مقالة منهجية

الديدان التي لا نهاية لها أجمل: الطرق الحالية لاستخدام الديدان الخيطية لدراسة علم الأحياء التطوري التطوري

DOI:

10.3791/64594

أغسطس 10, 2022

في هذه المقالة

الملخص

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المقالات التي تمت مناقشتها:

تينتوري ، إس سي ، سلوت ، إس إيه ، روكمان ، إم في العزل السريع للديدان الخيطية البرية بواسطة قمع بيرمان. مجلة التجارب المرئية. (179) (2022).

كرومبي ، تي إيه ، تاني ، آر إي ، بوكانان ، سي إم ، روبرتو ، إن إم ، أندرسن ، إي سي. نهج قابل للتطوير بدرجة كبيرة لإجراء المسوحات البيئية للديدان الخيطية لالتهاب الحشرات الذاتية. مجلة التجارب المرئية. (181) (2022).

أكلي ، سي ، واشيياشي ، إل ، كريشنامورثي ، ر. ، روثمان ، جي إتش مقايسة الجاذبية على نطاق واسع ليرقات Caenorhabditis Dauer. مجلة التجارب المرئية. (183) (2022).

Woronik، A.، Kiontke، K.، Jalad، R.S.، Herrera، R.A.، Fitch، D.H.A. التشريح الدقيق بالليزر لتطبيقات الأنسجة المفردة الحيادية للأنواع. مجلة التجارب المرئية. (181) (2022).

Cammalleri، S.R.، Knox، J.، Roy، P.J. زراعة وفحص الديدان الخيطية الطفيلية النباتية Ditylenchus dipsaci. مجلة التجارب المرئية. (179) (2022).

هيريانتو ، سي ، راتنابان ، ر. ، أوهالوران ، دي إم ، هودون ، جي إم ، إليفثيريانوس ، آي زراعة الديدان الخيطية الممرضة للحشرات والتلاعب بها وراثيا. مجلة التجارب المرئية. (181) (2022).

افتتاحية

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في الستينيات ، كانت سيدني برينر رائدة في استخدام Caenorhabditis elegans ، وتحديدا سلالة N2 المعزولة من بريستول ، المملكة المتحدة ، لدراسة علم الأعصاب الحيوانيوتطويره. منذ ذلك الحين ، كانت الاكتشافات الأساسية مع هذه السلالة المرجعية المختبرية مفيدة في كشف تنظيم العمليات الأساسية مثل موت الخلايا المبرمج2 ، تكوين الأعضاء3،4،5 ، الشيخوخة6،7 ، تنظيم الجينات بواسطة الحمض النووي الريبي غير المشفر8،9،10،11 ، وصف الروابط العصبية ثنائية الشكل جنسيا الكاملة12 ، والعديد من الظواهر الأخرى في البيولوجيا الجزيئية والخلوية والتنموية. تكملها العديد من الدراسات "omic" بدقة الخليةالواحدة 13،14 ، يمكن القول إن N2 هو أكثر أنواع الميتازوان الموصوفة بشكل كامل. وفرت ثروة المعرفة المكتسبة من دراسة N2 على مدى العقود الستة الماضية نقطة انطلاق لاستكشاف التنويع التطوري للآلية التي تعدل التطور في الأنماط المتميزة وراثيا C. ايليجانس البرية ، وكذلك في أنواع الديدان الخيطية الأخرى. حتى الآن ، تم عزل أكثر من 500 C. ايليجانس ، لكل منها نمط فرداني فريد ، من جميع أنحاء العالم15. سهل هذا التقدم إلى حد كبير تحديد العوامل الوراثية المسؤولة عن التباين في السمات الكمية16 ، بما في ذلك الأليلات المشتقة من المختبر في العديد من الجينات التي تعدل مجموعة من السمات السلوكية والتنموية في N2 (على سبيل المثال ، المراجع17،18،19،20). ومن ثم ، فإن دراسة الديدان البرية يمكن أن توفر رؤى مهمة حول كيفية تفاعل مع بيئتها بطرق تؤثر على التطور وعلم وظائف الأعضاء والسلوكيات وتضيء أيضا المسارات التطورية للحيوانات. يبدو أن العديد من الأنواع في جنس Caenorhabditis لا يمكن تمييزها شكليا تقريبا عن C. ايليجانس21،22 ، مما يوفر منصة قوية لدراسة الآلية الجزيئية لانجراف النظام التنموي23،24. ومع ذلك ، من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن مورفولوجيا C. ايليجانس ، التي تعيش في المواد النباتية المتعفنة ، تختلف اختلافا كبيرا عن أقرب شقيق معروف لها ، C. inopinata ، الموجود فقط على التين ، على الأرجح نتيجة التكيف المتخصص25. ستعمل الدراسات المقارنة داخل الأنواع وبين الأنواع على تعميق فهمنا للتاريخ التطوري لهذه. بهدف تعزيز استخدام الموارد الطبيعية الغنية التي تقدمها الديدان الخيطية للتحقيق في أسئلة مهمة في علم الأحياء التطوري والسلوكي ، توفر هذه المجموعة من المقالات تقنيات مفيدة لعزل وزراعة ودراسة الديدان البرية وأنواع الديدان الخيطية خارج C. ايليجانس الأنواع.

