Neural Interfaces to the Odour World of Scarab Beetles

Abstract:
Antennal detection and central nervous integration of behaviourally relevant odours in scarab beetles (Coleoptera: Scarabaeidae) was investigated, using the two Japanese scarabs Anomala cuprea and Phyllopertha diversa (Rutelinae), and the Central African fruit chafer Pachnoda marginata (Cetoniinae) as model species.



Electrophysiological single cell recordings in A. cuprea and P. diversa characterized odour detection by antennal olfactory receptor neurons tuned to plant odours (flower odours, green leaf volatiles) and sex pheromones. In both species, dose-response tests showed that plant compounds as well as sex pheromone components were detected by specialized types of receptor neurons, each type responding preferentially to a single compound.



Responses of antennal receptor neurons in P. marginata to single compounds in fruit extracts were investigated using single cell recordings, while stimulating with fruit compounds eluting one by one from a gas chromatograph. Olfactory receptor neurons in this species also responded to single compounds or a few structurally related compounds, in spite of generally high stimulus concentrations. The receptor neurons responding to the fruit volatiles could be grouped into 28 types, responding to a total of more than 50 compounds.



The attractiveness of 35 electrophysiologically active fruit compounds was evaluated in a 2-choice olfactometer. Half of these compounds were attractive to P. marginata, while the others showed no attractiveness as single compounds. A mixture of three compounds not attractive by themselves was attractive to P. marginata males, showing that some compounds have behavioural relevance only as components of a blend.



In P. marginata, 27 fruit compounds detected by antennal receptor neurons were used as stimuli in intracellular studies of odour integration by interneurons in the antennal lobe of the brain. Lucifer Yellow-filled interneurons consisted of uniglomerular and multiglomerular projection neurons, plus some local neurons, which all had multiglomerular arborizations and a dense focus in a single glomerulus. Most interneurons had narrow response spectra, responding to single or up to a handful of compounds, while the multiglomerular projection neuron responded to almost all stimuli. Almost all interneurons responded to attractive single compounds, while non-attractive compounds generally eliciting no or very weak responses.

Popular Abstract in Swedish

Hur bladhorningsskalbaggar (ollonborrar, tordyvlar och deras släktingar) uppfattar dofter



Bladhorningsskalbaggar, eller överfamiljen Scarabaeoidea, är en ganska stor skalbaggsgrupp med ca 30.000 arter beskrivna över hela världen. I Sverige finns ungefär 100 arter, varav de mera kända utgörs av några arter ollonborrar, tordyvlar, guldbaggar, trädgårdsborren, noshornsbaggen, läderbaggen samt ekoxen. En internationellt känd representant för denna skalbaggsgrupp är den egyptiska heliga skarabén, som har fått ge namn åt hela överfamiljen. En typisk egenskap som bladhorningar har gemensamt är deras antenner, vars yttersta segment är förstorade till mer eller mindre platta blad eller skivor (härav namnet). En annan sak som förenar dem är deras så kallade scarabaeiforma larver, som ser ut som stora, bleka pölsor eller falukorvar med ett litet huvud och som ofta lever grävande i jord, dynga eller kompost.



Olika arter av bladhorningar är specialiserade på olika slags föda, ofta olika för larver och vuxna skalbaggar. Larverna lever ofta av dynga, kompost, växtrötter eller murket trä, medan de vuxna skalbaggarna kan äta dynga, blad, frukt, blommor eller sockerhaltiga vätskor som savflöden eller bladlusdagg. För att hitta föda och äggläggningsplatser använder bladhorningar främst sitt luktsinne. Luktsinnet är också mycket viktigt när det gäller att finna en partner att para sig med. Hos bladhorningar och många andra insekter sker detta genom att det ena könet (oftast honorna) skickar ut särskilda lockdoftämnen, s k sexualferomoner, som leder parningslystna friare på rätt spår.



