Über die Umfärbung der raupen von Hestina japonica zu beginn der Überwinterung I. Durchschnürungsversuche an der Umfärbung der Hestina-raupe

GENERAL

.4ND

COMPARATIVE

Uber

die

Beginn

ENDOCRINOLOGY

Umferbung

2, 311-316 (1962)

der

Raupen

von

Hestina

japonica

der

Uberwinterung

I. Durchschniirungsversuche

an

der

der

Umftirbung

MINORU Biologisches Znstitut, Naturwissenschaftliche

Keio

OSANAI Universitiit, Fakultiit,

UND

zu

Hestina-Raupe

YASUMASA

ARAI

Yokohama, und Zoologisches Znstitut, Universitiit zu Tokyo, Tokyo, Japan

Received November

1, 1961

Im Spiitherbst schickt sich die Raupe von Hestinu japonica (Nymphalidae, Lepidoptera) zur Uberwinterung an, gleichzeitig flrbt sich die Haut von Griin zu Braun urn. Dabei verschwindet das Griinpigment in der Epidermis, und das Rotpigment wird neu gebildet. Durch Ychniirungs- und Injektionsversuche wurde gezeigt, dass die Umfilrbung humoral ausgelijst wird. In den Versuchsgruppen, die hinter dem 2. Abdominalsegment oder an den Intersegmenten vor dieser Stelle durchschniirt sind, blieb die Hautfarbe der Vorderstiicke der Raupen griin, wghrend sich am Hinterstiicke die Auslijsung der Umflrbung von Griin zu Braun zeigt. Im Gegensatz dazu steht die hinter dem 6. Abdominalsegment durchschniirte Gruppe: In den meisten Fiillen fiirbt sich hier der ganze Kijrper. Das dafiir verantwortliche Zentrum liegt weder im Kopf noch im Thorax, sondern in der Gegend des 6. Abdominalsegments. Ecdysonhaltiger Extrakt beeinflusst die Umfirbung von Hestina japonica nicht. In the late autumn the larva of HestitLa japonica enters an overwintering stage which begins with a change in integumentary color from green to brown. In this change, the green pigment decreases in amount as a red pigment is newly formed. By means of ligation experiments and injection of extracts, it was shown that the. regulation of skin color is humoral. In experimental animals ligated behind the second abdominal segment, or in the region anterior to this point, the skin color remained green in front of the ligature while the skin posterior to the ligature turned brown. In contrast, in animals ligated posterior to the sixth abdominal segment the normal color transition usually occurred over the entire body. The organ responsible for these integumentary effects is, thus, not in the head or thorax, but in the region of the sixth abdominal segment. Ecdyson containing extracts have no influence on skin pigmentation of H&inn japonica. EINLEITUNG

Der F&-bungsmechanismus der Lepidopteren-Raupen und -Puppen ist bei Cerura vi&a bzw. Papilio xuthus gut untersucht. In beiden Flillen besteht eine Beziehung zwischen Umf Lrbung oder Ausf lrbung und Verpuppung (oder Hgutung) : Die CeruraRaupe zeigt kurz vor der Verpuppung einen charakteristischen, morphologischen Farbwechsel (Biickmann, 1956). Karlson und 311

Biickmann (1956) konnten beweisen, dass die UmfSirbung von Griin zu Braun durch das Hiiutungshormon, Ecdyson, ausgel&t wird. Bei Pap&o findet man im Felde braune und griine Puppen ; der Dichroismus wird vom Gehirn oder von den SubGsophagus-oder Prothorax ganglien kontrolliert, wie Exstirpationsversuche zeigen (Hidaka, 1961). Der Mechanismus der Umf8rbung der

