Untersuchungen zur Kopfmorphologie und Funktion der Mundwerkzeuge bei Insekten mittels Synchrotron-Röntgenstrahlung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Projektteil 1: Kopfmorphologie sporenfressender Staphylinoidea Aufbauend auf Synchrotron-Mikrotomographiedaten wurden Analysen der Kopfmuskulatur bei sporophagen und nicht-sporophagen Staphyliniden mit Schwerpunkt auf der Gruppe der Aleocharinae durchgeführt. Die Reduktion des M. 48 sowie identische Ursprungsstellen der Muskeln 1, 2, 17, 18 und 28 – 30 kennzeichnen die untersuchten Aleocharinae und stellen mögliche Autapomorphien dieser Gruppe dar. Der reduzierte Muskel 48 (M. tentoriobuccalis anterior) hat innerhalb der untersuchten Staphylinidae seine Insertionsstelle nach anterior verschoben und fungiert nun als Beweger des Hypopharynx. Sein Verlust bei den Aleocharinae wird vermutlich zumindest teilweise durch die labialen Retraktoren Mm. 28 – 30, deren Muskelansätze nach posterior auf die Gula verschoben sind, sowie durch die Arbeit des M. 41 (M. frontohypopharyngalis), der die Basis des Hypopharynx nach dorsal anhebt, kompensiert. In Bezug auf das Sporenfressen ist gerade die Beweglichkeit des Hypopharynx-Prämentum-Komplexes von entscheidender Bedeutung, da durch eine Höherverlagerung dieses Bereiches unter Erhalt der Beweglichkeit die dorsale Hypopharynxseite mit den Pseudomolae effizient interagieren kann. Beim Fehlen des M. 48 könnte es sich um eine Synapomorphie zumindest der “höheren“ Aleocharinae handeln. Die Auswertung der bislang unbearbeiteten Skelettstrukturen des Kopfes ergab, dass die tentorialen Strukturen weitestgehend mit dem Grundplan der Coleoptera übereinstimmen, wobei bei Aleocharinae jedoch die dorsalen Tentorialarme reduziert sind, was ebenfalls eine mögliche Autapomorphie dieser Gruppe darstellen könnte. In Bezug auf den Hypopharynx-Prämentum-Komplex kann vermutet werden, dass die Verschiebungen der Muskelursprungsflächen der Prämentalmuskulatur 28-30 nach posterior auf die Gula dem Prämentumbereich mehr Beweglichkeit in der Körperlängsachse verleihen. Folgende Auffälligkeiten finden sich bei obligaten Pollen- respektive Sporenfressern innerhalb der Aleocharinae: (1) zwei von drei Arten, die weder eine suspensoriale Brücke noch eine Pseudomola, jedoch anteriore Verlängerungen des Suspensoriums aufweisen, sind Pollenfresser (Pagla sp. und Polylobus sp.) und (2) alle drei Arten (Eumicrota sp., Gyrophaena spp.), die durch eine suspensoriale Brücke, anteriore suspensoriale Verlängerungen sowie eine Pseudomola gekennzeichnet sind, fressen Pilzsporen. Die Pollenfresser Pagla sp. und Polylobus sp. zeigen zudem eine weitere Gemeinsamkeit bezüglich ihrer Muskelansatzstellen (M. 1,3 nach 1,5 und M. 4,3 nach 4,4). Mit diesen beiden Typen hypopharyngealer Merkmale prozessieren diese sporen- und pollenfressenden Linien ihre verschiedenartige feinpartikuläre Nahrung (Pollen vs. Sporen) offenbar auf unterschiedliche Weise. Bei den aleocharinen Sporenfressern sind die suspensorialen anterioren Verlängerungen funktionell als ventral des Hypopharynx liegende Widerlager zur Pseudomola zu deuten. Die obligaten Sporenfresser innerhalb der Homalotini weisen sogar noch zusätzlich eine Stabilisierung des Hypopharynxbereiches durch die Ausbildung einer posterioren suspensorialen Brücke am hypopharyngealen Sklerite auf. Projektteil 2: Morphologische und kinematische Untersuchungen der kauenden-beißenden Mundwerkzeuge bei Insekten