本文描述了Drosophila guttifera蛹期的分期方法以及翅部色素沉积的测量方案。蛹期的准确分期和色素沉积的定量分析为研究成体性状的发育机制提供了坚实基础,并可实现不同物种间性状发育的比较研究。
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本文描述了Drosophila guttifera蛹期的分期方法以及翅部色素沉积的测量方案。蛹期的准确分期和色素沉积的定量分析为研究成体性状的发育机制提供了坚实基础,并可实现不同物种间性状发育的比较研究。
多种多样的果蝇属(Drosophila)物种为研究发育机制以及导致进化变化的遗传改变提供了机会。特别是成虫阶段具有丰富的形态特征,可用于种间比较,包括翅部色素沉着的比较。为了研究不同物种间的发育差异,需要进行细致的观察并采用准确的分期方法,以实现精确比较。本文描述了斑点果蝇 Drosophila guttifera 蛹期分期及翅部色素沉着量化的方法。首先,我们介绍了基于形态特征进行详细形态学观察并定义蛹期阶段的方法,该方法包括去除蛹壳的技术——蛹壳是蛹体外层的几丁质外壳,去除后可实现对蛹体形态的细致观察。其次,我们介绍了测定所定义蛹期各阶段持续时间的方法。最后,我们介绍了基于数字图像和 ImageJ 软件进行图像分析的翅部色素沉着量化方法。通过这些方法,我们可以为比较蛹期成体性状的发育过程建立坚实的基础。
Drosophila 的某些形态特征在不同物种之间存在差异1,2,3,4,5。我们可以通过比较这些形态结构的形成机制,来探究形态多样性是如何产生的。这类形态结构的例子包括幼虫刚毛、成虫性梳、外生殖器装置、腹部色素沉着以及翅部色素沉着6,7,8,9,10,11,12,13,14,15。为了研究成虫之间的形态差异,对蛹期的观察与分析至关重要,因为成虫特征的命运在晚期幼虫阶段即已确定,随后的形态发生过程则在蛹期进行。
发育生物学研究中 黑腹果蝇, "小时后成虫羽化" (成蛹后小时数)是表示蛹期的常用方法16该系统采用蛹形成后的绝对时间,便于常规实验操作。然而,不同蛹之间的发育速度可能存在差异,并受轻微的遗传、表观遗传或微环境差异的影响,因此即使蛹形成后的绝对时间相同,也不能保证其处于相同的发育阶段。在多数情况下,基于形态特征定义的发育阶段更适合用于多个个体间的比较。特别是物种间的比较,需要在精确的、相互对应的(同源)发育阶段之间进行。
贝恩布里奇和布朗斯17 根据形态特征识别出20个蛹期阶段(P1至P15(ii)) 黑腹果蝇 蛹。该分期系统是目前最广泛使用的形态发育分期体系18在之前的一项研究中,我们进行了蛹期分期 Drosophila guttifera 为翅部色素沉着研究奠定基础19. D. guttifera 翅膀上具有黑色圆点图案,是研究翅色素形成机制的模式物种之一20尽管我们参考了Bainbridge和Bownes研究中描述的形态学标准17我们通过连续观察直接测量了各阶段持续时间19,而不是采用Bainbridge和Bownes根据观察频率估算的时期持续时间。本文描述了蛹期分期的方法以及蛹各发育阶段持续时间的测定方法 果蝇 用于福光(Fukutomi)实验中 等19.
为了研究翅部色素沉着的发育机制,我们需要了解色素沉着发生在蛹期或成虫期的哪个阶段。Fukutomi et al.19 通过翅图像的图像分析,量化了蛹期和成虫期色素沉着的光密度(OD)。人们认为,Drosophila 翅部的色素沉着是由黑色素的积累引起的21。在量化光密度时,使用了灰度图像和 ImageJ 软件(https://imagej.nih.gov/ij/)22。为了识别并量化特定斑点的色素沉着(ΔOD),我们用斑点内部的光密度减去斑点外部的光密度。为了使该方法具有可重复性和客观性,应利用翅脉作为解剖标志来确定光密度的测量位置。本文详细描述了在 Drosophila guttifera 中量化翅部色素沉着的方法。
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1. 果蝇品系
2. 蛹的观察及蛹期阶段的界定
注意:用于观察的蛹取自在25 °C、12:12小时光暗循环条件下维持培养的果蝇品系。Bainbridge 和 Bownes17 描述了一种将黑腹果蝇(D. melanogaster)蛹从原始化蛹位置转移到湿润滤纸上的低风险方法(转移的946个蛹中存活率达97%)。D. guttifera 蛹可采用基本相同的方法进行制备。
3. 去除蛹壳
注意:Drosophila(果蝇)的蛹被一种称为蛹壳(puparium)的结构包裹。双翅目蝇类(Muscomorpha)昆虫在化蛹时不会蜕去幼虫期的角质层;相反,在脱皮(apolysis)之后,其幼虫角质层会硬化,并作为蛹的保护性外壳,即蛹壳24。位于蛹壳内的蛹具有真正的蛹期角质层,该角质层非常柔软且脆弱。在P4(ii)期脱皮发生之前,上皮组织与蛹壳是紧密附着的,因此在此阶段无损伤地去除蛹壳极为困难。而在P5期之后,虽然去除蛹壳较为费力,但对于形态学观察及蛹期阶段的界定仍具有重要意义。具体操作步骤如下。
4. 测量蛹期持续时间
5. 翅膀上黑斑强度的测量
注意:可通过测量光学密度(OD)来量化蛹或成虫翅膀上黑斑的强度。使用已知OD值的玻璃滤光片(阶梯密度滤光片)进行校准25,从而能够从翅膀的数字图像中计算特定区域的OD值。分别测量斑点区域内的OD值和斑点区域外的OD值,后者从前者中减去,得到斑点的强度(ΔOD)。本文描述了进行解剖、测量和计算ΔOD的方法。该步骤可在完成步骤2后独立于步骤3和步骤4进行。一旦完成步骤2并掌握所有蛹期发育阶段,即可直接开始或重复步骤5。
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蛹期 D. guttifera 分为17个阶段(P1 - P15(ii));展示了三个代表性阶段(P1、P5 - 6、P10)的图像 图3,所有17个阶段均有图示说明 图4)。尽管 Bainbridge 和 Bownes17 识别出20个阶段 D. melanogaster,其中某些阶段无法应用于 D. guttifera两个发育事件的顺序,即黄色体(中肠内脱落细胞团)的出现26)以及马氏管变绿的时间,并未受到严格控制 D. guttifera,因此我们无法区分P5(i)、P5(ii)和P6。此外,与 D. melanogaster,胸腹部刚毛变黑的时间是同步的,因此我们无法区分P11(i)和P11(ii)19.
