren. Deshalb bleibt die Trypsinaktivität sogar in ungefütterten Larven hoch. Infolgedessen haben Proteine und Aminosäuren wenig oder keine Auswirkung auf die Freisetzung von Trypsin oder Aminopeptidase in inkubierten Geweben. Die Kontrolle der Enzymfreisetzung als Antwort auf Füttern wird sehr wahrscheinlich durch Neurohormone vermittelt. Tatsächlich hemmt das Allatostatin Spfr-AS A5 die Freisetzung von Amylase und Trypsin. Allatostatin A5 hemmt auch die Myoaktivität im Ileum und Allatotropin erhöht die Myoaktivität. 3. Hemmung der Enzymfreisetzung in den Larven von S. frugiperda. Exogene Hemmstoffe werden von Pflanzen produziert und von den Insekten mit der Nahrung aufgenommen. Endogene Hemmstoffe werden in Darmepithelzellen gebildet. Eine dosisabhängige Hemmung der endogenen Enzyme kommt im Lumen nach der Fütterung von L6 Larven mit dem exogenen Serinproteasehemmer aus Sojabohnen (SBTI), dem spezifischen Trypsininhibitor (TLCK), einem Aminopeptidasehemmer (Bestatin), und einem Amylaseinhibitor aus Weizen vor. Hemmung in Gewebeextrakten wird nur bei höheren Dosen von SBTI und TLCK gefunden. Die Hemmung der Enzymfreisetzung ins Inkubationsmedium ist nur mit sehr hohen Dosen von SBTI sichtbar. Hemmung der Enzymaktivitäten in den Geweben und Hemmung der Enzymfreisetzung lassen eine direkte zelluläre Antwort auf einem anwesenden Hemmstoff im Lumen vermuten. Der Anstieg der Aminopeptidaseaktivität als Antwort auf den aufgenommenen Trypsininhibitor (d.h. eine Wechselwirkung) zeigt eine zelluläre Synthese als Antwort auf das Produkt eines anderen Verdauungsenzyms an.