312

OSAN.~I

Hestina-Raupe ist anders als in den oben genannten Fallen. Die Normalentwicklung von Hestina japokca (Aparturinae, Nymphalidael verlauft wie folgt: Nach dcm Ausschliipfen hautet sich die Raupe im Sommer dreimal; sie erreicht das 4. Stadium bis Mitte November. In der Natui steigt die griine Raupe gewijhnlich am 8. bis 11. Tage nach der dritten Hautung von dem Futterbaum (Celtis sinensis) herab ; sie lebt unter den abgefallenen Blattern und vergndert ihre Hautfarbe zu Graubraun, ohne sich gleichzeitig zu hauten. Die umgefarbte Raupe beginnt bald danach unter Blattern die Uberwinterung. Im Friihling nach der Diapause steigt sie auf den Futterbaum und andert mit der letzten Hautung wieder ihre Hautfarbe von Braun zu Griin. Fiir die Umfarbung der Haut der Hestina-Raupe ist charakteristisch, dass sie weder mit der Hautung noch mit der sondern mit der Diapause Verpwpw, gekoppelt ist. Wir konnten nun zeigen, dass die im Kopf oder Thorax gelegenen, endokrinen Driisen, wie z.B. Gehirn, Corpora allata und Prothoraxdriise, nicht direkt, die Umflrbung in der Epidermis der Raupenhaut bewirken, sondern dass die Ausliisung der Umfarbung durch ein noch unbekanntes, in der Gegend des 6. Abdominalsegments gelegenes Zentrum erfolgt. MATERIAL

UND

TiNI)

.kRAl

Futter in cincr Glasschale auf Filterpapier gehalten. Hormonprtiparat : Nach Butenandt und Karlson (1954) wurden die weiblichen Puppen van Ron~bux mori als Material fur das Verpuppungshormon von Prothoraxdrtise verwendct. Dazu wurdcn die Bombyz-Puppcn (400 p) in Methanol

Kopf

I I Thorax

FIG. 1. Hestittn-Raupe.

34

Durchschniirtr

56

78

intersegmente

910

dcr

bei niedrigerer Temperatur homogeniert. Durch Zentrifugieren wurde die Methanol-Losung vom Riickstand abgetrennt und auf ein kleines Volumen eingedampft. Die braune, waasrige Liisung wurde mehrfach mit n-Butanol ausgeschiittelt. Durch das haufige Waschen mit 1 N HClund 1 N NaOH-Losung wurde die Butanol-Liisung hellfarbig ; sie wurde wieder auf ein kleines Volumen eingedampft. Das gelbe 61 wurde als ecdysonhaltiger Extrakt fur einen Versuch tiber den Einfluss des Prothoraxdriisenhormons auf die Eine AktivitatsbestimUmfarbung verwendet. mung durch den biologischen Test haben wir leider nicht durchfiihren kijnnen.

METHODIK

Im Herbst wurden grime Raupen des 4. Stadiums, die vor der tiberwinterung standen, von den Blattern des Futterbaumes im Feld gesammelt und in Glasschalen geziichtet. Die meisten dieser Raupen konnten sich im Laboratorium umflrben. Schniirungsvcrsuche: Am Tage vor den Schniirungsversuchen war das Futter den ausgewlhlten Raupen entzogen worden. Durchschniirte Intersegmente der Raupe sind die folgenden: bei A. awischen Kopf und Thorax (KT,), bei B. zwischen Thorax und Abdomen (T,A,), bei C. hinter dem 2. Abdominalsegment (A,A,) und bei D. hinter dem 6. Abdominalsegment (A,A,) : siehe Fig. 1. Die Gruppen der Schniirungsversuche waren aus den Raupen zusammengesetzt, deren K&per entweder nur an einem oder an zwei dieser Intersegmente durchschtirt wurde; z.B., “KTI” bezeichnet die Gruppe der zwischen Kopf und Thorax durchschntirten Raupen. Die geschntirten bei Zimmertemperatur ohm Raupen wurden

Abdomen

12312

RESULTATE DIE

EINFL~~SSE DIE UMFARBUNG

EINFACHER LIGAT~REN DER HESTINA-RAUPE

ACF

Die Ergebnisse dieser Versuche sind die Tab. 1 zusammengestellt. In den Versuchsgruppen KT,, T,A, und A,A, blieb die Hautfarbe der Vorderstiicke der Raupen meist griin, wiihrend sich am Hinters&k die Auslijsung der Umfarbung \-on Grtin zu Braun ganz distinkt zeigt (siehe Fig. 2). Im Gegensatz dazu steht die Gruppe A,A,, die hinter dem 6. Abdominalsegment durchschniirt wurden: Hier verfarbten sich die meisten Tiere ganz, einige nur im Vorderstiick. Somit bestehen beziiglich der Auslijsung der Umfarbung der Hestina-Raupe drei Mijglichkeiten: 1. durch das Vorderzentrum im Kopf oder Thorax wird das Griinpigment in der Epidermis erhalten, 2.

