Estudo ultrastrutural dos sistemas sensorial e glandular de Phoracantha semipunctata Fab. (Coleoptera: cerambycidae) implicados na comunicação química

Abstract

No contexto da comunicação química dos insectos as feromonas e cairomonas são substâncias que assumem um papel condicionante do seu comportamento. A atracção sexual e a agregação de conspecíficos, por um lado, e a localização e selecção do hospedeiro, por outro, são fenómenos mediados, respectivamente, por aquele tipo de substâncias. Phoracantha semipunctata é um insecto xilófago, nativo da Austrália, que tem como hospedeiros preferenciais diversas espécies do género Eucalyptus. Este insecto foi introduzido em Portugal, tendo-se constituído numa importante praga de plantações de eucalipto, especialmente nas regiões sul e centro-sul do país. Estudos electrofisiológicos previamente realizados demonstraram a presença de neurorreceptores olfactivos antenares sensíveis a compostos das misturas voláteis de espécies hospedeiras e não hospedeiras. Por sua vez, estudos comportamentais evidenciaram a importância do odor de E. globulus no comportamento de vôo de P. semipunctata, enquanto, no plano das relações intraspecíficas, os estudos comportamentais realizados sugeriram a possibilidade das antenas assumirem um papel interveniente no processo de pesquisa e reconhecimento de conspecíficos. A hipótese de uma mediação química intraspecífica foi, neste contexto, também admitida, em resultado da observação comportamental de tacteamento, via palpos maxilares e labiais, do protórax da fêmea pelo macho. Partindo dos pressupostos comportamentais e electrofisiológicos referidos, o presente trabalho estabeleceu como objectivos fundamentais caracterizar os aspectos morfológico-funcionais do sistema quimiorreceptor e glandular de P. semipunctata. Um conhecimento que visa contribuir para uma compreensão integrada dos mecanismos inerentes à quimiorrecepção e produção glandular de P. semipunctata, tendo por referência as relações interspecíficas (insecto/árvore-hospedeira) e intraspecíficas (insecto/insecto), na perspectiva de apuramento de uma possível estratégia de controlo integrado de populações de P. semipunctata. Deste modo, a presente tese compreende quatro aspectos fundamentais. Assim, o primeiro aspecto relaciona-se com o estudo ultrastrutural do sistema quimiorreceptor antenar. O seu objectivo consiste em identificar e caracterizar os diferentes tipos de sensilas quimiorreceptoras do flagelo antenar potencialmente implicados na detecção de compostos das misturas voláteis de espécies hospedeiras e não hospedeiras de P. semipunctata. Na sequência das investigações empreendidas foram identificados quatro tipos de sensilas quimiorreceptoras antenares: as sensilas basicónicas de tipo I; as s. basicónicas de tipo II; as s. basicónicas de parede estriada; e as s. tricóides. As sensilas basicónicas no seu conjunto revelam um conjunto de características estruturais típicas de sensilas olfactivas, enquanto as sensilas tricóides se identificam com as sensilas de função bimodal: mecano-quimiorreceptoras de contacto. As sensilas basicónicas dos tipos I e II podem distinguir-se entre si pela sua dimensão e morfologia. Assim, as sensilas basicónicas de tipo I possuem uma maior dimensão e uma estrutura cuticular de extremidade mais afilada do que as de tipo II. Ambos os tipos de sensilas basicónicas distribuem-se primordialmente ao longo da margem anterior do flagelo antenar. As sensilas basicónicas de tipo II têm a particularidade de formarem aglomerados ou "ninhos" na secção apical dos segmentos flagelares basais e medianos. As sensilas basicónicas dos tipos I e II apresentam uma parede cuticular fina e multiporosa. Associado a cada poro identifica-se um sistema de pore-tubules. A sua base de inserção é de tipo não articulado. As sensilas basicónicas de tipo I são constituídas por uma célula neurorreceptora, enquanto as de tipo II apresentam duas células neurorreceptoras. Em ambos os tipos sensilares observa-se a presença de ramificações dendríticas no lúmen da respectiva estrutura cuticular. As sensilas basicónicas de parede estriada, por sua vez, inserem-se numa pequena cúpula cuticular, sendo a sua base de inserção de tipo não articulado. A estrutura cuticular é de reduzida dimensão, com um diâmetro decrescente para a extremidade apical. Uma das características deste tipo de sensilas basicónicas consiste na textura estriada da estrutura cuticular. Em secção transversal, identifica-se a existência de uma dupla parede cuticular e de canais radiais atravessando a superficie da estrutura cuticular. Este tipo de sensilas basicónicas é constituído por quatro a cinco células neurorreceptoras. As suas terminações dendríticas aparecem envoltas numa bainha cuticular, projectando-se através do lúmen sensilar da estrutura cuticular sem se ramificarem. As sensilas basicónicas de parede estriada são em reduzido número e têm uma distribuição irregular e dispersa. As sensilas tricóides, por seu lado, caracterizam-se pela conspícua e variável dimensão e configuração sigmóide da sua estrutura cuticular. A parede cuticular é