本生物测定法采用一种模式捕食性鱼类,通过营养成分相似的食物基质,检测海洋生物组织有机提取物中天然浓度下的摄食抑制代谢物的存在。
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本生物测定法采用一种模式捕食性鱼类,通过营养成分相似的食物基质,检测海洋生物组织有机提取物中天然浓度下的摄食抑制代谢物的存在。
海洋化学生态学是一门新兴学科,起源于20世纪80年代天然产物化学家与海洋生态学家的合作,旨在研究海洋生物组织中次级代谢产物的生态功能。这一合作推动了一系列实验方法的不断改进,使其生态相关性日益增强。本文介绍了目前最新版本的鱼类摄食实验室生物测定法,该方法可使研究人员评估海洋生物组织中次级代谢产物的抗捕食活性。将目标生物组织中各种极性的有机代谢物进行完全提取,并在营养适宜的食物基质中重新配制成自然浓度。在实验室摄食实验中,将制备的实验性食物颗粒提供给广食性捕食者,以评估提取物的抗捕食活性。本文所述方法采用蓝头鱼(Thalassoma bifasciatum)来测试加勒比海海洋无脊椎动物的适口性;然而,该实验设计可轻松适用于其他系统。利用该实验室生物测定获得的结果,对于依赖全部潜在捕食者摄食反应的野外实验具有重要的前期指导意义。此外,该生物测定还可用于通过生物测定导向的分级分离方法,定向分离出摄食抑制性代谢物。该摄食生物测定法深化了我们对控制加勒比海珊瑚礁上海洋无脊椎动物分布与丰度因素的理解,并可能为药理学、生物技术及进化生态学等多个研究领域提供重要启示。
化学生态学是化学家与生态学家合作发展的成果。尽管陆地化学生态学作为一门分支学科已存在较长时间,而海洋化学生态学仅有数十年历史,但它已为海洋生物的进化生态学和群落结构研究提供了重要见解1-8。得益于水肺潜水(SCUBA)和核磁共振(NMR)光谱技术的兴起,有机化学家在20世纪70年代和80年代迅速发表了大量文献,报道了来自底栖海洋无脊椎动物和藻类的众多新颖代谢物9。这些研究普遍假设次级代谢产物必然具有某种生物学功能,因此许多文献在缺乏实验证据的情况下,便将生态学上的重要功能归因于新发现的化合物。与此同时,生态学家也借助水肺潜水技术的发展,开始描述以往仅通过效率较低的采样方法(如拖网)所获知的底栖动植物的分布与丰度。这些研究者的假设是,任何固着生活且身体柔软的生物必然依赖化学防御机制以避免被捕食者取食10。为了将实证性引入原本以描述物种丰度为主的生态学研究中,一些生态学家开始从毒性测试结果推断化学防御能力11。大多数毒性测试涉及将整条鱼类或其他生物暴露于无脊椎动物组织的粗提有机提取物的水相悬浮液中,随后测定导致一半测试生物死亡的干重浓度。然而,此类毒性测试并不能模拟潜在捕食者在自然条件下感知猎物的方式,后续研究也发现毒性与适口性之间并无关联12-13。令人惊讶的是,一些发表在知名期刊上的研究采用了生态相关性极低甚至毫无相关性的技术手段14-15,而这些研究至今仍被广泛引用。更令人担忧的是,基于毒性数据的研究至今仍在持续发表16-18。本文所述的生物测定方法于20世纪80年代末期开发,旨在为海洋化学生态学家提供一种具有生态相关性的评估抗捕食化学防御能力的方法。该方法要求使用一种模式捕食者,在营养成分相似的食物基质中,以自然浓度摄取目标生物的粗提有机提取物,从而获得比毒性数据更具生态学意义的适口性数据。
评估海洋生物组织抗捕食活性的总体方法包括四个重要标准:(1)在摄食实验中必须使用合适的广食性捕食者,(2)必须将目标生物组织中所有极性的有机代谢物进行彻底提取,(3)必须将这些代谢物以与其来源生物体内相同的体积浓度混入营养适宜的实验食物中,(4)实验设计和统计分析方法必须提供有意义的指标,以反映相对的难食性。
以下所述实验方案专用于评估加勒比海海洋无脊椎动物的抗捕食化学防御机制。我们采用蓝头濑鱼(Thalassoma bifasciatum)作为模式捕食性鱼类,因为该物种在加勒比海珊瑚礁中广泛分布,且已知会摄食多种底栖无脊椎动物19。首先提取目标生物的组织,然后将其与食物混合物结合,最后提供给多组 T. bifasciatum,以观察其是否拒绝摄食经提取物处理的食物。利用该方法获得的检测数据,已为深入了解海洋生物的防御化学机制12,20-21、生活史权衡关系22-24以及群落生态学25-26提供了重要依据。
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注意:本方案的第3步涉及脊椎动物实验对象。该操作程序的设计旨在尽可能对动物实施最人道的处理,并已获得北卡罗来纳大学威尔明顿分校机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。
1)组织提取
2)食物制备
3) 适口性生物测定
4) 评估显著性
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本文报告了该生物测定法对六种常见加勒比海海绵物种的测定结果(图2)。这些数据最初由Pawlik et al.12于1995年发表,展示了该方法在调查共存分类群之间化学防御策略差异方面的有效性。结果以每种海绵物种被取食的食物颗粒平均数加标准误(SE)表示。在含有Agelas clathrodes、Amphimedon compressa和Aplysina cauliformis粗有机提取物的实验中,几乎未发生取食。相比之下,含有Callyspongia vaginalis、Geodia gibberosa和Mycale laevis提取物的颗粒在实验中被迅速取食12。前三种海绵对应的颗粒被取食数少于6个,因此被认为具有显著的拒食效应;而后三种海绵的取食量与对照组无显著差异,被视为可被取食。
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本文所述方法提供了一种相对简单且具有生态相关性的实验室方案,用于评估海洋生物的抗捕食化学防御机制。以下是该方法体系所满足的重要标准:
(1)合适捕食者。 本摄食实验采用蓝头濑鱼(Thalassoma bifasciatum),这是广泛分布于加勒比海珊瑚礁中最常见的鱼类之一。蓝头濑鱼是一种广食性肉食性鱼类,已知会摄食多种底栖无脊椎动物19。在初步实验中,广食性捕食者是最佳选择,因为珊瑚礁上大多数捕食性鱼类均为广食性种类,因此可预期抗捕食防御机制主要针对这类捕食者,而非可能已进化出克服防御机制的专食性捕食者。在实验室中利用单一潜在捕食者进行化学防御筛选后,通常还需开展更为耗时且复杂得多的野外实验,后者依赖于在自然条件下全部潜在捕食者群落的反应情况28-33。
(2)提取步骤。 第一步组织提取使用等体积的二氯甲烷(DCM)和甲醇(MeOH)混合溶剂,可快速渗透组织,溶解膜结构并使细胞物质脱水。经过此步骤后,组织已被脱水,因此后续步骤使用...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
感谢 James Maeda 和 Aaron Cooke 在本视频拍摄与剪辑过程中提供的帮助。本研究由美国国家科学基金会(OCE-0550468,1029515)提供资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 250 ml 圆底烧瓶 | Fisher Scientific | 10-067E | |
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| 称量舟 | Fisher Scientific | 02-202B | |
| 微型药匙 | Fisher Scientific | 21-401-10 | |
| 5 ml 带刻度注射器 | Fisher Scientific | 14-817-53 | |
| 10 ml 带刻度注射器 | Fisher Scientific | 14-817-54 | |
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