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Plant Mycotoxin Research, U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service
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Beck, J. J., Light, D. M., Gee, W. S. Electroantennographic Bioassay as a Screening Tool for Host Plant Volatiles. J. Vis. Exp. (63), e3931, doi:10.3791/3931 (2012).
Pflanze flüchtigen spielen eine wichtige Rolle bei Pflanze-Insekt-Wechselwirkungen. Pflanzenfressende Insekten benutzen Pflanzen flüchtige Stoffe, wie Kairomonen bekannt, um ihre Wirtspflanze zu lokalisieren. 1,2 Wenn eine Wirtspflanze ist ein wichtiger Rohstoff agronomischen Fraßschäden durch Schädlinge können schwere wirtschaftliche Verluste für die Erzeuger zuzufügen. Dementsprechend kann Kairomonen als Lockmittel eingesetzt werden, um zu locken oder zu verwirren diese Insekten und bieten somit eine umweltfreundliche Alternative zu Pestiziden zur Schädlingsbekämpfung. 3 Leider Pflanzen können eine große Anzahl flüchtiger mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Verhältnisse von Emissionen in Abhängigkeit von der Phänologie emittieren der Ware oder der Tageszeit. Dies macht die Identifizierung von biologisch aktiven Komponenten oder Mischungen von flüchtigen Komponenten ein mühsamer Prozess. Zur besseren Identifizierung der bioaktiven Komponenten der Wirtspflanze flüchtigen Emissionen setzen wir die Labor-basierte Screening-Bioassay Elektroantennographie (EAG). EAG ist ein effektives Instrument zur Bewertung und Record elektrophysiologisch die olfaktorischen Reaktionen eines Insektes über ihre antennalen Rezeptoren. Die EAG Screening-Verfahren kann dazu beitragen, die Zahl der flüchtigen Stoffe getestet, um vielversprechende biologisch aktiven Komponenten zu identifizieren. Allerdings EAG Bioassays nur Auskunft über Aktivierung von Rezeptoren. Sie enthält keine Informationen über die Art des Verhaltens von Insekten die Verbindung löst, was könnte als Lockmittel, abstoßend oder andere Art von Verhaltensreaktionen sein. Flüchtige Hervorrufen eine signifikante Antwort von EAG, bezogen auf eine geeignete positive Kontrolle, werden typischerweise auf einer weiteren Prüfung von Verhaltensreaktionen der Schädling aufgenommen. Das experimentelle Design präsentiert ausführlich die Methoden zu Mandel-basierte Wirtspflanze flüchtigen 4,5 durch Messung der elektrophysiologischen Reaktionen antennalen eines Erwachsenen Schädling Nabel orangeworm (Amyelois transitella), um einzelne Komponenten und einfache Mischungen von Komponenten über EAG Bioassay zu screenen. Das Verfahren nutzt zwei Exschnittene Antennen platziert über eine "Gabel" Elektrodenhalter. Das Protokoll hier gezeigt stellt eine schnelle, High-Throughput-standardisierten Verfahren zum Screening flüchtiger Bestandteile. Jeder flüchtig ist bei einer eingestellten, konstanten Menge als die Anregungspegel standardisieren und ermöglichen so Antennallobus Reaktionen als indikativ für die relative chemoreceptivity. Die negative Kontrolle hilft dabei, die elektrophysiologische Reaktion auf sowohl restliche Lösungsmittel und mechanische Kraft der Blätterteig. Die positive Kontrolle (in diesem Fall Acetophenon) ist eine einzige Verbindung, die ausgelöst eine kohärente Reaktion der männlichen und weiblichen Bauchnabel orangeworm (NOW) Motte hat. Ein weiterer Standard, der semiochemischen einheitliche Reaktion bereitstellt und für den Bioassay Studien mit dem männlichen NOW Motten, (Z, Z) -11,13-hexdecadienal, ein Aldehyd-Komponente aus dem weiblichen hergestellten Sexualpheromon. 6-8
1. Vorbereitung von flüchtigen Stoffen aus der Wirtspflanze für EAG Screening entdeckt
2. Vorbereitung der Insektenfühler für EAG Bioassay
3. EAG-Protokoll für die einzelnen Komponenten
4. Ein Beispiel für EAG Analyse von Mischungen oder anderen Matrices (Tabelle 3)
5. Repräsentative Ergebnisse