في مجموعة الطرق هذه ، يوفر Tintori et al.26 و Crombie et al.27 طرقا تكميلية لعزل الديدان الخيطية البرية. Tintori et al. يصف طريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة لعزل الديدان الخيطية في الحقل باستخدام قمع بيرمان. يسمح هذا النهج للباحثين ، بطريقة غير متحيزة ، بجمع مجموعة الديدان الخيطية بأكملها تقريبا من الركائز (على سبيل المثال ، الفاكهة المتعفنة والزهور والسيقان). في المقابل ، كرومبي وآخرون يقدمون طريقة تثري أنواع التهاب الكينورهابديت ذاتية التخصيب مثل C. ايليجانس ، C. briggsae ، و C. tropicalis. بالإضافة إلى ذلك ، يقدمون تعليمات مفصلة حول استخدام تطبيق Fulcrum وبرنامج R لتتبع وتنظيم عينات الديدان الخيطية بشكل فعال ، بالإضافة إلى البيانات البيئية المقابلة. ستوفر دراسة الديدان الخيطية في سياقها الطبيعي رؤى مهمة حول بيئتها ، والتي تشكل السمات المعقدة في هذه الأنواع.

تظهر الديدان الخيطية تباينا داخل الأنواع وبين الأنواع في السلوكيات التي تسهل التكيف المتخصص ، مما يوفر نموذجا ممتازا لدراسة الأساس الجيني للدونة السلوكية والتباعد العصبي28،29،30. يصف Ackley et al.31 فحصا قويا لدراسة انجذاب الجاذبية ، والذي قد يكون بمثابة آلية تشتت ، في يرقات داور من أنواع مختلفة من التهاب Caenorhabdit . نظرا لأن سلوك الجاذبية قد يتأثر بالمدخلات الحسية الأخرى32 ، يوفر Ackley et al.31 طريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة لحماية من المجالات الضوئية والكهرومغناطيسية ، وبالتالي منع التداخل المعروف لهذه التأثيرات البيئية على سلوك الجاذبية. سيكون هذا الفحص مفيدا لدراسة الآلية الجزيئية للتكامل الحسي وتطور استراتيجيات التشتت في الديدان الخيطية.