Nach Erarbeitung eines auch für polychromatisches Röntgenlicht geeigneten Versuchsaufbaus an der ANKA-Synchrotronquelle des KIT (Karlsruhe) wurden Lebendradiographien der Bewegungen kauend-beißender Mundwerkzeuge bei Schaben (Periplaneta americana) während der Nahrungsaufnahme durchgeführt. Durch Einzelbild-Auswertung der erhobenen Videosequenzen konnten kinematische Analysen sowohl zur Koordination der einzelnen Mundwerkzeug-Komponenten (Mandibeln, Maxillen, Labium) als auch der komplexen Bewegungsweise der Maxillen durchgeführt werden. Hieraus ließen sich zum einen quantifizierbare starke Koordinationen zwischen den Maxillen bzw. Mandibeln beider Seiten nachweisen. Zum anderen ließ sich quantitativ zeigen, wie der Bewegungsablauf der Mandibeln, der Maxillen und des Labiums insgesamt koordiniert ist. Für die Maxillen konnte durch Kombination der Videosequenzen mit morphologischen Analysen der Muskelausstattung ein Funktionsmodell ihre Bewegungsweise während eines Bewegungszyklus erstellt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2007), Imaging applications of synchrotron x-ray micro-tomography in biological morphology and biomaterial science. I. General aspects of the technique and its advantages in the analysis of arthropod structure. Journal of Microscopy 227, 51-71
Betz, O., Wegst, U., Weide, D., Heethoff, M., Helfen, L., Lee, W.-K., Cloetens, P.
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(2008), High-speed X-ray cineradiography for analyzing complex kinematics in living insects. Synchrotron Radiation News, 21 (5), 34-38
Betz, O., Rack, A., Schmitt, C., Ershov, A., Dieterich, A., Körner, L., Haas, D. & Baumbach, T.
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(2008). Anwendung der Synchrotron Mikro-Röntgentomographie (SR-µCT) in der Insektenmorphologie. Mitteilungen der Deutschen Gesellschaft für allgemeine und angewandte Entomologie 16, 467-472
Weide, D. & Betz, O.
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(2009): Head morphology of selected Staphylinoidea (Coleoptera: Staphyliniformia) with an evaluation of possible groundplan features in Staphylinidae, Journal of Morphology 270, 1503- 1523
Weide, D. & Betz, O.
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(2009): High-speed X-ray cineradiography for imaging the mouthpart kinematics of living insects, ANKA Highlights 2009, 25-26
Schmitt, C., Rack, A., Körner, L., Dieterich, A., Zabler, S., Betz, O.
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(2009): Synchrotron-based radioscopy with spatio-temporal microresolution using hard X-rays, Nuclear Science Symposium Conference Record, 2008. NSS '08. IEEE, 528-531
Rack, A., García-Moreno, F., Betz, O., Zabler, S., Schmitt, C., dos Santos Rolo, T., Ershov, A., Helfen, L., Banhart, J. & Baumbach, T.
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(2010): Comparative studies on the adult head of selected sporophagous and non-sporophagous Aleocharinae (Coleoptera: Staphylinidae): Musculature and hypopharynx-prementum complex, Journal of Morphology 271, 910-931
Weide, D., Thayer, M.K., Newton, A.F. & Betz, O.
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(2010): On the possibilities of hard X-ray imaging with high spatio-temporal resolution using polychromatic synchrotron radiation, Journal of XRay Science and Technology 18, 429–441
Rack, A., García-Moreno, F., Banhart, J., Schmitt, C., Betz, O., Cecilia, A., Ershov, A., Rack, T. & Zabler, S.