Für weibliche Bauchnabel orangeworm die folgenden Einstellungen verwendet: 2 Sekunden Puffs, 10 Sekunden Aufnahmezeit, 10 Sekunden-Fenster, und 5 mV Skala. Eine negative Ablenkung ist die typische Antwort, doch der absolute Wert wird aufgezeichnet (zB -3.400 uV Auslenkung wird als 3400 uV aufgezeichnet). Eine relativ schwache Reaktion des prep mit der positiven Kontrolle wird verworfen. Abbildung 1 zeigt eine grafische Darstellung von einem schlechten Ansprechen auf die positive Kontrolle durch Nabel orangeworm.
Zum Beispiel von einem schlechten Steuerung Ergebnis ist die durchschnittliche weibliche antennalen Reaktion auf Acetophenon in der Regel ca. 2600 uV (2), wenn die Vorbereitung gab nur eine Antwort von ca.. 1300 uV wäre es verworfen und ein anderes Paar von Antennen vorbereitet. In ähnlicher Weise die durchschnittliche männliche Reaktion auf (Z, Z) -11,13-war hexadecadienal typically 3000 uV; damit, jede Reaktion weniger als 1.500 uV wurde in der Regel verworfen.
Die positive Kontrolle am Anfang und Ende jedes Experiments auch Informationen über den Zustand der Antennen. Eine Faustregel folgen wir für ein schnelles Screening ist, wenn die Antwort auf die antennalen puff der post-Kontrolle (Record Nr. 12, Tabelle 2) ist entweder weniger als 75% des 1. Blätterteig des Pre-Steuerung (Rekord # 1 , Tabelle 2) oder weniger als der 2. Zug der Pre-Steuerung (Record Nr. 2, Tabelle 2) dann wird das Experiment nicht in der Datenanalyse wegen der möglichen Verschlechterung des prep verwendet werden (Abbildung 3). Ein Beispiel für die erste Faustregel würde Rekord Nr. 1 sein = 2.730 uV und Record # 12 = 1680 uV; und die zweite Faustregel gilt, wenn Record # 2 = 2350 uV und Record # 12 = 1680 uV, In jedem dieser Fälle , würden die Vorbereitung und Experiment die Ergebnisse verworfen werden.
Einrepräsentatives Beispiel für die Korrektur der EAG-Werte als Reaktion auf die positive Kontrolle gemessen würde wie folgt aussehen.
| Run # | EAG (uV) | Run # 2 | EAG (uV) | Run # 3 | EAG (uV) |
| (+) Strg | 2800 | (+) Strg | 2420 | (+) Strg | 3030 |
| Ein Cmpnd | 3000 | Ein Cmpnd | 2500 | Ein Cmpnd | 3440 |
| (-) Strg | 530 | (-) Strg | 755 | (-) Strg | 910 |
| Cmpnd B | 2400 | Cmpnd B | 2000 | Cmpnd B | 2560 |
| (+) Strg | 2770 | (+) Strg | 2400 | (+) Ctrl | 3020 |
Unter Verwendung der Werte für einen N = 3 oben beschriebene Experiment wird die negative Kontrolle-Antwort von jedem Wert in jedem Experiment unter der Annahme, die negative Kontrolle ist die Grundlinie Antennallobus Reaktion auf die mechanische Zug und restliches Lösungsmittel abgezogen.
| Run # 1 | EAG (uV) | Run # 2 | EAG (uV) | Run # 3 | EAG (uV) |
| (+) Strg | 2270 | (+) Strg | 1665 | (+) Strg | 2120 |
| Ein Cmpnd | 2470 | Ein Cmpnd | 1745 | Ein Cmpnd | 2530 |
| (-) Strg | 0 | (-) Strg | 0 | (-) Strg | 0 |
| Cmpnd B | 1870 | Cmpnd B | 1245 | Cmpnd B | 1650 |
| (+) Strg | 2240 | (+) Strg | 1645 | (+) Strg | 2110 |
Die positiven Kontrollen für jedes Experiment würde dann gemittelt und korrigiert werden, um 1000 uV und stellt fest, das Verhältnis zur Korrektur bis 1.000 uV. Ein Datenblatt (zB Excel) können leicht manipuliert werden, um Antworten auf verwertbare Daten umgewandelt werden.
| Run # 1 | Avg (uV) | Run # 2 | Avg (uV) | Run # 3 | Avg (uV) |
| (+) Strg | 2255 | (+) Strg | 1655 | (+) Strg | 2115 |
| (+) Strg adj. | 1000 (0.443) | (+) Strg adj. | 1000 (0.604) | (+) Strg adj. | 1000 (0.473) |
Die Multiplikation mit dem Korrekturverhältnis innerhalb jedes Experiment wurden die Werte für Verbindung A und Verbindung B werden dann eingestellt.
| Run # 1 | Adj. EAG (uV) | Run # 2 | Adj. EAG (uV) | Run # 3 | Adj. EAG (uV) |
| Ein Cmpnd | 1094 | Ein Cmpnd | 1054 | Ein Cmpnd | 1197 |
| Cmpnd B | 828 | Cmpnd B | 752 | Cmpnd B | 780 |
Die Durchschnittswerte (Mittelwerte) für jede Verbindung werden dann zusammen mit anderen einschlägigen statistischen Daten und der EAG-Antworten für den getesteten Verbindungen bestimmt können anschließend ausgewertet werdenfür die Kandidatur für eine weitere Untersuchung.
| Verbindung | EAG (uV) | Nr. läuft, N = |
| Ein | 1115 | 3 |
| B | 787 | 3 |