I min avhandling har jag arbetat med tre arter bladhorningar, som alla är växtätare som vuxna. De har inga egentliga svenska namn, men jag anger det latinska namnet följt av ett namn anpassat från svenska släktingar. Två av arterna (Anomala cuprea- kopparglansborre, och Phyllopertha diversa-japansk trädgårdsborre), är japanska och äter blommor och gröna blad, medan en tredje (Pachnoda marginata-kongoguldbagge eller gulbrun guldbagge) är från centrala Afrika och äter främst blommor och rutten frukt. Alla arterna är polyfaga, vilket betyder att de äter av många olika slags växter.



Frågeställningarna jag har sysslat med gäller dels vilka doftämnen dessa polyfaga bladhorningar använder för att hitta föda. Alla växter avger många olika doftämnen, varav väldigt få är typiska för vissa växter. De flesta doftämnen avges från många olika typer av växter, inte bara sådana som duger till föda. Frågan är hur dessa skalbaggar använder doftämnen från så många olika typer av växter för att hitta rätt föda.



En annan fråga gäller hur deras doftsinne kan känna igen specifika doftämnen och meddela denna information till hjärnan. Hos de flesta flercelliga djur, inklusive insekter och ryggradsdjur (alltifrån fiskar till däggdjur), fungerar doftsinnet på liknande sätt. Doftmolekyler i luften (eller vatten om det är fiskar) uppfattas av specifika doftsinnesceller (nervceller) som hos oss däggdjur sitter i nässlemhinnan och hos insekter huvudsakligen på antennerna (insekternas motsvarighet till vår näsa). Däggdjur har cirka 1000 olika typer av doftsinnesceller medan olika insekter vanligtvis har mellan 40 och 200. Sinnescellerna skickar doftinformationen som nervsignaler (elektriska impulser) till hjärnans primära doftcentra, varav det finns ett i varje hjärnhalva och som hos insekter kallas antennlober och hos ryggradsdjur för luktbulber.



Man vet tämligen väl att insekter registrerar information om feromonämnen genom att ha särskilda doftsinnesceller, där varje typ känner igen ett enskilt feromonämne. Det är inte helt klart hur det fungerar med mer generella dofter, från växter eller äggläggningsplatser, som ju omfattar flera tusen tänkbara doftämnen. Ett alternativ till att ha en typ av doftsinnesceller för varje doftämne vore att varje typ registrerar många typer av doftmolekyler. Hjärnan skulle då behöva jämföra den samlade informationen från många olika typer av doftsinnesceller för att avgöra vilken doft det är fråga om. Det mesta tyder på att däggdjur använder denna mekanism för att identifiera de flesta dofter. Vad gäller insekter finns det resultat som pekar åt båda hållen.



Mina resultat tyder i sammanfattning på att växtätande bladhorningsskalbagar använder en födosökstaktik som går ut på att identifiera ett fåtal nyckeldofter som med stor sannolikhet betyder föda, var de än förekommer. Vissa av dessa dofter är tillräckligt informativa för att på egen hand signalera föda, medan andra kan fungera i specifika kombinationer. För att detta ska fungera har skalbaggarnas doftsinne specialiserats för att hantera dessa specifika dofter. Varje enskilt doftämne registreras av en specifik neurontyp, som skickar information till hjärnans doftcentrum. Antennloben, skalbaggarnas doftcentrum, fungerar som ett filter som bara släpper vidare relevant information till högre "intelligenscentra" i hjärnan, och sorterar bort doftinformation som inte förekommer i rätt sammanhang.



Jag har bland annat studerat hur doftsinnesceller på antennerna hos de tre bladhorningarna registrerar olika doftämnen. Genom att föra in mikroelektroder i antennen kan man mäta hur starkt enskilda sinnesceller svarar med elektriska impulser när man puffar olika dofter över antennen. På de olika arterna har jag testat flera typer av feromonämnen, blomdofter, fruktdofter och mer generella ämnen, lite olika beroende på art. Mina resultat från alla tre arterna visade att alla doftsinnescellerna oftast kunde delas in i väldigt specifika typer beroende på vilket eller vilka ämnen de svarar på. Förutom specifika feromonsinnesceller, visade sig de flesta andra doftsinnescellerna också svara på bara ett enda, eller några få ämnen med mycket likartad molekylstruktur. Detta tyder på att varje typ av doftsinnesceller utgör en egen "input-kanal" för specifik information.



