U studiji objavljenoj u časopisu Cell, tim istraživača sa Instituta Maks Plank za hemijsku ekologiju u Jeni, Nemačka, po prvi put opisuje kako se mirisi kodiraju u antenskom režnju, olfaktornom centru u mozgu migratornih skakavaca.
Koristeći transgene skakavce i tehnike snimanja, istraživači su uspeli da pokažu prstenastu predstavu mirisa u mozgu. Obrazac olfaktornog kodiranja u antenskom režnju je isti u svim fazama razvoja skakavaca. Bolje razumevanje mirisnog kodiranja u mozgu skakavaca trebalo bi da pomogne da se sazna više o tome kako se kontroliše ponašanje ovih insekata, posebno njihovo rojenje.
Migratorni skakavac Locusta migratoria je ekonomski važna štetočina useva za koju se kaže da je u Egipat došla u Starom zavetu kao osma od deset biblijskih zala, „da bi progutala sve te biljke koje rastu“.
Migratorni skakavac se retko sreće u Evropi, ali u Africi i Aziji ne samo da nanosi štetu vrednu milione dolara, već ima i smrtonosni uticaj na lokalno stanovništvo, ugrožavajući njihovu hranu i samu egzistenciju. Skakavci se javljaju u dve faze: kao usamljene životinje i u rojevima. Insekata se najviše plaši kada se pojave u velikim rojevima i unište čitave žetve.
Migratorni skakavci se razlikuju od drugih insekata po anatomskoj strukturi svog mirisnog mozga, antenskog režnja, koji prima i obrađuje mirisne informacije iz antene. Antenski režanj skakavca ima jedinstvenu i nekonvencionalnu neuronsku arhitekturu sa više od 2.000 sfernih funkcionalnih mirisnih jedinica, glomerula, dok većina drugih insekata ima samo između 20 i 300 glomerula u antenskom režnju.
Naučnike sa Instituta Maks Plank za hemijsku ekologiju zanima kako insekti percipiraju mirise i kako ih obrađuju u svom mozgu. Pre svega, međutim, žele da znaju kako percepcija mirisa utiče na njihovo ponašanje.
„Naš cilj je bio da rešimo dugogodišnju zagonetku o tome kako su mirisi kodirani u izuzetno velikoj populaciji glomerula, strukturnih i funkcionalnih jedinica u antenskom režnju migratornih skakavaca. Ova veoma složena arhitektura antenskog režnja skakavca primećena je za decenijama, ali osnovni mehanizmi kodiranja mirisa ostali su misterija zbog nedostatka odgovarajućih metoda“, kaže Ksingcong Jiang, prvi autor studije.
Uvođenje metode CRISPR/Cas9 predstavljalo je metodološki iskorak za istraživače, jer je omogućilo uspostavljanje prvih transgenih migratornih skakavaca koji eksprimiraju genetski kodirani kalcijum senzor GCaMP u olfaktornim senzornim neuronima. GCaMP je protein koji fluorescira kada vezuje kalcijum, koji se oslobađa u ćelije kada su aktivne.
Koristeći funkcionalno 2-fotonsko snimanje kalcijuma, naučnici su bili u mogućnosti da izmere i mapiraju obrasce prostorne aktivacije za širok spektar ekološki relevantnih mirisa u svih šest razvojnih faza migratornog skakavca.
„Naši rezultati otkrivaju neobičnu funkcionalnu prstenastu organizaciju antenskog režnja koja se sastoji od specifičnih glomerularnih klastera. Ovaj glomerularni aranžman, koji možemo potvrditi ciljanom genetskom ekspresijom dobro okarakterisanog olfaktornog receptora, prisutan je tokom razvoja i obrazac olfaktorno kodiranje unutar glomerularne populacije je konzistentno u svim razvojnim fazama, od prve faze nimfe do odraslog skakavca“, rezimira Silke Sachse, šef istraživačke grupe za olfaktorno kodiranje na Institutu Maks Plank, jedan od vođa studije.
Migratorni skakavac nije uzoran organizam kao sirćetna muva Drosophila melanogaster. Transformacija gena je stoga bila veliki izazov za istraživače. Mnogi parametri se moraju proučiti, što proces čini veoma dugotrajnim. Neobično veliki volumen mozga skakavca takođe otežava snimanje i analizu podataka o slici.
„Mi smo prva grupa na svetu koja je uspešno primenila metod ukucavanja specifičnih za lokaciju na skakavce. Iz literature znamo da je stopa uspeha za ovu vrstu transgeneze veoma niska, ali smo uspeli“, kaže Ksingcong Jiang. .
Zanimljivo je da prostorno kodiranje mirisa u antenskom režnju skakavaca odražava hemijsku strukturu mirisa, a ne njihovu valencu – bilo prijatnu ili odbojnu – za razliku od muva, na primer, gde je valencija mirisa već predstavljena u antenskom režnju, sa prijatni mirisi koji aktiviraju različite strukture od neprijatnih.
„Uočili smo da mirisi određenih hemijskih klasa izazivaju određeni obrazac: na primer, aromatična jedinjenja sa sličnom hemijskom strukturom, ali suprotnim značajem u ponašanju izazivaju jače odgovore u perifernim regionima antenskog režnja. Zaključujemo da reprezentacija valencije mirisa nije kodirani u antenskom režnju, ali u višim moždanim centrima kao što su telo pečurke i bočni rog“, kaže Bil Hanson, direktor Odeljenja za evolucionu neuroetologiju i jedan od vodećih autora.
Prstenasta struktura mirisnog koda je jedinstvena anatomska karakteristika migratornog skakavca. Međutim, ovaj mehanizam kodiranja nije nužno prenosiv na druge vrste skakavaca.
„Pitamo se da li je ova struktura u obliku prstena lošija alternativa ili bolje rešenje sa prednostima u odnosu na glomerularni raspored koji smo pronašli kod muva. Buduće studije koje istražuju pravila kodiranja mirisa kod drugih vrsta insekata pokazaće da li su i druge vrste skakavaca razvile sličan obrazac kodiranja“, kaže Silke Sachse, koja već ima na umu dalje studije.
Kako insekti percipiraju i obrađuju mirise i kako percepcija mirisa na kraju utiče na njihovo ponašanje važno je za dublje razumevanje ekoloških interakcija insekata sa njihovom okolinom. Ovo može, na primer, pomoći da se optimizuje kontrola štetočina useva kao što su migratorni skakavci.
„Verujemo da će bolje razumevanje mehanizama kodiranja mirisa u primarnom olfaktornom centru mozga skakavaca značajno produbiti naše znanje o neuronskoj modulaciji koja leži u osnovi ponašanja posredovanih mirisom, kao što je formiranje rojeva skakavaca“, kaže Bil Hanson.
