Embryological study on proturan brain: groudplan and evolution of Hexapoda

• Project/Area Number: 16K18605
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Biodiversity/Systematics
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: Fukui Makiko 愛媛大学, 理工学研究科(理学系), 講師 (90635872)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000); Fiscal Year 2018: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2017: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2016: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 昆虫 / 祖先 / 脳 / 触角 / 触角体節 / 中大脳 / 扇状体 / 食道下神経節 / 食道上神経節 / 前大脳 / 後大脳 / 二光子顕微鏡 / 系統進化 / 比較発生学 / 六脚類 / 昆虫類 / 脳構造 / カマアシムシ目 / 昆虫比較発生学 / 進化

Outline of Final Research Achievements

Protura is known as the one of the most ancestral group in the Insect. They are totally lacking antenna and instead their fore legs are functioning as tactile organ. Due to minute size and cripic way of life, detailed brain structure and the scenario of their total degeneration of antenna is still unknown. Proturan brain and nervous system of their fore legs are determined and revealed as below.
1) Deutocerebrum is found to be the weak swelling both in the late embryonic stage and the adult. 2) 8 columns of the fan shaped body are observed in the central complex. 3) Proturan fore leg nerves are revealed to connect with gnathal ganglion which is known to be the center of an insect's sense of taste. Our data indicates that antennae were lost due to degeneration of the appendages and the taste sense with the fore leg can be understood as the preadaptive state. 8 columns in the fan shaped body thought to be the groudplan of the Insect which are known also in Collembola and Pterygota.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

あるグループの祖先がどのようなものであったを知ることは、進化の解明の第一歩といえる。本研究により、地球の覇者である昆虫の脳がその祖先においてどのようなものであったかを推測する手掛かりが得られた。また、節足動物の大半にとって生存に極めて重要な器官である触角の欠失が、カマアシムシ目においてなぜ、どのように起こってきたかを理解できたことは、謎の多いカマアシムシ目の進化を理解する上でも重要な知見である。

Research Products

• [Journal Article] サイコクカマアシムシBaculentulus densus (Imadate)の後胚発生 ―頭部内骨格の起源解明に向けて― (2019)
  • Author(s): 福井 眞生子, 町田 龍一郎
  • Journal Title: Proceedings of the Arthropodan Embryological Society of Japan Volume: 52 Pages: 49-49
  • Open Access
• [Journal Article] FGF- and SHH-based molecular signals regulate barbel and craniofacial development in catfish (2019)
  • Author(s): Tatsuya Itoyama; Makiko Fukui; Masahumi Kawaguchi; Saki Kaneko; Fumiaki Sugahara; Yasunori Murakami
  • Journal Title: Zoological Letters Volume: ZLET-D-18-00089R1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Specialized movement and laterality of fin-biting behaviour in Genyochoromis mento in Lake Malawi (2018)
  • Author(s): Takeuchi Yuichi、Hata Hiroki、Maruyama Atsushi、Yamada Takuto、Nishikawa Takuma、Fukui Makiko、Zatha Richard、Rusuwa Bosco、Oda Yoichi
  • Journal Title: The Journal of Experimental Biology Volume: 222 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1242/jeb.191676
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Egg structure and outline of embryonic development of the basal mantodean, Metallyticus splendidus Westwood, 1835 (Insecta, Mantodea, Metallyticidae) (2018)
  • Author(s): Makiko Fukui, Mari Fujita, Shigekazu Tomizuka, Yuta MashimoYang Lee, Yasunori Murakami, Ryuichiro Machida
  • Journal Title: Arthropod Structure & Development Volume: 47 Pages: 64-73
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Phylogeny of Hexapoda (Arthropoda) and the Evolution of Megadiversity (2017)
  • Author(s): Rolf G. BEUTEL, Margarita. YAVORSKAYA, Yuta MASHIMO, Makiko FUKUI and Karen MEUSEMANN
  • Journal Title: Proc. Arthropod. Embryol. Soc. Jpn. Volume: 51 Pages: 1-15
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] カマアシムシ目の頭部内骨格に関する研究（六脚類） (2019)
  • Author(s): 福井 眞生子・町田 龍一郎
  • Organizer: 日本節足動物発生学会 第55 回大会 (東京・府中)
• [Presentation] カマアシムシ目の発生学的研究（六脚類） ―頭部内骨格の形態学的検討― (2019)
  • Author(s): 福井 眞生子・町田 龍一郎
  • Organizer: 第４０回菅平動物学セミナー
• [Presentation] サイコクカマアシ ムサイコクカマアシ ムBaculentuius densus densus (Imadate) の発生学的研究 ―頭部内骨格の起源解明に向けて ―． (2018)
  • Author(s): 福井 眞生子・町田 龍一郎
  • Organizer: 第89回日本動物学会大会
• [Presentation] サイコクカマアシムシ Baculentulusu densus (Imadate) の後胚発生 －頭部内骨格の起源解明に向けて－ (2018)
  • Author(s): 福井 眞生子・町田 龍一郎
  • Organizer: 第54回日本節足動物発生学会大会
• [Presentation] カマアシムシ目の中枢神経系に関する研究 (2018)
  • Author(s): 井垣就・福井眞生子
  • Organizer: 第39回菅平動物学セミナー
• [Presentation] バッタ亜目の卵門に関する研究（昆虫綱・直翅目） (2017)
  • Author(s): 澤 真歩・福井 眞生子
  • Organizer: 第53回節足動物発生学会
• [Presentation] 環境刺激によるモンシロチョウ Pieris rapae (Linnaeus, 1758) の蛹色決定ー 前蛹期における蛹化基質の影響 ー （昆虫綱・鱗翅目・シロチョウ科） (2017)
  • Author(s): 井垣 就・福井 眞生子
  • Organizer: 第53回節足動物発生学会
• [Presentation] サイコクカマアシムシ Baculentulus densus (Imadate, 1960) の中枢神経系に関する研究にむけて向けて（六脚類・カマアシムシ目・クシカマアシムシ科） (2017)
  • Author(s): 井垣 就・福井 眞生子
  • Organizer: 第３８回 菅平動物学セミナー
• [Presentation] サイコクカマアシムシ Baculentulus densus (Imadate の発生学的研究 ― 14 年目の挑戦 ― （六脚類・カマアシムシ目） (2016)
  • Author(s): 福井 眞生子、町田 龍一郎
  • Organizer: 第37回菅平動物学セミナー
  • Place of Presentation: 上田市筑波大学山岳科学センター菅平高原実験所（長野県・上田市）
  • Year and Date: 2016-12-03
• [Presentation] サイコクカマアシムシ Baculentulus densus (Imadate の背閉鎖（六脚類・カマアシムシ目・クシカマアシムシ科） (2016)
  • Author(s): 福井 眞生子、町田 龍一郎
  • Organizer: 日本節足動物発生学会 第52回大会（神奈川・横須賀）
  • Place of Presentation: 湘南国際村センター（神奈川県・三浦郡葉山町）
  • Year and Date: 2016-06-10
• [Book] 昆虫発生学（下） カマアシムシ目（補遺）Protura (2019)
  • Author(s): 福井 眞生子, 小林 幸正, 町田 龍一郎
  • Total Pages: 9
  • Publisher: 培風館