أحدث تطوير تقنيات تسلسل الحمض النووي الريبي أحادي الخلية في العقد الماضي ثورة في تحليلات النسخ ، مما مكن الباحثين من دراسة عدم التجانس الخلوي في الكائنات متعددة الخلايا بدقة عالية. في C. ايليجانس ، يعتمد عزل أنواع الخلايا المختلفة على التعبير عن علامات الفلورسنت الخاصة بالأنسجة و FACS33 ، مما يحد من تطبيقه على أنواع الديدان الخيطية الأخرى التي لا تتوفر لها أدوات معدلة وراثيا. نجح Woronik et al.34 في نشر التشريح الدقيق بالليزر لعزل الأنسجة عن الديدان في غياب العلامات الخلوية. يقومون بعزل أطراف الذيل من C. ايليجانس الذكور والخنثى ويؤدون تسلسل الحمض النووي الريبي باستخدام CEL-Seq2 للتحقيق في آلية تشكل الذيل. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه يمكن اعتماد الطريقة الموصوفة بسهولة لأنواع الأنسجة الأخرى في أنواع مختلفة من الديدان الخيطية ، مما يسمح بتحليلات النسخ المقارنة في سياق خاص بالأنسجة.

C. ايليجانس والعديد من الديدان الخيطية الطفيلية تحتوي على هياكل مماثلة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم الحفاظ على العديد من أنظمة الإشارات الرئيسية ومسارات النمو بين الأنواع35،36. الديدان الخيطية الجذعية والبصلة ، Ditylenchus dipsaci ، هي ديدان خيطية طفيلية نباتية تؤثر على أكثر من 500 نوع نباتي في جميع أنحاء العالم مما يتسبب في خسارة مدمرة للمحاصيل الغذائية. يصف Cammalleri et al.37 طريقة فعالة لنشر عدد كبير من D. dipsaci في نباتات البازلاء. يقدم المؤلفون أيضا بروتوكولا مفصلا لتحديد الجزيئات الصغيرة المرشحة التي قد تكون بمثابة مبيدات خيطية عن طريق إضعاف حركة الديدان. سهولة الزراعة المختبرية إلى جانب تسلسل الجينومالمتاح مؤخرا 38 تجعل D. dipsaci نموذجا مفيدا للدراسات المقارنة مع C. elegans ، مما يجعل من الممكن الكشف عن جوانب جديدة من بيولوجيتها وتطوير استراتيجيات فعالة للمكافحة الحيوية.

أخيرا ، يوفر Heryanto et al.39 طريقة لنشر التهاب البكتيريا Heterorhabditis و Steinernema carpocapsae ، وهي ديدان منشأة للحشرات تصيب الحشرات وتظهر ارتباطا متبادلا مع البكتيريا الموجودة في أحشائها. Heryanto et al. يوضح أيضا طرقا ل RNAi في H. bacteriophora عن طريق الحقن الدقيق dsRNA في الغدد التناسلية. أظهرت دراسة سابقة أن أجنة Steinernema بطيئة النمو وأن الانتقال من الأم إلى البيضة الملقحة يحدث في وقت مبكر أثناء التطور الجنيني في Steinernema مقارنة بأنواع Caenorhabditis 40. مزيد من الدراسات المقارنة باستخدام الأدوات الجينية التي وصفها Heryanto et al. 39 تعد بالكشف عن أساس التنويع التطوري للبرامج التنموية في هذه الأنواع ذات الصلة البعيدة ، بالإضافة إلى رؤى جديدة حول تطور التطفل.

توفر المقالات الموجودة في مجموعة الطرق هذه عينات من النظام القوي الذي تقدمه الديدان الخيطية للدراسات المقارنة والميكانيكية المستقبلية. من الأهمية بمكان فهم كيفية ضبط العمليات البيولوجية المتنوعة أثناء التطور لإظهار "الأشكال التي لا نهاية لها لتشارلز داروين ، أجمل وأروع".

الإفصاحات

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقر المؤلفون بالتمويل من المعاهد الوطنية للصحة (# R01GM143771 و # R01HD081266).

