Transfer and Distribution of Cantharidin within Selected Members of Blister Beetles (Coleoptera: Meloidae) and Its Probable Importance in Sexual Behaviour

Transfer und Verteilung von Cantharidin bei ausgewählten Vertretern der Ölkäfer (Coleoptera: Meloidae) und seine Bedeutung für das Sexualverhalten

Cantharidin (C10H12O4) is a repellent against a wide variety of predators and is known to be produced by blister beetles (Coleoptera: Meloidae) and oedemerid beetles (Col: Oedemeridae) where it is found in hemolymph and various tissues. Males of blister beetles transfer large pockets of cantharidin along with sperm to the female during copulation. Cantharidin movement through different parts of male and female genitalia was surveyed to get a better time sequence of the pharmacodynamic of this coCantharidin (C10H12O4) is a repellent against a wide variety of predators and is known to be produced by blister beetles (Coleoptera: Meloidae) and oedemerid beetles (Col: Oedemeridae) where it is found in hemolymph and various tissues. Males of blister beetles transfer large pockets of cantharidin along with sperm to the female during copulation. Cantharidin movement through different parts of male and female genitalia was surveyed to get a better time sequence of the pharmacodynamic of this compound. Since cantharidin titre in meloid beetles highly depends on the age, sex and mating record of the individuals, deuterated cantharidin (D2C) was introduced into meloids’ body by injection, mixed with artificial diet or floating the beetles’ internal organs in Ringer and D2C solution. All samples were analysed by GC-MS, but because of the approximate coelution of cantharidin and D2C, their exact measurement via normal MS seemed to be very difficult. Therefore, MRM (Multiple Reaction Monitoring) method for cantharidin/D2C separation and independent quantitation was developed for the first time. Cantharidin pharmacodynamic in male of studied species could be quite different over a period of time. As the accessory glands absorb high amount of D2C in short term, they will eventually accumulate less amount than the testis. Confirming the previous studies, it has been concluded that post-farnesyl steps in the cantharidin pathway may occur entirely in the male’s body outside the reproductive system but the ultimate product is transported into male internal genitalia via membrane of the accessory glands which should be permeable to the chemical. It transfers afterwards to epididimis and the vas deferens in higher volume comparing to the other organs of the male genitalia and finally absorbed by the testis. In females, cantharidin is first absorbed by spermatophoral receptacle in high volume while at the same time goes through ovary and is distributed upon eggs; by the way the up-taken volume by ovaries remains considerably lower than the receptacle. By time these two organs stopped accumulating of cantharidin, whereas the bursa copulatrix starts incorporating the gift actively. This reserved amount should be mainly supplied by the receptacle and ovaries directly, so that the internal way of the terpene transfer remains as the main transport way. Analysis of the eggs laid by D2C injected females of Hycleus polymorphus demonstrated that the marker has been transferred from female to the eggs. It was found that D2C had been also incorporated into the triungulin larvae; however the titre decreased significantly from egg to larva. There is a good correlation between density of cuticular pores and the cantharidin/D2C level of the scape and pedicel antennomeres of the male specimens of Cyaneolytta sp. Light microscopy of semi thin cross sections of male scape and pedicel indicates that there are plenty of canal shape structures which have been stretched from the antennal hemolymph to the antennomere surface where cuticular pores situated. These structures can be uni- or multicellular tubules which bring the circulating cantharidin of hemolymph into the surface where later on released via the opening of cuticular pores. Tracing the head capsule and antennal segments of those Cyaneolytta females which were injected by D2C shows that the marker is found mostly in the two first antennal segments. Similarly, a higher concentration of the cuticular pores was also observed on the scape and pedicel. Tubular cells or any other carrying structures such as tyloids were found neither in cross sectioning of female antennomeres nor on integument surface. We suppose a natural system has been evolved in females of genus Cyaneolytta which let them select males with abundant reservoir of cantharidin prior to any mating behaviour. Males and females have antennation during which males antennomeres as well as cantharidin containing pores which are located on the 1st and 2nd antennomeres come into direct contact with the female antennae and thus release cantharidin on its surface. So, the porous area of male antennae can be considered as cantharidin release structures (CRS). In contrast, female porous area of antennae is apparently regarded as multiporous gustatory sensillae (MGS) which means a chemoreceptor to recognize the cantharidin titre of male sexual partner. We hereby refer to cantharidin as a precopulatory sex pheromone and support the idea who suggests cantharidin role in close range sexual selection.show moreshow less
