Photorezeption und circadiane Regulation der Kutikulabildung bei Insekten

Übersicht

Das Exoskelett der Insekten besteht aus Kutikula, einem komplex aufgebauten biologischen Verbundmaterial, das vielfältige Funktionen erfüllt. Die außergewöhnlichen Eigenschaften von Kutikula beruhen auf der hierarchischen Organisation von Chitinfasern und Proteinen, die in feinen Schichten angeordnet sind. In den Exoskeletten von vielen Insektenarten sind dabei regelmäßig wechselnde Schichten zu erkennen, die durch tageszeitabhängige Unterschiede in der Kutikulabildung hervorgerufen werden. Frühere Untersuchungen an Heuschrecken zeigen, dass dieser Prozess durch eine circadiane Uhr gesteuert wird, die ihrerseits auf Lichtreize reagiert. Bemerkenswerterweise befindet sich der dafür verantwortliche photorezeptive Sensor in der Epidermis selbst. Das geplante Forschungsvorhaben untersucht erstmals systematisch, wie weit verbreitet diese circadian gesteuerte und lokal lichtsensitive Kutikuladeposition im Insektenreich ist und welche molekularen Mechanismen ihr zugrunde liegen. Es verfolgt drei zentrale Fragestellungen: 1. Ist die lichtinduzierte Ausrichtung der Chitinfasern ein universelles Merkmal der Insekten oder eine abgeleitete Besonderheit einzelner Taxa? 2. Wie unterscheidet sich die circadiane Kontrolle der Kutikulabildung zwischen verschiedenen Insektengruppen, und in welchem Maße reagieren diese auf unterschiedliche Lichtintensitäten und -spektren? 3. Welche molekularen Signalwege und photorezeptiven Proteine sind in der Epidermis von Heuschrecken an der lokalen Lichtwahrnehmung und der circadianen Regulation der Kutikulasynthese beteiligt? Zur Beantwortung dieser Fragen werden ausgewählte Insektenarten unter definierten Licht- und Temperaturbedingungen gehalten. Mittels Polarisations- und Elektronenmikroskopie wird die mikroskopische Organisation und periodische Schichtung der Kutikula analysiert. Ergänzend werden molekularbiologische Analysen (RT-qPCR) durchgeführt, um die licht- und tageszeitabhängige Expression von Genen zu quantifizieren, die an circadianen Regelkreisen und photorezeptiven Prozessen beteiligt sind. Das Projekt verbindet vergleichende Morphologie, Physiologie und Molekularbiologie und schafft damit eine neue Grundlage für das Verständnis, wie Lichtwahrnehmung, circadiane Zeitsteuerung und Biomaterialbildung im Insektenexoskelett miteinander verknüpft sind. Die Ergebnisse werden grundlegende Einblicke in die Evolution peripherer circadianer Systeme liefern und die physiologischen Prinzipien der Kutikulabildung als Beispiel adaptiver, lichtgesteuerter Biomaterialbildung beleuchten.