المراجع

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics. 77 (1), 71-94 (1974).
  2. Conradt, B., Wu, Y. C., Xue, D. Programmed cell death during Caenorhabditis elegans development. Genetics. 203 (4), 1533-1562 (2016).
  3. Sharma-Kishore, R., White, J. G., Southgate, E., Podbilewicz, B. Formation of the vulva in Caenorhabditis elegans: a paradigm for organogenesis. Development. 126 (4), 691-699 (1999).
  4. Gaudet, J., Mango, S. E. Regulation of organogenesis by the Caenorhabditis elegans FoxA protein PHA-4. Science. 295 (5556), 821-825 (2002).
  5. Maduro, M. F., Rothman, J. H. Making worm guts: The gene regulatory network of the Caenorhabditis elegans endoderm. Developmental Biology. 246 (1), 68-85 (2002).
  6. Kenyon, C., Chang, J., Gensch, E., Rudner, A., Tabtiang, R. A C. elegans mutant that lives twice as long as wild type. Nature. 366 (6454), 461-464 (1993).
  7. Lin, K., Hsin, H., Libina, N., Kenyon, C. Regulation of the Caenorhabditis elegans longevity protein DAF-16 by insulin/IGF-1 and germline signaling. Nature Genetics. 28 (2), 139-145 (2001).
  8. Ambros, V., Lee, R. C., Lavanway, A., Williams, P. T., Jewell, D. MicroRNAs and other tiny endogenous RNAs in C. elegans. Current Biology. 13 (10), 807-818 (2003).
  9. Lee, R. C., Ambros, V. An extensive class of small RNAs in Caenorhabditis elegans. Science. 294 (5543), 862-864 (2001).
  10. Lee, R. C., Feinbaum, R. L., Ambros, V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell. 75 (5), 843-854 (1993).
  11. Reinhart, B. J., et al. The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans. Nature. 403 (6772), 901-906 (2000).
  12. Cook, S. J., et al. Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes. Nature. 571 (7763), 63-71 (2019).
  13. Taylor, S. R., et al. Molecular topography of an entire nervous system. Cell. 184 (16), 4329-4347 (2021).
  14. Cao, J., et al. Comprehensive single-cell transcriptional profiling of a multicellular organism. Science. 357 (6352), 661-667 (2017).
  15. Cook, D. E., Zdraljevic, S., Roberts, J. P., Andersen, E. C. CeNDR, the Caenorhabditis elegans natural diversity resource. Nucleic Acids Research. 45, 650-657 (2017).
  16. Evans, K. S., Wijk, M. H., van McGrath, P. T., Andersen, E. C., Sterken, M. G. From QTL to gene: C. elegans facilitates discoveries of the genetic mechanisms underlying natural variation. Trends in Genetics. 37 (10), 933-947 (2021).
  17. Duveau, F., Félix, M. A. Role of pleiotropy in the evolution of a cryptic developmental variation in Caenorhabditis elegans. PLOS Biology. 10 (1), 1001230(2012).
  18. Sterken, M. G., Snoek, L. B., Kammenga, J. E., Andersen, E. C. The laboratory domestication of Caenorhabditis elegans. Trends in Genetics. 31 (5), 224-231 (2015).
  19. Andersen, E. C., et al. A powerful new quantitative genetics platform, combining Caenorhabditis elegans high-throughput fitness assays with a large collection of recombinant strains. G3: Genes|Genomes|Genetics. 5 (5), 911(2015).
  20. McGrath, P. T., et al. Quantitative mapping of a digenic behavioral trait implicates globin variation in C. elegans sensory behaviors. Neuron. 61 (5), 692-699 (2009).
  21. Zhao, Z., Boyle, T. J., Bao, Z., Murray, J. I., Mericle, B., Waterston, R. H. Comparative analysis of embryonic cell lineage between Caenorhabditis briggsae and Caenorhabditis elegans. Developmental Biology. 314 (1), 93-99 (2008).
  22. Levin, M., Hashimshony, T., Wagner, F., Yanai, I. Developmental milestones punctuate gene expression in the Caenorhabditis embryo. Developmental Cell. 22 (5), 1101-1108 (2012).