Abbildung 1. Vertreter EAG für männliche antennalen Reaktion (1.180 uV) an den Pre-Steuerung (1 st positive Kontrolle Blätterteig), die aufgrund der schlechten antennalen Antwort wäre nach Sicherstellung der Antennen verworfen haben guten Kontakt mit dem Gel. Blaue Balken im unteren Fenster stellen die 2 Sekunden puff flüchtiger. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung anzuzeigen .

1. Blätterteig Pre-Steuerelement, das als angemessen betrachtet werden würde. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung anzuzeigen .

Abbildung 3. Vertreter EAG für die weibliche Antwort Fühlerglied (1680 uV) auf die post-Kontrolle (letzte positive Kontrolle für jedes Experiment), die als arm werden würde, und suggestive Abbau von Antennen (<75% vom 1. Vor-Steuer-oder < 2. Blätterteig Wert von Pre-Steuerung). Für dieses Beispiel der 1. Pre-Steuerung puff war 2730 uV und 2. Vorregelung puff war 2350 uV. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung anzuzeigen .


Abbildung 5. Kleine modifizierte Gefäß, das eine Probenmatrix und die damit verbundenen flüchtigen Stoffe, über A. aufgeblasen werden transitella Antennen.

Tabelle 1. In sITU Emission von flüchtigen Nonpareil Mandeln (2007) und EAG Reaktionen durch eine andere und weniger empfindliche Konfiguration in der Autospike Programm bestimmt.

Tabelle 2. Beispiel eines Formulars für die Aufzeichnung männlichen und weiblichen antennalen Antworten auf individuelle flüchtigen Bestandteilen.

Tabelle 3. Beispiel eines Formulars für die Aufzeichnung männlichen und weiblichen antennalen Reaktionen auf flüchtige Mischungen und / oder Sträuße.

Tabelle 4. Beispiele für die Herstellung von 10 ml einer 5 mg / ml Lösung für zwei verschiedene Verhältnisse von Mischungen.