Cantharidin (C10H12O4) ist ein Abwehrstoff gegen eine große Zahl von Prädatoren und wird von Ölkäfern und Schenkelböcken (Coleoptera: Meloidae, Oedemeridae) produziert, wo er in der Hämolymphe und in verschiedenen Geweben zu finden ist. Die Männchen der Ölkäfer übertragen während der Kopulation zusammen mit dem Sperma große Cantharidinmengen auf die Weibchen. Die Verbreitung des Cantharidins in unterschiedlichen Kompartimenten der männlichen und weiblichen Geschlechtsorgane wurde untersucht, um Cantharidin (C10H12O4) ist ein Abwehrstoff gegen eine große Zahl von Prädatoren und wird von Ölkäfern und Schenkelböcken (Coleoptera: Meloidae, Oedemeridae) produziert, wo er in der Hämolymphe und in verschiedenen Geweben zu finden ist. Die Männchen der Ölkäfer übertragen während der Kopulation zusammen mit dem Sperma große Cantharidinmengen auf die Weibchen. Die Verbreitung des Cantharidins in unterschiedlichen Kompartimenten der männlichen und weiblichen Geschlechtsorgane wurde untersucht, um die zeitliche Verteilung der Verbindung aufzuklären. Da der Cantharidintiter bei Ölkäfern in hohem Grade von Alter, Geschlecht und Kopulationsverhalten der Individuen abhängt, wurde deuteriertes Cantharidin (D2C) in den Körper der Ölkäfer durch Injektion, durch Fütterung mit D2C-haltigem künstlichem Futter oder das Überführen der inneren Organe der Käfer in D2C-haltige Ringer-Lösung eingeschleust. Alle Proben wurden mittels GC/MS analysiert, was wegen der nahezu gleichen Retentionszeit von Cantharidin und D2C, sehr schwierig ist. Daher wurde erstmals eine MRM- (Multiple Reaction Monitoring) -Methode zur Trennung und unabhängigen quantitativen Bestimmung von Cantharidin und D2C entwickelt. Die Cantharidinverteilung in Männchen der untersuchten Arten war stark zeitabhängig. Obwohl die Anhangsdrüsen zunächst große Mengen an D2C absorbierten, akkumulierten sie schließlich geringere Mengen als die Hoden. Im Einklang mit früheren Arbeiten nehmen wir an, dass die Cantharidin-Biosynthese aus der Farnesyl-Vorstufe vollständig außerhalb der Geschlechtsorgane des Männchens abläuft und das endgültige Produkt über cantharidinpermeable Membranen der Anhangsdrüsen in die männlichen Geschlechtsorgane gelangt. Es wandert anschließend hauptsächlich in Nebenhoden und Vas deferens und wird schließlich durch die Hoden absorbiert. Bei den Weibchen wird Cantharidin zunächst in großen Mengen im Receptaculum seminis akkumuliert, wandert aber gleichzeitig in das Ovar und verteilt sich in den Eiern, wobei das aufgenommene Volumen in den Ovarien deutlich geringer bleibt als im Receptaculum. Mit der Zeit beenden diese beiden Organe die Cantharidinaufnahme, während die Bursa copulatrix die Substanz aktiv aufzunehmen beginnt. Die aufgenommene Menge dürfte hauptsächlich von Receptaculum und Ovar kommen, so dass auch im weiblichen Geschlechtstrakt der interne Transportweg die entscheidende Rolle spielt. Die Analyse der Eier von Hycleus polymorhus-Weibchen, denen D2C injiziert wurde, zeigte einen Transfer des Markers vom Weibchen auf die Eier. Nach dem Schlupf der Larven wurden auch diese auf D2C untersucht, wobei ebenfalls ein Transfer auf die Triungulus-Larven (L1) nachgewiesen wurde, wenngleich der Titer vom Ei zur Larve signifikant sinkt. Es existiert ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen der Zahl cuticulärer Poren und der gemessenen Cantharidin-/D2C-Menge in den basalen Antennengliedern Scapus und Pedicellus bei den Männchen der ostafrikanischen Ölkäferart Cyaneolytta sp. Lichtmikroskopische Untersuchungen von Dünnschnitten des männlichen Scapus und Pedicellus zeigen eine Fülle kanalartiger Strukturen, die sich von der Hämolymphe bis zur Antennenoberfläche erstrecken, wo sich die Poren befinden. Die gefundenen Strukturen könnten ein- oder mehrzellige Tubuli sein, die das in der Hämolymphe zirkulierende Cantharidin zur Antennenoberfläche befördern, wo es später über die Cuticularporen freigesetzt wird. Untersuchungen der Kopfkapsel und Antennen von Cyaneolytta-Weibchen, denen D2C injiziert wurde, zeigen, dass der Marker hauptsächlich in den ersten beiden Antennensegmenten gefunden wird. Auch bei den Weibchen wurde dort eine erhöhte Konzentration cuticulärer Poren beobachtet. Daher erscheint ein Zusammenhang zwischen Cantharidin und den Cuticularporen plausibel. Es wurden keine tubulären Zellen oder andere Transportstrukturen wie Tyloide in den Querschnitten der weiblichen Antennenglieder oder auf der Oberfläche des Integuments gefunden. Wir vermuten, dass sich in der Gattung Cyaneolytta ein System entwickelt hat, in dem Weibchen vor der Kopulation solche Männchen auswählen, die große Cantharidinmengen aufweisen. Männchen und Weibchen haben Antennenkontakt, wodurch die cantharidinhaltigen Poren von Scapus und Pedicellus in direkten Kontakt mit den weiblichen Antennen kommen und Cantharidin an der Oberfläche freisetzen. Somit können die Poren als Cantharidin freisetzende Strukturen (CFS) bezeichnet werden. Dementsprechend kann die gleiche Region auf der weiblichen Antenne als Multiporöse gustatorische Sensille (MGS) bezeichnet werden, die einen Chemorezeptor zur Wahrnehmung des Cantharidintiters beim männlichen Geschlechtspartner darstellt. Dabei betrachten wir Cantharidin als präkopulatorisches Sexualpheromon, das eine Rolle bei der sexuellen Selektion im Nahbereich spielt.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Mahmood Reza Nikbakhtzadeh
Advisor:Prof. Dr. Konrad Dettner
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:15.12.2004
Year of Completion:2004
SWD-Keyword:Cantharidin; Pharmakodynamik; Sexuelle Selektion; Ölkäfer <Familie>
Tag:Innerartlicher Transfer; Meloidae
Cantharidin; Meloidae; intraspecific transfer; pharmacodynamics; sexual selection
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-1417
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):21.04.2005