Световой микроскоп выявил ключевые процессы развития мучного жука

Исследователи из Кёльнского университета впервые смогли наблюдать амниотический мешок у насекомых. Объектом изучения стал мучной жук (Tribolium castaneum) — вредитель запасов зерна по всему миру.

На примере этого жука биологи представили новую модель для изучения динамического развития животных тканей. Впервые для исследования мучного жука в университете был применён высокотехнологичный световой флуоресцентный микроскоп (light sheet fluorescence microscope).

На ранних стадиях развития вокруг эмбриона формируется защитный мешок, заполненный жидкостью. У людей этот мешок разрывается при рождении, но у насекомых он разрывается задолго до вылупления. Этот ранний разрыв важен для нормального развития: если мешок остаётся целым слишком долго, спина насекомого не закроется правильно.

Эпителиальная ткань мешка у мучного жука состоит из двух слоёв: внутреннего амниона и наружной серозы. Ранее было сложно изучать амнион в процессе развития эмбриона, так как его трудно отличить от серозы. Теперь команда использовала генетически модифицированных жуков, клетки амниона которых производят флуоресцентный белок, видимый под микроскопом. Это позволило наблюдать амнион у живых особей в ходе эмбриогенеза.

Наблюдения позволили опровергнуть модель структуры этих тканей, разработанную одиннадцать лет назад. Биологи показали, что два слоя являются отдельными, но сходятся в различных точках в ходе развития животного. Результаты исследования опубликованы в журнале eLife (dx.doi.org/10.7554/eLife.13834).

Взаимодействие тканей при разрыве

Взаимодействие двух слоёв ткани во время разрыва мешка особенно важно для дальнейшего развития насекомого. Наблюдение за этим процессом стало возможным благодаря световому микроскопу. Его высокое разрешение и скорость позволили увидеть разрыв мешка. «Небольшое отверстие в внезародышевой ткани затем быстро расширяется, чтобы высвободить эмбрион», — говорит руководитель исследования доктор Кристен Панфилио.

Исследователи также показали, что клетки в части амниона рядом с головой эмбриона жука имеют особую форму перед разрывом мешка. «Первым разрывается именно этот регион амниона, а сероза разрывается через несколько минут. После разрыва оба слоя оттягиваются от эмбриона, как наволочка, выворачивающаяся наизнанку при снятии с подушки», — объясняет доктор Мартен Хилбрант из исследовательской группы.

У нормальных жуков этот процесс происходит быстро и сдавливает брюшко эмбриона. Но у жуков, генетически лишённых серозы, процесс идёт медленнее, потому что один амнион недостаточно силён, чтобы сдавить эмбрион.

«Две ткани должны работать вместе. Эксперименты показывают, что амнион инициирует разрыв защитного мешка эмбриона жука, а сероза обеспечивает процесс его "отшелушивания"», — заключает Панфилио.

Дальнейшие исследования будут изучать механику, лежащую в основе ролей двух тканей, а также схожее поведение амниона и серозы у других родственных видов насекомых.

Исследование финансировалось программой Эмми Нётер Немецкого исследовательского фонда (DFG) при поддержке Коллаборативных исследовательских центров CRC 572 и CRC 680.