espessa e uniporosa apicalmente. A sua base de inserção é de tipo articulado. Este tipo de sensilas constituído por seis a sete células neurorreceptoras. Uma das terminações dendríticas das células neurorreceptoras termina junto à base de inserção da estrutura cuticular, formando o corpo tubular típico dos dendritos mecanorreceptores. Os restantes dendritos, quimiorreceptores, prolongam-se através do lúmen da estrutura cuticular envoltos numa bainha cuticular. Tal como nas sensilas basicónicas de parede estriada, os dendritos das sensilas tricóides não sofrem qualquer processo de ramificação. Estudos electrofisiológicos demonstraram que as células neurorrecepotras das sensilas basicónicas dos tipos I e II são sensíveis a compostos das misturas voláteis de espécies hospedeiras e não hospedeiras. Algumas das células neurorreceptoras demonstraram ser específicas na detecção de determinado(s) composto(s). O segundo aspecto investigado nesta tese, relaciona-se com o padrão de distribuição numérica dos principais tipos de sensilas do flagelo antenar, tendo por base a identificação de um duplo (comprimento e região glabra) dimorfismo sexual antenar. Um estudo que envolve cinco dos nove segmentos do flagelo antenar e em que se definem, em cada face (dorsal e ventral) dos mesmos, três áreas (basal, mediana e distai) de quantificação. Os resultados obtidos sugerem a existência de um dimorfismo sexual quantitativo das sensilas basicónicas (tipos I+II) da região distai do segmento flagelar apical, com as fêmeas apresentando comparativamente aos machos um número superior de sensilas basicónicas. Admite-se que possa existir uma inter-relação entre a diferenciação de cariz sexual do padrão de distribuição das sensilas basicónicas e o dimorfismo sexual glabro. Tal diferenciação sexual quantitativa é equacionada em termos sensoriais e comportamentais, sendo relacionada com o processo de selecção de locais de oviposição, ou, porventura, com a detecção de uma eventual feromona. O terceiro aspecto em análise nesta tese é dedicado ao sistema glandular antenar, tendo por base a identificação do dimorfismo sexual da região glabra, no macho. Através deste estudo pondera-se a hipótese de produção de uma feromona masculina. As glândulas antenares identificadas são designadas diferentemente consoante a sua localização. A saber: "glândulas comuns, não anexas à região glabra" e "glândulas anexas à região glabra". Dois tipos de glândulas antenares se identificam: (i) as glândulas de tipo I, desprovidas de canalículo; e as (ii) glândulas de tipo III, caracterizadas por possuírem um canalículo. /ABSTRACT - Chemical signals emitted by insects and their hosts are detected by other insects. which depend on them for many aspects of their behaviour. Pheromones may elicit attraction or aggregation for mating and feeding, as well as other behaviours. Odours (kairomones) released by plants may facilitate host finding by insects. They can detect their conspecifics mate and/or host plant from some distance using olfactory cues to orient to it. Phoracantha semipunctata is a woodborer longhorned beetle, native to Australia. It is an introduced pest of eucalyptus in Portugal, mainly ias central and southern regions. Volatile compounds of Eucalyptus may influence host-finding behaviour of P. semipunctata. Previous electrophysiological studies have proven that components, of volatiles blends of host and non-host plants are detected by antennal sensilla. According mating behaviour studies in. P. semipunctata, antennae might be also involved in the detection or recognition of conspecifics. A possible sensorial/glandular relationship between palpi (maxillary and labial) and prothorax (pronto), respectively, is suggested. In order to understand the peripheral chemosensory mechanisms in P. semipunctata, as well as to establish a structure-function relationship of sensilla and glandular apparatus morphological studies were undertaken. The aim of the present work is to gain the necessary functional morphology of the antennal chemosensilla, maxillary/labial palpi chemoreceptors and antennal and prothoracic glands of P. semipunctata. These investigations should be considered as a step toward a fuller understanding of the chemosensory and glandular structures potentially involved in. P. semipunctata chemical communication. Therefore, four aspects are investigated in this thesis. The first one is an ultrastructural study of the antennal chemoreceptor system. The purpose of this study was to clarify the types and the distribution pattern of chemosensilla (chemoreceptors) on the antennal flagellum of P. semipunctata potentially involved in the host finding. This study follows previous electrophysiological and behavioural works. Four types of chemosensilla were identified: sensilla basiconica type I, s. basiconica type II, grooved basiconica sensilla and s. trichodea. Sensilla basiconica type-I and II were morphological and dimensionally different to each other. The type I was, long while the type II was stouter and more blunt-tipped. They are present on all flagellar segments, though generally