Tabelle 5. Beispiel der Form für die Aufnahme zwei Folgencutive Hauche des einzigen flüchtigen Komponenten über männliche und weibliche Antennen.
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Verwendung Elektroantennogramm Aufnahmen als Bioassay Chemorezeption Reaktionen ein Zielinsekt zu bestimmen ist recht üblich und zahlreiche Studien unter Verwendung EAG als Detektor für Ausfluss aus einem Gaschromatogramm (GC-EAD) in der Literatur gefunden werden. 9,10 Verfahren nachgewiesen wird ein schnelles Screening von äquivalenten Mengen an flüchtigen Komponenten mit hohen Wiederholungen für zuversichtlich Zuordnung der relativen Reaktionsfähigkeit geben. Das Programm in der AutoSpike Syntech Software ist ein gutes Programm für das Screening flüchtigen, da es in der Lage, die maximale Auslenkung Amplitudensignal von den Antennen (Abbildungen 1-3), die wir hier präsentieren, wie das "Screening"-Wert bereitzustellen ist. Darüber hinaus können andere grundlegende Informationen für den semi-fortgeschrittene Anwendung (siehe Abbildung 4) mit AutoSpike abhängig von der Konfiguration und was der Forscher will aus dem antennalen Reaktion abzuleiten bezogen werden. Die GcEAD oder EagPro Syntech Programme sind Applich und sinnvoll für weitergehende Experimente oder für Wissenschaftler vertraut mit elektrophysiologischen Reaktionen seit resultierenden Spuren näher der zeitliche Verlauf der antennalen Depolarisation Antwort zu geben.
Vor dem Screening-Verfahren der Verbindungen aus einer Wirtspflanze erkannt, ist die richtige Identifizierung der flüchtigen wichtig und sollte strenge Vorschriften zu folgen. Wenn möglich, sollten zwei GC-Säulen unterschiedlicher Polarität (z. B. DB-Wax und DB-1) für die erstmalige Identifizierung von Bauteilen mittels Abgleich der Retentionsindices (RIS, siehe Tabelle 1) verwendet werden. Die beste Methode ist, um die Identität jedes mit einem flüchtigen Authentifizierung Standard auf zwei Säulen zu überprüfen. 11. Wenn die Identität des einige der Verbindungen nicht möglich ist, kann Aufklärung ihrer Bioaktivität noch durch eine Verwendung von GC-EAD erreicht werden. 12 Jedoch die Replikation der Bioassay begrenzt können abhängig von der flüchtigen Erfassungsmethode werden, wird die Menge des Analyten nicht Grund seinDily zur Verfügung, ohne einen internen Standard wird die Verbindung der Identität nicht sofort bekannt, und die anschließende Prüfung in Mischungen nicht möglich wäre.
Bei sachgemäßer Anwendung und verschlossen im Kühlschrank können Lösungen von flüchtigen Stoffen in Pentan in der Regel für etwa 1 Woche aufbewahrt werden. Wenn die versiegelten Pipetten mit der eingelegten Disc in einem Zip-Lock Beutel platziert werden und sie können im Kühlschrank für etwa 24 Stunden gelagert werden. Allerdings haben wir es am besten, laden Sie die Scheiben am Morgen des EAG-Analysen und der übrig gebliebene Pipetten richtig entsorgen am Ende des Tages. Dosierungen für die standardisierte Puffs sollte experimentell für jede Insektenart bestimmt werden, wenn der einschlägigen Literatur nicht ohne weiteres verfügbar.
Formulierung von Mischungen ist in der Regel ein mühsamer Prozess. Sehen Sie hier einige relativ einfache Ansätze, wenn auch nicht umfassend. Die Forscher werden ermutigt, weitere Lektüre über verschiedene Techniken zu tun. Nach Auswertung der einzelnen Komponente Responses aus der Wirtspflanze flüchtigen durchgeführt worden ist, können die Untersuchungen von Mischungen durchgeführt werden. Ein Beispiel ist die Verwendung der flüchtigen Hervorrufen der höheren relativen Reaktionen aus dem Screening. Andere Beispiele sind:. Kombinationen von relativen Mengen emittiert, Verhältnisse der relativen Reaktionen gegenüber relativen Mengen, die Sortierung nach Klasse von Verbindungen, flüchtige oder Unterschiede in der phänologischen Stadien oder verschiedene Zustände der Matrizen (beschädigt vs unbeschädigt) 13
Die Mischungen sind einfach demonstriert Kombinationen dieser verschiedenen Ansätze. Die 01.01.01 ist ein tertiäres Gemisch auf die relativ hohe Reaktionen in der ersten Screening-Basis, sondern auch für verschiedene Klassen von Verbindungen. Humulen ist ein Sesquiterpen, 2-Undecanon eine Fettsäure Abbauprodukt, und 2-Phenylethanol ist ein benzoiden. Diese Verbindungen stellen die Hauptklassen von flüchtigen Stoffen in der Regel in die Emissionen der Anlage gesehen. Die 01.02.04 Verhältnis in der zweiten Mischung enthält die relativen Verhältnisse der flüchtigen Bestandteile detektiert duRing die GC-MS-Analyse. 4. Jedoch ist die Verwendung von SPME und GC-MS nur relativen Verhältnisse und die Verwendung von GC-FID-Analyse in Verbindung mit Eichkurven der Klassen von Verbindungen ist eine genauere Ausgangspunkt für Verhältnissen empfohlen bereitzustellen basierend auf flüchtigen detektiert.