CBER

DIE

UMFBRBUNG

DER

das Vorderaentrum hemmt die Auslijsung der Umftirbung, 3. das im Abdomen gelegene, umbekannte Zentrum lost. die Umfar-

FIG. 2. Die hinter dem 2. Abdominalsegment durchschniirte Raupe (ASA:).

bung direkt aus. Urn diese drei Miiglichkeiten genau zu untersuchen, wurden die folgenden Versuche ausgefiihrt DIE

EINFLCSE DIE

UMFXRBUNG

DER DOPPELLIGATGREN

AUF

DER HESTINA-RAUPE

Die zwischen Kopf und Thorax oder zwischen Thorax und Abdomen clurchschniirten Raupen (Gruppe KT,-T,A, ; siehe Tab. 2) farbten sich in den meisten Fallen in ihrem Hinter&tick urn und blieben in ihrem Vorder- und Mittelstiick grim. Nur zwei Individuen, die sich in dem Thorax und dem Abdomen umfarbten, wurden in dieser Gruppe gefunden; sie Wirkung

HESTINA-RAUPEN

313

I

waren verhiiltnismassig alt. Wenn jfingere Raupen als Testtiere verwendet wurden, wurde bei allen Tieren nur am Hinterstiick die Umfarbung ausgelijst. Bei dieser Gruppe war das Mittelstiick leicht verderblich, weil noch unverdautes Futter im Esophagus blieb. Infolgedessen schien die Hautfarbe des Mittelstiickes in einigen Tagen nach Ligatur schwarzbraun zu sein. Wurde jedoch die Haut abgeschnitten und in O&proz. NaCl-Losung abgewaschen, so war die unveranderte Farbung der Epidermis eu erkennen. Wenn man die Raupen zwischen Thorax und Abdomen und gleichzeitig hinter dem 2. Abdominalsegment durchschniirte (Gruppe T,A,-A,A,) , blieb die Umfarbung der Haut des Vorder- und Mittelstiickes meist aus, jedoch farbte sich die Haut des Hinterstiickes urn. So wie in der Gruppe KT,-T,A,, wurden such in dieser Versuchsgruppe zwei Individuen gefunden, deren ganze Haut sich umfarbte. Diese Raupen waren so alt, dass sie sich 10 bis 12 Stunden nach Ligatur umfarbten. Anscheinend hatte sich die das Braunpigment bildende Substanz schon vor Durchschniirung iiber die ganze Haut verbreitet. In der Gruppe A,A,-A,A, (Tab. 2), die die hinter dem 2. und 6. Abdominalsegment durchschniirten Raupen enthalt, blieben die Vorderstiicke grim, die Mit,telstiicke fiirbten sich braun urn und die Hinterstiicke re-

Tabelle 1 der einzigen Ligatur auf die Umfarbung HcSL~?~C~ -Raupe vor iiberwinterung

van Unum;ef&bt

a

1

AA

6 7

6

Kontrolle a ‘7 Tage nach der Durchschn&ung

wird

die Umfarbung

der Raupe

noch nich

ausgelb’st.

