本论文报告了一种使用果蝇种群培养笼定期培养黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)种群的详细实验方案。
本论文报告了一种使用果蝇种群培养笼定期培养黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)种群的详细实验方案。
生物化学和分子生物学实验通常需要大量的 DNA、RNA、蛋白质及其他细胞组分。Drosophila 较短的生活周期使其能够以较低的经济成本,同步地从胚胎、幼虫、蛹和成虫中收集到大量材料。大量繁殖果蝇的主要策略之一是使用果蝇群体培养笼。这一在Drosophila研究领域中常用且实用的工具,可根据所需发育阶段的均一性,高效地定期产生毫克至数十克量级的胚胎。尽管建立群体培养笼可能耗时较长,但一旦建立,长期(数月)维持所需工作量显著减少,并可在短时间内快速获取大量生物材料。本文介绍了一种详细且灵活的Drosophila melanogaster群体培养笼维持方案,起始材料为上一轮收获的1.5克材料。
结合遗传学与生物化学方法的能力使得Drosophila成为进行生物化学和分子生物学研究的尤为合适的模式生物1-3。此类研究通常需要大量的生物材料,不仅来自成年果蝇,还包括幼虫4、蛹5和胚胎6-8。为了获得大量材料,研究人员使用称为果蝇"群体培养笼"的大型容器来培养果蝇。这些培养笼由塑料制成的圆柱体构成,两端覆盖网罩,以便将食物引入笼内,同时防止果蝇逃逸。这些培养笼可自行制作9-11,也可从公司购买(见特定材料/设备表格)。
使用该系统大量培养果蝇的一个主要优势在于,可以控制果蝇的生命周期12,使所有果蝇以相对同步的方式发育。这种同步化通过在精确的时间点接种新胚胎、饲喂幼虫/成虫以及处死成年果蝇来实现。使用同步化的果蝇群体对于发育研究尤为有用13。
从少量果蝇开始建立一个新的种群培养笼是一个耗时的过程,需要经过多轮扩增9-11。即使使用较大的容器,如果蝇培养瓶或小型培养笼,整个过程仍可能持续数月。为了避免这一耗时的步骤,许多黑腹果蝇(Drosophila)实验室会定期维持此类种群培养笼。最便捷的方法是从已建立的种群培养笼中收集胚胎,以此作为新培养笼的起始材料。通常,大多数实验室会维持野生型种群培养笼,例如Oregon R或Canton S。本文提供了一套详细的果蝇种群培养笼维持实验方案。
1. 启动周期:接种胚胎
注意:本周期起始于上一周期收集的 1.5 g 材料(由胚胎和/或部分一龄幼虫组成的混合物)。该材料将与活性酵母混合物一同放入塑料容器中(参见特定材料/设备列表),直至发育至蛹期。在将胚胎和幼虫的生物混合物加入容器后,需盖上盖子以防止幼虫逃逸。为保证空气流通,必须在盖子上打孔。为防止幼虫从孔中逃出,应使用泡沫塞。最后,建议佩戴手套和实验服,不仅在本步骤中,整个实验流程中均应如此,以避免衣物被漂白剂污染或沾染污渍。
2. 周期的延续:从胚胎到成虫。
注意:本周期阶段从第1天将胚胎放入塑料容器开始,持续至第9天 稍后成虫将从蛹中羽化。在这8天内,无需进行任何操作,只需监测胚胎是否正常发育至下一阶段 果蝇 生活周期直至羽化。若幼虫在此期间开始死亡并变黑,需检查泡沫塞是否过紧,并确保提供充足的通风。此阶段是清洁上一轮使用过的果蝇群体培养笼的适宜时机。
3. 成虫果蝇。
注意:蛹期持续4天后,首批果蝇将从蛹中羽化。在24至48小时内,所有果蝇应已完成羽化。在此生命周期阶段,需提供食物,以创造适宜繁殖的环境。
4. 周期结束:收集胚胎
注意:果蝇在羽化后 3 - 5 天时繁殖力最强。因此,在此期间进行收集可获得最高的胚胎产量。在完成所需的收集后,本周期即告结束。应按照步骤 2.2 的规定将果蝇处死,并清洁饲养笼。
5. 后续处理
注意:未用于延续种群的胚胎可立即用于实验,或 alternatively 可在 -80 ℃ 冻存 ºC. 两种方案中,胚胎可能需要 首先进行去壳处理。
果蝇群体的维持基于其生命周期。因此,在将初始的胚胎和幼虫生物混合物放入塑料容器后(图1A受精卵最多在2天内孵化成幼虫,幼虫将生长4天,期间相对同步地经历不同的龄期幼虫阶段(参见 图1B).