  23. Ewe, C. K., Torres Cleuren, Y. N., Rothman, J. H. Evolution and developmental system drift in the endoderm gene regulatory network of Caenorhabditis and other nematodes. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 170(2020).
  24. True, J. R., Haag, E. S. Developmental system drift and flexibility in evolutionary trajectories. Evolution and Development. 3 (2), 109-119 (2001).
  25. Kanzaki, N., et al. Biology and genome of a newly discovered sibling species of Caenorhabditis elegans. Nature Communications. 9 (1), 1-12 (2018).
  26. Tintori, S. C., Sloat, S. A., Rockman, M. V. Rapid isolation of wild nematodes by Baermann funnel. Journal of Visualized Experiments. (179), e63287(2022).
  27. Crombie, T. A., Tanny, R. E., Buchanan, C. M., Roberto, N. M., Andersen, E. C. A highly scalable approach to perform ecological surveys of selfing Caenorhabditis nematodes. Journal of Visualized Experiments. (181), e63486(2022).
  28. Andersen, E. C., Rockman, M. V. Natural genetic variation as a tool for discovery in Caenorhabditis nematodes. Genetics. 220 (1), 156(2022).
  29. Lee, D., et al. The genetic basis of natural variation in a phoretic behavior. Nature Communications. 8 (1), 1-7 (2017).
  30. Jovelin, R., Ajie, B. C., Phillips, P. C. Molecular evolution and quantitative variation for chemosensory behaviour in the nematode genus Caenorhabditis. Molecular Ecology. 12 (5), 1325-1337 (2003).
  31. Ackley, C., Washiashi, L., Krishnamurthy, R., Rothman, J. H. Large-scale Gravitaxis assay of Caenorhabditis Dauer larvae. Journal of Visualized Experiments. (183), e64062(2022).
  32. Ackley, C., et al. Parallel mechanosensory systems are required for negative gravitaxis in C. elegans. bioRxiv. , (2022).
  33. Kaletsky, R., et al. Transcriptome analysis of adult Caenorhabditis elegans cells reveals tissue-specific gene and isoform expression. PLOS Genetics. 14 (8), 1007559(2018).
  34. Woronik, A., Kiontke, K., Jallad, R. S., Herrera, R. A., Fitch, D. H. A. Laser microdissection for species-agnostic single-tissue applications. Journal of Visualized Experiments. (181), e63666(2022).
  35. Rosso, M. N., Jones, J. T., Abad, P. RNAi and functional genomics in plant parasitic nematodes. Annual Review of Phytopathology. 47, 207-232 (2009).
  36. Zheng, J., et al. The Ditylenchus destructor genome provides new insights into the evolution of plant parasitic nematodes. Proceedings. Biological Sciences. 283 (1835), 20160942(2016).
  37. Cammalleri, S. R., Knox, J., Roy, P. J. Culturing and screening the plant parasitic nematode Ditylenchus dipsaci. Journal of Visualized Experiments. (179), e63438(2022).
  38. Mimee, B., et al. The draft genome of Ditylenchus dipsaci. Journal of Nematology. 51 (1), 1-3 (2019).
  39. Heryanto, C., Ratnappan, R., O’halloran, D. M., Hawdon, J. M., Eleftherianos, I. Culturing and genetically manipulating entomopathogenic nematodes. Journal of Visualized Experiments. (181), e63885(2022).
  40. Macchietto, M., et al. Comparative transcriptomics of Steinernema and Caenorhabditis single embryos reveals orthologous gene expression convergence during late embryogenesis. Genome Biology and Evolution. 9 (10), 2681(2017).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

NematodesEvolutionary Developmental BiologyCaenorhabditisEcological SurveysGravitaxis AssayLaser MicrodissectionPlant Parasitic NematodeDitylenchus DipsaciEntomopathogenic NematodesJournal Of Visualized Experiments

مقالات ذات صلة