Salt balance saves insects from dying of the cold

Some insect species are adapted to low winter temperatures, while others rapidly faint and die when the temperature drops. New research from Aarhus University indicates that the difference lies to a great extent in the ability of the insects to maintain their salt balance.

2016.01.26 | Rasmus Rørbæk Christensen

Researchers at Aarhus University collaborated with international colleagues to study the cold tolerance of different species of banana flies (Drosophila). They found that the difference between life and death lies in the ability of the insects to regulate their salt balance. (Photo: Colourbox)

The importance of insects in terms of geoecology is enormous. They represent up to 75% of all species on the planet, and they are present in virtually all ecosystems. Here they play major roles in everything from food, predators and pollinators to disease carriers and pests. There is hardly anywhere on Earth where one or other specialised species is not found because they are experts at adapting to the surrounding habitat.

Read more (in Danish only) below. For contact details in English, go to the bottom of the page.

Insektarter fra tempererede og polære egne har ofte udviklet en bemærkelsesværdig tolerance over for store temperaturudsving, mens mange arter fra mere tropiske miljøer er ganske intolerante, og dør efter kun korte eksponeringer mod kulde.

Når vi mennesker mærker kulde, kan problemet oftest løses med varmt tøj, hue og luffer. Vi genererer overskudsvarme i vores kroppe, og har derfor evnen til at fastholde en konstant høj krops temperatur om vinteren ved bare at tage fornuftigt tøj på. Insekter derimod har en kropstemperatur, der er den samme som deres omgivelser – man siger, at de er ’ektoterme’. Så når det det er 0° C udenfor, er insektet også 0° C indeni, og dér hjælper ingen hue!

I en ny undersøgelse, som for nylig er publiceret i tidsskriftet Scientific Reports, peger forskere fra Danmark, Canada og Storbritannien på, at forskellen mellem liv og død for et insekt i kulden er et spørgsmål om at holde kaliumniveauet i blodet lavt.

”De nye forskningsresultater er vigtige, fordi de identificerer fysiologiske mekanismer i specifikke organer, der kan afgøre, om et insekt lever eller dør ved lave temperaturer", siger Johannes Overgaard, lektor ved Aarhus Universitet og medforfatter på undersøgelsen; "det er et stort skridt fremad i vores forståelse af insekters stress-tolerance, og vil kunne hjælpe os med at forudsige, hvordan forskellige insektarter vil reagere på et skiftende klima".

Højt niveau af kalium er farligt
I kulde mister insekter evnen til at opretholde en korrekt salt- og vandbalance. Når et insekt er nedkølet, trækkes natrium og vand fra insektets blod - kaldet hæmolymfe - over i dets tarme.

"Det er dårligt nyt for insektet, fordi det øger koncentration af kalium i den hæmolymfe, der er tilbage. Ligesom vi mennesker, skal insekter altid sørge for at holde niveauet af kalium i deres hæmolymfe lavt, fordi høje niveauer kan forstyrre nervesignalerne og musklernes evne til at trække sig sammen. Hvis kaliumniveauet bliver højt nok i kulden, kan det endda forårsage permanente vævsskader og død ", forklarer Johannes Overgaard.

Tanken bag undersøgelsen var, at hvis nogle insekter var i stand til at opretholde vand- og saltbalancen i kulden, kunne det have noget at gøre med de såkaldte malpighiske rør, hvis fysiologiske funktion kan sammenlignes med nyrerne hos pattedyr. De malpighiske rør hjælper insekterne med at opretholde vand- og saltbalancen og i det nye studie undersøgte holdet funktionen af disse rør ved lav temperatur.

Kuldetolerante insekter har bedre saltbalance
Holdet undersøgte kuldeeksponeringens effekt på salt- og vandbalancen i fem arter af bananfluer indsamlet forskellige steder rundt om i verden.

”Det viste sig, at de arter af fluer, som kom fra høje breddegrader, hvor vintrene er koldere, var meget bedre til at fastholde salt- og vandbalance ved lave temperaturer," siger post.doc. Heath MacMillan, der i dag er ansat ved York Universitetet i Toronto. MacMillan er medforfatter på studiet, og uddyber videre, at denne evne til at overleve i kulden synes at være specifikt forbundet med de malpighiske rør:

”I de kuldetolerante insekter er de malpighiske rør med til at holde natrium og kalium på et normalt niveau i hæmolymfen under kuldeeksponeringen, mens de insekter som let døde ved lave temperaturer mistede deres evne til at regulere saltbalancen korrekt i kulden ".

Ny viden kan bruges mod skadelige insekter
Den internationale forskergruppe håber, at denne forskning også vil kunne bidrage til udviklingen af nye metoder til at kontrollere skadedyr.

"Den grundlæggende viden har stor betydning," forklarer Johannes Overgaard; "De malpighiske før er reguleret af nogle hormoner, som kun findes i insekter, så der er et stort potentiale for sikkert og præcist at ændre evnen til at regulere salt- og vandbalance hos skadedyr i landbruget eller insekter der overfører sygdommen under stresspåvirkning. Ved at gøre det, kan vi finde nye og sikre måder at kontrollere, hvor godt disse arter overlever vinteren i tempererede og polare områder. "

The research project is financed by the Danish Council for Independent Research and the Carlsberg Foundation. The article ‘The capacity to maintain ion and water homeostasis underlies specific variation in Drosophila cold tolerance’ is featured in the scientific journal Scientific Reports.

For more information, please contact
Associate Professor Johannes Overgaard
Department of Bioscience
Aarhus University
+46 8715 6505
johannes.overgaard@bios.au.dk

Public / media