Tot

314 Tabelle 2 Wirltung der doppelen Ligaturen auf die Umf%rbung van Heslina -Raupe vor ijberwinterung

a7 Tage nach der Dnrchschn&ung

wird die Umfs’rbung der Raupe noch nicht ausgelb’st.

agierten verschieden. Das Zentrum, das die Umfkbung auslijst, muss zwischen dem 3. und 6. Abdominalsegment, und zwar nahe dem 6. Abdominalsegment liegen. WIRKCNG DES ECDYSONHALTIGEN EXTRAICTES AUF DIE UMFXRBUNG DER HESTINA-RAUPE

Karlson und Biickmann (1956) haben gefunden, dass die Umfarbung vor der Verpuppung der Cerura-Raupen direkt von der Prothoraxdriise ausgeliist wird. Aus den Ergebnissen unserer Schniirungsversuche haben wir geschlossen, dass bei HestinaRaupen die Prothoraxdriise bei der Umflrbung der Epidermis keine Rolle spielt. Zur weiteren Priifung dieser Frage wurde in die Hinterstiicke der hinter dem 2. Abdominalsegment, durchschniirten, griinen

Hestina-Raupe ein ecdysonhaltiger Extrakt (0,05 ml) injiziert. In die Hinterstiicke der Kontrollraupe wurde O,%proz. NaCl-Liisung injiziert. Die Versuche ergaben folgende Resultate (Tab. 3) ; das Hinterstiick, dem der ecdysonhaltige Extrakt injiziert war, farbte sich am 4. bis 6. Tage nach der Injektion urn, wie es in den Fallen der Gruppe A,A, geschehen ist. Das Hormon kann in der verwendeten Dosis die Auslijsung der Umfarbung weder hemmen noch beschleunigen. Durch Injektion des ecdysonhaltigen Extraktes wurde such keine Hautung des Hinterstiickes induziert. WIRKUNG DES K~RPERSAFTES voN DER SICH UMF;iRBENDEN HESTINA-RAUPE AUF DIE GREENE RAUPE

Ins

Vorderstiick

der

hinter

Tabelle 3 Wirkung des ecdysonhaltigen Extraktes auf die Umf%bung In das Hinters&k der griinen, hinter dem 2. Abdominalsegment durchschniirten Raupen wird der ecdysonhaltige Extrakt injiziert. Versuchsgww

Kopf

Thorax 12 3

Abdomen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Umgef&bt

Tot

dem 2.

~BER

DIE

UMFXRBUNG

Wirkung

DER

Tabelle des Kgrpersaftes

HESTINA-RAUPEK

315

I

4 auf die Umfhbung

In das Vorderstiick der grinen: hinter dem 2. Abdominalsegment durchschniirten Raupe wird der Kijrpersaft van der sich umfgrbenden Raupe oder vom griinen Vorderstiick einen anderen hinter dem 2. Abdominalsegment durchechniirten Raupe. injiziert. Versuchs-

Abdomen

Korpersaft van der sich umf&-

K&persaft van griinen Vorderstiick

griin

2

0.8% NaCl

Abdominalsegment durchschniirten, griinen Raupe wurden 0,05 ml Kijrpersaft (Hgmolymphe) von einer anderen, sich bereits braun umfiirbenden Raupe injiziert. Die Haut der meisten Raupen fgrbte sich an den beiden Stiicken urn (Tab. 4). Wenn sehr junge Raupen als Testtiere verwendet wurden, wurden darunter einige gefunden, die such erst in den Vorderstiicken, dann in den Hinterstiicken umf5irbten. Wurde jedoch der Kiirpersaft vom griinen Vorderstiick einer Raupe gewonnen, deren Hinterstiick sich in 5 Tagen nach Durchschniirung umgef5irbt hatte, so konnte damit die Umflrbung in der Epidermis der Vorderstiicke anderer Raupen nicht ausgeliist werden. Daraus ist zu schliessen, dass der UmfLbungsfaktor nur im Kiirpersaft der sich umfgrbenden Raupe enthalten ist. DISKUSSION

Die UmfSirbung der Hestina-Raupe ghnelt im Verlauf dem von Linzen und Biickmann (1961) beschriebenen Farbwechsel von Cerura vinula. In der griinen Hestina-Raupe l&St sich das Griinpigment histologisch in der Epidermis lokalisieren. Es verschwindet bei der UmfSirbung und wird durch das Rotpigment ersetzt; von der Ventralseite aus betrachtet, nimmt die mit. der diinnen Kutikulaschicht versehene Haut der Raupe eine hellrote Farbe an. Physiologisch bestehen jedoch erhebliche Unterschiede zwischen Cerura und Hestina:

Bei Curura ist die UmfLrbung mit der Vorbereitung zur Verpuppung gekoppelt und wird von der Prothoraxdriise hormonal ausgelijst; bei Hestina erfolgt sie vor der Oberwinterung, d.h. vor der Diapause, und fiir die Ausliisung diirfte ein im Abdomen in der Gegend des 6. Segments liegendes Organ verantwortlich sein. Anatomisch lassen sich hier die Offnung der Malpighischen Driise und das grosse 7. Abdominalganglion lokalisieren. Das Rotpigment selbst wird nicht durch das Blut den Epidermiszellen zugefiihrt ; das Blut von Hestina-Raupen ist stets hellgtin gef5irbt. Indessen scheint die HSimolymphe einen Faktor zu enthalten, der fiir die Ausfgrbung verantwortlich ist; das geht u.a. aus den Injektionsversuchen (Abschnitt 4) hervor. Ob es sich hierbei urn eine Vorstufe des Pigments oder urn einen hormon%hnlichen Faktor handelt, klinnen wir zunLchst nicht, entscheiden. Die Beteiligung der Malpighischen GefZsse wiirde fiir die erste Miiglichkeit sprechen. Jedenfalls diirfte die Bildung des Rotpigments mit den StoffwechselSinderungen zusammenhzngen, die mit dem Eintritt in die Diapause verbunden sind. Ein anderer Schmetterling, Sasakia charonda, der mit Hestina japonica nahe verwandt ist,, iiberwintert als Larve 3. Stadiums; dabei erfolgt eine UmfLbung der Epidermis von Griin nach Braun. Durchschniirungsversuche wiesen darauf

hin, daes sich &zsnlzin-Raupen tlurch den gleichen Mechanismus wie Hestina-Raupen umfzrben, und dass das hierfiir verant.wortlithe Zentrum gleichfalls naht dcm 6. Abdominalsegment zu liegen schien. Miiglicherweise findet sich noch bei andercn Schmetterlingsartcn derselbe Mechanismus der Umfgrbung. Obwohl es interessant schien, die Wirkung des juvenilhormonhaltigen Extraktes auf die UmfBrbung der Hestina-Raupe zu unt.ersuchen, musste darauf verzichtet werden, da das fiir die Extraktion des .Juvenilhormons geeignete Material nicht zu beschaffen war. ERKENNTLICHKEIT Wir danken Herrn Prof. K. Takewaki, vom Zoologischen Institut, Naturwissenschaftliche Fakultlt, Universitiit eu Tokyo und Herren Prof. Y. Mori, Prof. T. Hama und Dr. T. Goto vom Biologischen Institut der Keio Universitilt fiir ihre Diskussion und wichtigen Anregungen. Wir danken noch Herrn Prof. H. Katayama von Shizuoka

Univct,sitLt Raupm.

iii1

die

Gewinnung

ch

Il(~.sti/ln-

LITERATUR 1). (1956). Die Umfirhung del, Raupen von Cerura vinula unter verschiedenen experiment,ellen Bedingungen. 1Vatu,u,issenschajten 43, 43. BUTENANDT, A.,. UND KARLSON, P. (1954). iiber die Isolierung eines Metamorphose-Hormons de1 Insekten in kristallisierter Form. Z. Nntwjorsch. 9b, 389391. HIDAKA, T. (1961). Recherchcs sur le m&anisme endocrine de l’adaptation chromatique morphologique chez les nymphes de Pap& xuthus I,. J. Fat. Sci. Univ. Tokyo, Sect. IV 9, 223-261. K~RLSOX, P., UND &&KM.~NN, D. (1956). Experimentelle Ausliisung der UmfLbung bei CerurnRaupen durch Prothorakaldriisenhormon., Naturwissenschajten 43, 44-15. LINZEN, B., UND B~~CKMANX, D. (1961). Biochemische und histologische Untersuchungen zur UmfLrbung der Raupe von Cerura eGmla I,. Z. Naturjorsch. 16b, 618. B~~cKMMASN,