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Two facets of insect vision : polarization sensitivity and visual pigments


Henze, Miriam Judith. Two facets of insect vision : polarization sensitivity and visual pigments. 2009, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Summary The polarization pattern of the sky serves many insects as a reference for visual compass orientation. Chapter I specifies thresholds for the behavioral response to polarized light in field crickets (Gryllus campestris) under conditions mimicking those experienced by the animals in their natural habitat. Our results show that the polarization vision system of crickets is extremely sensitive and robust.
Photoreceptors involved in the detection of polarized skylight are generally confined to a small part of the insect compound eye, the so-called dorsal rim area (DRA). In Chapter II, we construct a model for the sensory input to the polarization vision system of fruit flies (Drosophila melanogaster) and compare it with data from crickets, thus demonstrating the consequences of two opposite DRA designs for neuronal coding of orientation.
Group-specific distinctions in the morphology of DRA ommatidia suggest that polarization vision evolved independently in several insect taxa. However, developmental findings indicate that DRA formation in distantly related species is initiated by homologous signaling pathways. We address the question of DRA ancestry in Chapter III where we report pilot experiments that failed to detect the same selector gene for DRA specification in two- spotted crickets (Gryllus bimaculatus) as previously identified in fruit flies.
Polarization vision in crickets is mediated by blue receptors. Electrophysiological data imply that the respective visual pigment is exclusively found in the DRA. We have cloned four visual opsins of G. bimaculatus and investigated their phylogeny as well as their expression pattern in the compound eyes and the ocelli. Chapter IV reveals that the ocellar opsins diverged from those of the compound eyes and that regionalization in the cricket visual system is more complex than assumed earlier.

Zusammenfassung Das Polarisationsmuster des Himmels dient vielen Insekten als Kompass zur visuellen Orientierung. Kapitel I beschäftigt sich mit der Reaktionsschwelle, die Feldgrillen (Gryllus campestris) auf polarisiertes Licht zeigen, wenn die Versuchsbedingungen die Verhältnisse im natürlichen Lebensraum der Tiere simulieren. Unsere Ergebnisse verdeutlichen, dass das Polarisationssehsystem von Grillen äußerst empfindlich und robust ist.
Die Photorezeptoren, die an der Wahrnehmung von polarisiertem Himmelslicht beteiligt sind, findet man in der Regel nur in der so genannten dorsalen Randregion (DRA) des Komplexauges. In Kapitel II erstellen wir ein Modell für den sensorischen Eingang zum Polarisationssehsystem von Taufliegen (Drosophila melanogaster) und vergleichen es mit Daten von der Grille. Dabei demonstrieren wir die Konsequenzen, die zwei konträre DRA- Typen für die Kodierung der Körperorientierung im Gehirn haben.
Taxon-spezifische Unterschiede in der Morphologie der DRA-Ommatidien deuten darauf hin, dass das Polarisationssehen in verschiedenen Insektengruppen unabhängig voneinander entstanden ist. Entwicklungsphysiologische Befunde hingegen lassen vermuten, dass die Ausbildung der DRA selbst in entfernt verwandten Arten durch homologe Signalwege ausgelöst wird. Wir befassen uns mit der Frage der DRA-Herkunft in Kapitel III, wo wir eine Pilotstudie vorstellen, in der das DRA-Selektorgen, das zuvor bei Fruchtfliegen identifiziert wurde, nicht bei Zweifleckgrillen (Gryllus bimaculatus) nachzuweisen war.
Polarisationssehen wird bei Grillen durch blauempfindliche Photorezeptoren vermittelt. Elektrophysiologische Daten legen nahe, dass das zugehörige Sehpigment ausschließlich in der DRA vorkommt. Wir haben vier visuelle Opsine von G. bimaculatus kloniert und deren Abstammung sowie ihr Expressionsmuster in den Komplexaugen und Ocellen untersucht. Kapitel IV zeigt, dass sich die Opsine der Ocellen von denen der Komplexaugen unterscheiden und dass das visuelle System der Grille regional stärker spezialisiert ist als bisher angenommen.



