Imunitní systém invazního slunéčka Harmonia axyridis

Bc. Michal Řeřicha

Master's thesis

Immune system in invasive ladybird Harmonia axyridis

Abstract:

Slunéčko východní, Harmonia axyridis, je považováno za velmi úspěšný invazní druh hmyzu. Úspěšnost invaze zřejmě souvisí s vlastnostmi druhu, jako jsou výkonný imunitní systém či výborně fungující chemická obrana. Přes výrazný recentní boom studií zaměřených na výzkum biologie tohoto druhu je jeho imunitní systém oblastí probádanou jen částečně a dává významný prostor pro další bádání. Tento fakt byl hlavním impulzem k vytvoření diplomové práce zabývající se imunitním systémem vybraných druhů slunéček s důrazem na H. axyridis. V práci jsou představeny tři odlišné studie shrnující moje několikaleté experimentování se slunéčky. První experiment se zabýval porovnáním koncentrace hemocytů, bílkovin a antimikrobiální aktivitou hemolymfy pocházející z tělní dutiny a z reflexního krvácení u  H. axyridis a dvou původních druhů našich slunéček. Reflexní krvácení je způsob chemické obrany hmyzu, kdy páchnoucí a toxická hemolymfa je dobrovolně vykrvácena na predátora. Výsledky experimentu ukazují, že měřené imunitní parametry se neliší mezi vzorky odebranými různými metodami. Odběr vzorků z reflexního krvácení je tak přirozenou alternativou ke standardním metodám způsobujícím nepřirozená zranění. Studie však ukazuje i zajímavé mezidruhové rozdíly, například invazní slunéčko H. axyridis má významně vyšší koncentraci volně cirkulujících hemocytů než naše původní Ceratomegilla undecimnotata a Coccinella septempunctata. Další experiment se věnoval striktně vývoji vybraných fyziologických a imunitních parametrů během ontogeneze u H. axyridis. Byl zkoumán vliv ontogeneze na obsah hemocytů, bílkovin a antimikrobiální aktivitu hemolymfy od 2. larválního instaru až po 32 dnů staré dospělce. Obecně lze říci, že průběh ontogeneze sledovaných imunitních a fyziologických parametrů H. axyridis se liší oproti doposud publikovaným datům pro hmyz. Bazální imunitní systém larev je méně výkonný než dospělců a počty hemocytů i antimikrobiální aktivita navíc výrazně rostou i v průběhu života dospělce. Získaná data také poukazují na možné metodické nedostatky srovnávacích studií, které porovnávají jedince různého či neznámého věku. Poslední experimentální část navazuje na moji bakalářskou práci, která se věnovala vlivu teploty během stádia kukly na imunitní systém dospělců H. axyridis. V rámci třetího experimentu byl porovnáván vliv teploty během kukly na koncentraci hemocytů u čerstvých, jednodenních dospělců a i starších, týdenních dospělců. Nižší teplota během stádia kukly vedla k vyšší koncentraci hemocytů u čerstvých dospělců a tento trend nevymizel ani u starších dospělců. Samci navíc mají vyšší koncentraci hemocytů v hemolymfě než samice, což je patrné především u zvířat pocházejících z vyšší teploty. Dle mých dosavadních výzkumů se zdá být H. axyridis velmi zajímavým druhem, který se vymyká mnoha obecným představám o fungování imunitního systému hmyzu. Další výzkum tak může přinést mnohá nečekaná překvapení.

Abstract:

Harlequin ladybird, Harmonia axyridis, is considered to be one of the most successful invasive insect species in the world. Its invasive success is among the other traits thought to be caused also by a powerful immune system and excellent chemical defence. Despite a marked recent boom of studies focused on biology of this species, its immune system is still partially unexplored and provides a significant topic for novel research. This thesis composes of three different experiments focused on immune system and physiology of H. axyridis. In the first experiment I compared the concentration of hemocytes, antimicrobial activity and protein concentration in hemolymph between samples collected using two different sampling methods, reflex bleeding and puncture.The experiment was repeated for three different ladybird species (Ceratomegilla undecimnotata, Coccinella septempunctata and Harmonia axyridis). The reflex bleeding is a defence behaviour of insects, when the smelling and toxic hemolymph is voluntarily bled to a predator. The results show that the measured immune parameters do not differ between the sampling methods and reflex bleeding is thus a very good alternative method of hemolymph sampling to the standardly employed puncture. The advantage of reflex bleeding sampling is that it does not cause unnatural injuries to beetles. In addition, interesting interspecific differences in immune system between ladybird species were observed. For example, H. axyridis has a significantly higher concentration of circulating hemocytes than our native species C. undecimnotata and C. septempunctata. In the second experiment I investigated the development of above mentioned physiological and immune parameters during ontogeny in H. axyridis, from 3rd larval instar to 32 days old adults. Protein concentration, concentration of circulating hemocytes as well as constitutive antimicrobial activity against Escherichia coli differed in the course of ontogeny. In general, patterns observed for H. axyridis contrasted to the results reported for other insects. Innate immune system of larvae is less efficient than in adults and also the concentration of hemocytes grow significantly during adulthood. Substantial variation in physiological and immune parameters during ontogeny has also important methodological implications, as individuals of exactly the same stage/age have to be employed for comparative studies. In the last experiment I investigated effects of temperature (17 °C, 26 °C and 35 °C) experienced during pupal stage on hemocyte concentration in adult harlequin ladybirds. Effects of pupal temperature on adults of different age, either 1 day old or 7 days old, were measured. Concentration of circulating hemocytes steeply decreased with increasing pupal temperature in fresh (1 day old) as well as older (7 days old) adults. Males had higher concentration of hemocytes in the hemolymph then females and this pattern emerged especially for beetles that experienced higher pupal temperature. The immune system of the harlequin ladybird, H. axyridis, seems to differ from other insect species and further research could bring many unexpected, exciting and novel findings.

Keywords

hemocyty, imunitní systém, larvální růst, Harmonia axyridis, odběr hemolymfy, ontogeneze, reflexní krvácení, stárnutí, Antimikrobiální aktivita, teplota

Keywords

Aging, antimicrobial activity, haemolymph, Harmonia axyridis, immune system, larval growth, ontogeny, reflex bleeding, sampling technique, temperature

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 4. 2017

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Michal Knapp, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme / field:
Engineering Ecology / Nature Conservation