preponderant on their anterior side. Clusters of sensilla basiconica type-II were identified in cuticular surface invaginations of the flagellum. The types-I and II of sensilla basiconica have a single thin-walled hair with many perforations widening into a small chamber, "pore kettle", and an inflexible socket. From the floor of each chamber, many pore tubules extend into the lumen of the sensillum. The type- I contain one sensory cell and the type-II has two sensory cells. Their dendrites pass into the inside lumen and the branching occurs. These both basiconica sensilla types have the internal structure typical of features of insect olfactory sensilla. Electrophysiological studies showed that receptor cells in the sensilla basiconica of type-I and II are tuned to the volatile compounds present in both host and non-host plants. Some of them were specialist neuroreceptors (responded to only one compound), other ones responded to two, three or four compounds, whereas others were sensitiva to compounds present only in one plant specie. The grooved basiconica sensilla without an articulated socket were inserted on a small dome. They are short and their diameter decreasing progressively from the base to the apex. The externai surface was smooth at the base, with grooves midway along the process which, toward the apical extremity, become digitations. The cross section of the grooved region indicated the existence of a double-walled and canals connecting the bottom of the grooves and inside lumen. Four or five sensory neurons were associated with this type of sensilla. A cuticular sheath surrounded the dendrites extended into the sensillum lumen. The sheath seemed to fuse with the proximal and of the sensillar cuticle. No branching of dendrites were observed. This type of sensilla basiconica was much scarcer than the other ones. Sensilla having both a similar external morphology and internal structure have been identified electrophysiologically as olfactory organs. Therefore, antennal grooved basiconica sensilla of P. semipunctata can be interpreted as olfactory organs. Sensilla trichodea were long and smooth sensilla with reverse curvature and an opening at a blunt tip, with protruding orientation over other sensilla. Their cuticle wall was thick. They are innervated is provided by six neurons. One of the dendrites terminated by a tubular body at the base of the external process, a morphology characteristic of mecanosensory neurons. The other five dendrites extend within the externai process without dividing, enclosed in a common sheath.-Sensilla trichodea have an internal structure typical of mechano- and contact chemoreceptors. A second aspect examined in this thesis is a possible sexual dimorphism with respect to the distribution pattern of antennal sensilla of P. semipunctata. Average counts of the main types of antennal sensilla were made. Three representative sectors (distal, middle, proximal) of equivalent area on the dorsal and ventral surfaces of five flagellar segments were defined. A statistically supportable sexual dimorphism in the distribution pattern of the basiconica sensilla was analysed. Females had a higher number of sensilla basiconica than males on the distal, region of the apical flagellar segment. It seems reasonable to correlate, this sexual dimorphism on distribution pattern of sensilla basiconica to the occurrence of a glabrous area on the male apical flagellar segment. Whether or not the greater number of olfactory sensilla contributes to a sexual behavioural difference is unknown. However, the hypothesis that this sexual dimorphism may play a role in characteristic female behaviours, such as the host finding after fecundating and/or the detection of an eventual pheromone emitted by male during courtship cannot be excluded. The antennal glandular system of P. semipunctata is the third aspect studied in this thesios. It is analysed from a sexual point of view, taking into account the sexual dimorphism related to the glabrous area on the male apical flagellar segment and the numeric distribution, of sensilla basiconica. A hypothesis of a male substance production/emission is discussed. Two types of antennal glands have been identified: (i) glands without ducts; and (ii) glands with secretory ducts. The glands located under the apical glabrous area were pointed out " glands of the glabrous area", and the others "common antennal glands". Glands without ducts appeared typically associated to the insertion base of antennal chaetica sensilla and sometimes with sensila basiconica type I. They consisted of a single glandular cell and a secretory apparatus located within the thickness of the cuticle formed from the endocuticle and epicuticle. The endocuticle is composed of a network of fine tubular structures. Minute pores perforate the epicuticle. Each glandular cell has a central reservoir, which is formed by the invagination of the apical plasme membrana. Glandular cell contains smooth endoplasmic reticulum, namely in the distal region of the cytoplasm, some rough endoplasmic reticulum, ribosomes, dictyosomes and vesicular bodies.