Research Abstract

二次元上皮シートの複雑な皺がカブトムシの角の三次元構造をコードする

Complex furrows in a 2D epithelial sheet code the 3D structure of a beetle horn

2017年10月24日 Scientific Reports 7 : 13939 doi: 10.1038/s41598-017-14170-w (2017)
二次元上皮シートの複雑な皺がカブトムシの角の三次元構造をコードする
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完全変態昆虫の外部器官は連続した2つの過程、つまり、成虫原基の発生と、それに続く成虫構造への変態によって作り出される。後者の過程では、細胞レベルでの多くの異なる現象(例えば、細胞形態の変化、細胞の移動、上皮シートの折りたたみや展開)が、大きさや形に観察される劇的な変化に関与する。この複雑性のため、成虫の外部器官の三次元構造を形成する背景となる論理はほとんど明らかになっていない。本論文では、日本のカブトムシTrypoxylus dichotomusの角の変態について調べた。角原基は、本質的には、密な皺を持つ二次元上皮細胞シートである。3つの異なる方法を用いて実験的にこれらの皺を展開することで、この皺のパターンのみで角の三次元構造が決定されることが分かった。これはカブトムシにおける角の形成は2つの異なる過程、つまり、皺の形成とそれに続く皺の展開で起こることを示している。我々は、このような発生の単純な過程が、昆虫で三次元形態形成を誘導する原理を理解するための固有の利点になると考えている。

Keisuke Matsuda, Hiroki Gotoh, Yuki Tajika, Takamichi Sushida, Hitoshi Aonuma, Teruyuki Niimi, Masakazu Akiyama, Yasuhiro Inoue and Shigeru Kondo

Corresponding Author

後藤 寛貴
名古屋大学大学院 生命農学研究科

The external organs of holometabolous insects are generated through two consecutive processes: the development of imaginal primordia and their subsequent transformation into the adult structures. During the latter process, many different phenomena at the cellular level (e.g. cell shape changes, cell migration, folding and unfolding of epithelial sheets) contribute to the drastic changes observed in size and shape. Because of this complexity, the logic behind the formation of the 3D structure of adult external organs remains largely unknown. In this report, we investigated the metamorphosis of the horn in the Japanese rhinoceros beetle Trypoxylus dichotomus. The horn primordia is essentially a 2D epithelial cell sheet with dense furrows. We experimentally unfolded these furrows using three different methods and found that the furrow pattern solely determines the 3D horn structure, indicating that horn formation in beetles occurs by two distinct processes: formation of the furrows and subsequently unfolding them. We postulate that this developmental simplicity offers an inherent advantage to understanding the principles that guide 3D morphogenesis in insects.

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