Med hjälp av att utnyttja enskilda doftsinnesceller som detektorer, har jag också kunnat identifiera specifika ämnen i ett tjugotal vanliga frukter som den fruktätande kongoguldbaggen (P. marginata) utnyttjar för att finna föda. Små portioner av extrakt från varje frukt separerades i en gaskromatograf. En gaskromatograf fungerar ungefär som en avancerad destillationsapparat, som delar upp de enskilda ämnena i ett extrakt och portionerar ut dem ett i taget. Genom att blåsa varje ämne som kommer ut ur gaskromatografen över en insektsantenn, medan man mäter svaren från enskilda doftsinnesceller, kan man avgöra vilka ämnen i extraktet som antennerna kan uppfatta. Jag kompletterade också med att stimulera med syntetiska dofter som hade visat sig attraktiva för olika växtätande bladhorningsskalbaggar i andra undersökningar. Bland ca tusen eller fler ämnen som fanns i fruktextrakten, var endast ca 50 ämnen elektrofysiologiskt aktiva, dvs registrerades av doftsinnesceller som fanns på kongoguldbaggens antenner. Dessa doftsinnesceller kunde delas in i ett trettiotal olika typer som var och en bara svarade på ett eller några få liknande ämnen. Ämnen som var elektrofysiologiskt aktiva omfattade bland annat väldigt allmänna växtdoftämnen, såväl som specifika blom- och fruktämnen och några ämnen mer typiska för ruttnande organiskt material.



För att kontrollera vilken betydelse de elektrofysiologiskt aktiva ämnena hade för skalbaggarnas födosök med hjälp av dofter, så testade jag också hur 35 av de ämnen som registrerades av doftsinnesceller attraherade kongoguldbaggar. Av dessa doftämnen visade sig 17 attrahera skalbaggarna när de presenterades var för sig. Dessa ämnen var ofta precis desamma som visat sig attrahera andra arter av växtätande bladhorningar över hela världen, och de var alla sådana som med stor sannolikhet skulle kunna visa vägen till föda. Ämnen som mer generellt förekommer i många olika slags växter var inte attraktiva. Experiment med blandningar av olika doftämnen visade också att ämnen som inte var attraktiva på egen hand kunde attrahera skalbaggarna om de förenades till en doftblandning.



Jag har också studerat hur det primära doftcentrat eller antennloben är konstruerad i hjärnan hos kongoguldbaggen. Med hjälp av metoder liknande dem som användes för att studera doftsinnesceller på antennen, har jag studerat hur nervceller i kongoguldbaggens antennlob tar emot doftinformation från antennen och behandlar informationen innan den skickas vidare till "intelligenscentra" i skalbaggarnas hjärnor. Bladhorningsskalbaggarnas doftcentra visade sig se ut som hos de flesta andra insekter (och även delvis hos däggdjur), med en typ av nervceller som jämför information från flera olika informationskanaler och en annan typ som skickar den behandlade informationen vidare till andra centra i hjärnan.



Det mest intressanta var att antennloben främst verkar behandla information om attraktiva dofter, medan annan information om mer generella dofter knappt gav någon respons alls från antennlobens nervceller. Genom mätningarna på antennen vet vi att information om vissa generella dofter registreras och skickas till antennloben, men denna information verkar sedan inte skickas vidare i någon större utsträckning. Sådana dofter innehåller troligen inte tillräckligt med information för att vara intressanta för skalbaggarna, utan precis som beteendestudierna visade blir de intressanta (och skickas vidare) först när informationen från flera "input"-kanaler kombineras.