幼虫完成第3次蜕皮后rd 幼虫龄期阶段,它们将化蛹,并在塑料容器内的棉絮表面以及容器盖内壁上形成蛹。图1C)。此化蛹期将持续约4天,直至果蝇完成变态过程。在此期间,强烈建议将果蝇转移至饲养笼中。自周期启动后第9至10天,首批成虫将开始羽化。图1D第11天时,所有个体均已从蛹中羽化。
在羽化后第3至5天(第13至15天)收集胚胎的产量最高,到第17天(羽化后7天)产量最终下降。因此,建议在第13天添加最后一盘新鲜食物,并在第15天收集卵(图1E 和 F),以获得最大数量的胚胎。若在收集前额外增加三天,可能导致食物过于干燥,从而降低所收集胚胎的产量。表1 显示了6个连续收集周期的产量情况,每个周期起始材料为1.5 g;图2 为推荐的完整周期收集时间安排。
在2天内收集的材料主要由胚胎组成,但也存在少量幼虫。从饲养笼维护的角度来看,这些幼虫并不会造成问题,因为一定程度的发育不同步是正常现象。然而,对于某些生物化学实验而言,胚胎的纯度至关重要,但同时又需要收集大量卵子以满足实验需求。因此,在快速加入含食物的新培养板后,于室温下分别在1小时和3小时进行多次连续短时收集,以评估该方法所能获得的产量和纯度(表2 和 图3)。1小时的连续收集初始产量较低(14.5 mg),但随后各次收集的胚胎量逐渐增加(最后一次除外)。初次产量较低可能是由于更换食物过程中果蝇受到应激所致,之后逐渐适应环境。另一方面,在五次连续收集中均未观察到幼虫(图3A),表明更短时间的收集可获得更高的纯度。若未将棉塞从饲养笼中移除,则前期发育的幼虫更有可能残留并进入新加入的培养板中。即使移除了棉塞,有时幼虫仍会沿饲养笼壁爬行,并在收集过程中进入食物中。
在连续收集3小时的情况下,产量范围为840至1250 mg,约为1小时收集量的10倍。这些胚胎的纯度接近100%(图3B)。偶尔可观察到少量幼虫。某些发育研究需要所收集胚胎具有高度同步性。为提高同步性纯度,建议弃去第一次收集的培养皿,因为在非理想条件下,雌性果蝇可能会保留较成熟的卵,并在条件改善时(例如更换新的培养皿后)将其产出。此外,需要注意的是,较老的成年果蝇(>6天)产生的胚胎同步性较低。为高精度验证胚胎同步程度,建议对收集的胚胎进行DAPI染色分析。

图1. 该 黑腹果蝇 果蝇种群培养笼中的生命周期 (A) 将1.5 g胚胎接种至塑料盒容器中以启动循环。作为参考,下图中标尺滤纸的长度为8.5 cm。B) 周期启动5天后,幼虫生长相对同步。C第8天时,大多数果蝇处于蛹期。下图面板中 B (B')和 C (C')是上图中相应区域的放大图像。D10天后,成虫从蛹中羽化。E第15天,在开始收集胚胎前,种群培养笼内的成虫。果蝇食物上黄白色的物质为已受精的卵。F经过整个笼周期后,从最粗的100目筛底部收集的胚胎(以及少量幼虫)。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2. 完整周期采集时间表。图2展示了完整周期采集的推荐时间安排。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3. 连续收集1小时和3小时后的纯度。 在更换新食物培养皿后1小时(A)和3小时(B)收集的胚胎代表性图像。请点击此处查看该图的放大版本。
| 循环次数 | 产量 (g) |
| 1 | 10.3 |
| 2 | 9.5 |
| 3 | 10.3 |
| 4 | 12.7 |
| 5 | 10 |
| 6 | 7.1 |
表1. 多次循环收集的产量。 表1展示了6次连续循环收集的产量,起始物料量为1.5 g。每次循环中,第13天添加最后一盘食物,第15天进行收获。
| 收集编号 | 收集时长(小时) | 产量(mg) |
| 1 | 1 | 14.5 |
| 2 | 1 | 21.6 |
| 3 | 1 | 56.1 |
| 4 | 1 | 160.1 |
| 5 | 1 | 106.1 |
| 1 | 3 | 960 |
| 2 | 3 | 840 |
| 3 | 3 | 1250 |
表2. 1小时和3小时连续采集的产量。表2显示了添加新食物后连续5次1小时采集以及放置新糖蜜板后连续3次3小时采集的产量。
从1.5 g材料开始,每个周期可获得7至13 g的胚胎收集量。要获得如此数量的材料,关键在于维持果蝇生活周期各个阶段的适宜培养条件。
最重要的参数是温度和湿度,应分别为 24 ºC 和 35%。如果在实验室的常规环境中无法保持这两个参数恒定,可将果蝇培养笼置于培养箱或环境控制室中。其他方案建议使用 70% 的湿度以及恒定的 24 小时光照-黑暗循环,以提高产卵量9,10。然而,将湿度维持在约 35% 可避免细菌污染,且由于本方案的目的仅为维持种群培养笼,果蝇将被饲养在实验室正常的光照环境中。