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Abstract

Summary The polarization pattern of the sky serves many insects as a reference for visual compass orientation. Chapter I specifies thresholds for the behavioral response to polarized light in field crickets (Gryllus campestris) under conditions mimicking those experienced by the animals in their natural habitat. Our results show that the polarization vision system of crickets is extremely sensitive and robust.
Photoreceptors involved in the detection of polarized skylight are generally confined to a small part of the insect compound eye, the so-called dorsal rim area (DRA). In Chapter II, we construct a model for the sensory input to the polarization vision system of fruit flies (Drosophila melanogaster) and compare it with data from crickets, thus demonstrating the consequences of two opposite DRA designs for neuronal coding of orientation.
Group-specific distinctions in the morphology of DRA ommatidia suggest that polarization vision evolved independently in several insect taxa. However, developmental findings indicate that DRA formation in distantly related species is initiated by homologous signaling pathways. We address the question of DRA ancestry in Chapter III where we report pilot experiments that failed to detect the same selector gene for DRA specification in two- spotted crickets (Gryllus bimaculatus) as previously identified in fruit flies.
Polarization vision in crickets is mediated by blue receptors. Electrophysiological data imply that the respective visual pigment is exclusively found in the DRA. We have cloned four visual opsins of G. bimaculatus and investigated their phylogeny as well as their expression pattern in the compound eyes and the ocelli. Chapter IV reveals that the ocellar opsins diverged from those of the compound eyes and that regionalization in the cricket visual system is more complex than assumed earlier.

Zusammenfassung Das Polarisationsmuster des Himmels dient vielen Insekten als Kompass zur visuellen Orientierung. Kapitel I beschäftigt sich mit der Reaktionsschwelle, die Feldgrillen (Gryllus campestris) auf polarisiertes Licht zeigen, wenn die Versuchsbedingungen die Verhältnisse im natürlichen Lebensraum der Tiere simulieren. Unsere Ergebnisse verdeutlichen, dass das Polarisationssehsystem von Grillen äußerst empfindlich und robust ist.
Die Photorezeptoren, die an der Wahrnehmung von polarisiertem Himmelslicht beteiligt sind, findet man in der Regel nur in der so genannten dorsalen Randregion (DRA) des Komplexauges. In Kapitel II erstellen wir ein Modell für den sensorischen Eingang zum Polarisationssehsystem von Taufliegen (Drosophila melanogaster) und vergleichen es mit Daten von der Grille. Dabei demonstrieren wir die Konsequenzen, die zwei konträre DRA- Typen für die Kodierung der Körperorientierung im Gehirn haben.
Taxon-spezifische Unterschiede in der Morphologie der DRA-Ommatidien deuten darauf hin, dass das Polarisationssehen in verschiedenen Insektengruppen unabhängig voneinander entstanden ist. Entwicklungsphysiologische Befunde hingegen lassen vermuten, dass die Ausbildung der DRA selbst in entfernt verwandten Arten durch homologe Signalwege ausgelöst wird. Wir befassen uns mit der Frage der DRA-Herkunft in Kapitel III, wo wir eine Pilotstudie vorstellen, in der das DRA-Selektorgen, das zuvor bei Fruchtfliegen identifiziert wurde, nicht bei Zweifleckgrillen (Gryllus bimaculatus) nachzuweisen war.
Polarisationssehen wird bei Grillen durch blauempfindliche Photorezeptoren vermittelt. Elektrophysiologische Daten legen nahe, dass das zugehörige Sehpigment ausschließlich in der DRA vorkommt. Wir haben vier visuelle Opsine von G. bimaculatus kloniert und deren Abstammung sowie ihr Expressionsmuster in den Komplexaugen und Ocellen untersucht. Kapitel IV zeigt, dass sich die Opsine der Ocellen von denen der Komplexaugen unterscheiden und dass das visuelle System der Grille regional stärker spezialisiert ist als bisher angenommen.



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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Neuhauss Stephan, Labhart Thomas
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2009
Deposited On:10 May 2019 14:12
Last Modified:15 Apr 2021 15:00
Number of Pages:93
Additional Information:Enthält Sonderdrucke aus: The Journal of Experimental Biology, vol. 210 (18), September 2007
OA Status:Green

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