Die Gabel Elektrode EAG-Technik ist eine der einfacheren Methoden in elektrophysiologischen Experimenten beschäftigt. Der Leser 14 gefördert wird, um weitere Literaturrecherche für fortgeschrittene Anwendungen jenseits dieses Verfahren durchzuführen. Zusätzlich kann das Screening von Ex-situ-Matrizen unter Verwendung des Verfahrens nachgewiesen werden, wobei aber die kleinen (60 ml) modifizierten Gefäßes (5) Pflanzenteilen (z. B. gemahlenen Mandeln). Bei der Verwendung von größeren Behältern (zB 120 ml Deckel versehenes Gefäß mit speziellen Adaptern für den Einsatz mit dem EAG puffer) empfiehlt es sich, den Durchfluss zu erhöhen, um eine ordnungsgemäße Entleerung des Behälters zu gewährleisten. Ein Experiment Schulterd durchgeführt, wobei eine positive Kontrolle in dem Behälter platziert wird, um sicherzustellen, dass die ausreichende Stimulation an der erforderliche Durchsatz erreicht werden. Die Verwendung von zwei Sekunden Zug für die einzelnen Komponenten nicht unbedingt erforderlich und bläht in der Größenordnung von 0,5 bis 1,0 Sekunden charakteristisch sind. Es wird jedoch damit erleichtert künftige Vergleiche mit Puffs von Containern flüchtigen Sträuße, da diese in der Regel eine längere puff bei höheren Fließgeschwindigkeiten. Unsere Labore nutzen die 2 Sekunden puff, um einzelne Komponente und / oder Mischung Antworten direkt zu vergleichen, um Züge mit Hilfe von Matrizen in kleinen Gefäßen (siehe Abbildung 5). Die 2 Sekunden Blätterteig auf diese kleinen Gefäße sorgt für eine vollständige Evakuierung des Behälters, wenn die entsprechende Durchflussmenge eingestellt ist.
Ferner kann Erfassung eines zweiten Zug durchgeführt werden, jedoch die zweite Zug nicht unbedingt notwendig ist für das Screening, da die Menge der Komponente verflüchtigt wird nicht mehr auf einem strengen Standard (gehalten <strong> Tabelle 5). Jedoch kann diese Information für nachfolgende Dosis-Wirkungs-Experimente wertvoll. 15 A viel niedriger Antwort eine verminderte Reaktion auf niedrigere Konzentrationen zeigen, während eine einheitliche Reaktion kann auf die Dosis in der Nähe der Schwelle für eine hohe Ansprechrate. Es sei darauf hingewiesen, gibt es andere physiologische Erklärungen für die Änderung der Antwort 14 an den zweiten Zug werden, aber die Information nicht in der Beratung für zukünftige Experimente unterstützen. Wenn mit hohem Durchsatz nicht absolut kritisch, kann die Verwendung von einem zweiten Zug von jeder Komponente informativ sein.
Wenn jungfräulichen weiblichen Motten das gezielte Probe sind, JETZT Larven im letzten Larvenstadium oder Puppen können sexed und getrennt werden, damit 16 weibliche Entstehung bis in getrennten Behältern auftreten.
Einstellen der Waage kann notwendig sein, die Antennallobus Antwort aufzunehmen, wenn es den aktuellen Maßstab überschreitet. Die Schuppen auf dem EAG-Software Bildschirm ca.n bestimmen, wie viele mm pro uV Reaktion zu unterstützen. Andere Insekten können sich in ihrer Empfindlichkeit variieren.
Die Methode demonstriert bietet eine einfach zu erlernen, schnell, zuverlässig, und das Hochdurchsatz-Screening-Protokoll, um die Anzahl von flüchtigen Stoffen aus Rücksicht für die Bioaktivität der komplexen Zusammensetzung der Wirtspflanze flüchtige Stoffe zu reduzieren. Vorausgesetzt, die Antennen der Probe sind, erlaubt die Gabel EAG-Methode für die schnelle Beurteilung der zahlreichen flüchtigen Bestandteile oder Mischungen von Komponenten, und der Vergleich der Antworten mit der eines Standard. Schließlich ist ein Test entwickelt, der die Aktivität des Bauteils oder der Mischung der Komponenten in einem Feld Einstellung beurteilt die gültigste Verfahren. Allerdings Feldstudien oft sehr zeit-und arbeitsintensiv, teuer und erfordern mehrere Monate, um richtige Ergebnisse zu erhalten.
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Der Autor hat eine bestehende kooperative Forschung und Entwicklung Vereinbarung mit Paramount Farming Company, ein Unternehmen mit Verbindungen zu Suterra LLC.
Diese Arbeit wurde unter USDA-ARS CRIS Projekt 5325-42000-037-00D und mit Ergebnissen aus CRADA 58-3K95-7-1198 und TFCA 58-5325-8-419 durchgeführt. Die Autoren danken Suterra für die Gabe des (Z, Z) -11,13-hexadecadienal, B. Higbee für fruchtbare Diskussionen und J. Baker, um technische Unterstützung.