另一个重要之处是尽量减少对成年果蝇的干扰。建议将饲养笼放置在远离果蝇培养室的独立区域,以避免来自其他果蝇的交叉污染。
不建议培养大量转基因和突变果蝇种群,因为很难维持其纯度,且在大规模种群培养笼中可能出现显著的异常交配行为14。
大量培养黑腹果蝇(Drosophila)时可能遇到的一个问题是存在螨虫和/或霉菌等其他生物,它们会与果蝇竞争食物,从而降低产卵量。为避免此问题,必须保持所有设备清洁,每次使用后用清水和肥皂清洗培养笼、网罩和果蝇培养盒,并更换一次性材料(如泡沫塞)。为抑制霉菌生长,在步骤1.2制备果蝇食物时需向湿酵母中添加丙酸和磷酸,在步骤3.1制备糖蜜培养皿时加入Tegosept。当时间紧迫且材料无法立即清洗时,有时可将塑料盒或筛子等物品暂时放置于-20 ˚C环境中保存。
一个完整的收集周期持续14至15天,从将胚胎接种到果蝇培养盒中开始,到最后一次收集日结束。在此期间,建议制定一个时间表,以便记住果蝇种群培养笼维护过程中的所有必要步骤(图2),这些步骤在方案部分有详细说明。从接种卵开始,直到成虫果蝇羽化,只需定期检查塑料培养盒,并在发生化蛹时将其移入培养笼中。此后,需每隔2至3天喂食果蝇一次,直至为下一个新周期接种胚胎。在整个操作流程中,最耗时的一天是进行胚胎收集和接种以启动新周期的那一天。如方案中所述,成虫羽化后3至5天产卵量最高,之后约2天开始下降。这使我们可以在一定程度上灵活选择进行卵收集的具体日期。
如果由于任何原因收集到的胚胎产量少于所需的起始量(1.5 g),总可以在第二天添加一个新的糖蜜培养皿以收集更多卵。为了持续收集,建议同时维持两个培养笼;如果需要更大量的胚胎,也可以使用更大的培养笼。若进行短时间收集,提高产量的一种方法是利用早晨产卵的高峰期。
大量收集不同发育阶段样本具有诸多优势。例如,从群体培养笼中收集的胚胎已成功应用于免疫沉淀实验 6-8,从解离的幼虫中大量收集幼虫组织已被证明是进行3C实验的极佳材料来源4 和RNA制备15,成年果蝇的头部已被用于ChIP实验16此外,通常需要成虫来制备用于组织培养的果蝇提取物17.
笼养系统最具前景的应用之一是为高通量分析提供材料,用于在病原体、生物分子、化学物质和电离辐射暴露条件下,对基因、转录本、蛋白质和代谢物进行分析与筛选。在这些大规模分析中需要大量个体,而本文所述的果蝇群体培养笼在获取不同发育阶段的大量Drosophila材料以供分析和筛选方面具有重要帮助18。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Yixian Zheng(卡内基华盛顿研究所,美国马里兰州巴尔的摩)提供的原始实验方案以及在初期建立过程中的帮助,并感谢 Lei 实验室成员对本文手稿的审阅。本研究由美国国家糖尿病、消化与肾脏疾病研究所院内研究计划资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 细菌琼脂 | Beckton Dickinson | 214010 | |
| 库瑞特实用棉卷 | Kendall | 2287 | |
| 干酵母 | Affymetrix | 23540 | |
| 滤纸 | GE Healthcare Life Science | 1001-085 | |
| 泡沫管塞 | Jaece | L800-D2 | 直径 50 mm × 长度 55 mm |
| 果蝇群体饲养笼 | Flystuff | 59-116 | 直径 9″ × 长度 14.4″,包含笼网 |
| 肉类托盘 | Genpak | 1002S (#2S) | 8.25 × 5.75 × 0.5 英寸 |
| 糖蜜 | Grandma´s | ||
| 塑料容器 | Rubbermaid | 4022-00 | |
| 塑料薄膜 | Glad | ||
| 磷酸 | Fisher Scientific | S 93326 | 有毒,需在化学通风橱中操作 |
| 丙酸 | Fisher Scientific | A258-500 | 有毒,需在化学通风橱中操作 |
| 不锈钢 筛网 #100 | VWR | 57324-400 | |
| 不锈钢 筛网 #40 | VWR | 57324-272 | |
| 不锈钢 筛网 #30 | VWR | 57324-240 | |
| 蔗糖 | MP | 152584 | |
| 对羟基苯甲酸甲酯 | LabScientific | FLY5501 | |
| 吐温- X100 | Fisher Scientific | BP151-500 |