1. Physiological and ecological implications of sequestered cardenolides in the milkweed bugs (Heteroptera: Lygaeinae)
- Author
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Pokharel, Prayan and Pokharel, Prayan
- Abstract
Milkweed bugs (Heteroptera: Lygaeinae) have a predilection for toxic plants, and possess a distinctive black and red coloration. Although many milkweed bugs are generalist seed predators, they commonly feed on plants in the family Apocynaceae (milkweed) which often contain toxic cardenolides. Cardenolides inhibit the ubiquitous Na+/K+-ATPase, an essential animal enzyme mediating essential physiological functions. Milkweed bugs possess pronounced insensitivity towards cardenolides due to a few amino acid substitutions in the Na+/K+-ATPase (i.e., target site insensitivity) and sequester cardenolides for protection against their predators. The overarching question remains whether chemical defenses, in aposematic individuals sequestering toxins, incur physiological costs, such as effects on growth or other fitness parameters like longevity and fecundity, production of color pigments, and handling oxidative stresses, and/or ecological costs, such as universality of toxin defense. Using an artificial diet, I raised larvae of four milkweed bug species (Oncopeltus fasciatus, Caenocoris nerii, Spilostethus pandurus and Arocatus longiceps) and a closely related pyrrhocorid bug species (Pyrrhocoris apterus) on three increasing dietary doses of cardenolides, and assessed the increase in growth by recording the mass until adult. Additionally, I investigated the life-history parameters only in O. fasciatus. To understand if milkweed bugs exhibit honest signaling, using same artificial diet treatment, the color intensity of O. fasciatus was measured by taking photographs in each larval stage until adulthood. To understand if toxin sequestration in milkweed bugs imposes oxidative stress, biomarkers of oxidative stress was measured through biochemical assays for lipid peroxidation (malondialdehyde, or MDA), superoxide dismutase (SOD), and total glutathione content (GSH). To understand why protection against certain predators is not observed in all bug species although they feed on s, Ritterwanzen (Heteroptera: Lygaeinae) sind haeufig generalistische Samenraeuber und weisen eine charakteristische schwarz-rote Faerbung auf. Die Wanzen bevorzugen Samen toxischer Pflanzen aus der Familie der Apocynaceae (Hundsgiftgewaechse). Diese enthalten Cardenolide, welche die ubiquitaer vorkommende Na+/K+-ATPase hemmen, die essenzielle physiologische Funktionen im tierischen Organismus einnimmt. Lygaeinae besitzen aufgrund einiger Aminosaeure-Substitutionen in der Na+/K+-ATPase eine ausgepraegte Resistenz gegenueber den toxischen Cardenoliden und sequestrieren diese zum Schutz vor Fressfeinden. Die uebergeordnete Fragestellung meiner Dissertation ist, ob die Sequestrierung von Toxinen bei aposematischen Vertretern der Lygaeinae physiologische (z. B. Wachstum, Lebensspanne, Fruchtbarkeit, Produktion von Farbpigmenten und Umgang mit oxidativem Stress) und oekologische Kosten (z. B. Universalitaet der Toxin vermittelten Abwehr) verursacht. Mithilfe einer artifiziellen Diaet, welche Cardenolide in drei ansteigenden Konzentrationen enthielt, zog ich Nymphen von vier Lygaeinae-Arten (Oncopeltus fasciatus, Caenocoris nerii, Arocatus longiceps und Spilostethus pandurus) und eine eng verwandte Feuerwanzenart (Pyrrhocoris apterus) bis zum Adultstadium auf. Das Wachstum wurde bei allen Arten durch Gewichtsanalysen verfolgt, weitere Fitnessparameter wurden nur fuer Oncopeltus fasciatus ermittelt. Farbintensitaet von O. fasciatus sowie oxidativer Stress wurden mittels Bildaufnahmen und biochemischen Methoden zum Nachweis von Lipidperoxidation (Malondialdehyd oder MDA), Superoxiddismutase (SOD) und Gesamtglutathiongehalt (GSH) in allen Nymphen-Stadien bis hin zum adulten Tier gemessen. Um zu verstehen, warum ein Schutz gegen bestimmte Praedatoren nicht bei allen Wanzenarten nach dem Verzehr herzglykosidhaltiger Samen beobachtet wird, untersuchte ich, ob das Ergebnis der Raeuber-Beute-Interaktion durch die strukturelle Variation innerhalb derselben Verbindungsklasse oder durc
- Published
- 2022