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本文介绍了定义蛹期阶段、去除蛹壳以进行详细观察、测量蛹期持续时间以及测定 D. guttifera 翅膀上黑斑强度的实验方案。这些方案可应用于多种 Drosophila 及相关蝇类物种,尤其是具有翅色素沉着的物种。
对更详细的发育事件进行深入观察和描述,将能够进一步细分发育阶段。在许多情况下,需要解剖或切片蛹才能观察到的发育事件不适合用于定义阶段,因为对蛹进行分期需要将其杀死,从而难以继续利用该个体。对于新种 Drosophila 的研究,应首先选用可通过蛹壳外部观察区分的发育事件作为分期依据。根据研究目的,可进一步基于特定的器官发生或其他发育事件对阶段进行细分。
在对多个发育阶段进行种间比较时,一个潜在的困难是不同物种间发育事件顺序可能发生颠倒(异时性27)。例如,在 D. melanogaster 中,马氏管先变为绿色,随后黄体开始可见;而在某些 D. guttifera 蛹中,这一顺序...
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感谢 Sean B. Carroll 和 Thomas Werner 提供果蝇品系,Naoyuki Fuse 提供设备,Byung Seok Jin 在拍摄过程中给予协助,Kiyokazu Agata 提供指导,以及 Elizabeth Nakajima 对英文稿件的编辑。本工作由 KAKENHI 17K19427 和武田科学振兴财团资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Drosophila guttifera | 加州大学圣地亚哥分校果蝇物种保种中心 | 15130-1971.10 | Drosophila guttifera一种在本文中使用的果蝇物种 |
| 塑料离心管 | 高科技 | MKC-30 | 用于果蝇品系保种的塑料小瓶 |
| 嗡嗡声检测玻璃小瓶和瓶盖的密封性 | Fisher Scientific | AS-271 | 用于果蝇品系保种的纤维素塞 |
| 白色软糖 | 三井制糖 | J-500g | 白色软质糖,用于标准玉米粉/糖/酵母/琼脂培养基 |
| 玉米粉 | 日本制粉株式会社 | F | 玉米粉,用于标准玉米粉/糖/酵母/琼脂培养基 |
| 玉米粗粉 - C | 日本制粉株式会社 | GC | 玉米粗粉 - C,用于标准玉米粉/糖/酵母/琼脂培养基 |
| 琼脂粉 | 松木寒天产业 | 602号 | 琼脂粉,用于标准玉米粉/糖/酵母/琼脂培养基 |
| 干啤酒酵母 | Asahi Food &和医疗保健 | Y2A | 干啤酒酵母,用于标准玉米粉/糖/酵母/琼脂培养基 |
| 对羟基苯甲酸丁酯 | Nacalai Tesque | 06327-02 | 对羟基苯甲酸丁酯,用于标准玉米粉/蔗糖/酵母/琼脂培养基 |
| 乙醇 | 和光 | 057-00456 | 乙醇,用于标准玉米粉/蔗糖/酵母/琼脂培养基 |
| 平底微量离心管 | Ina Optica | CF-0150 | 1.5 mL 微量离心管,用于收集蛹 |
| CAPSULEFUGE | Tomy | PMC-060 | 迷你微型离心机,用于收集蛹 |
| 无菌Schale NB培养皿 | 三生医药 | 01-013 | 塑料培养皿(直径 90 mm × 高度 15 mm) |
| 血清管架 | 岩木 | 9796-050 | 用作观察蛹的保湿培养室 |
| 康宁Falcon易握式组织培养皿 | 康宁 | 353001 | 塑料培养皿(直径 35 mm × 高度 10 mm) |
| Falcon 标准组织培养皿 | 康宁 | 353002 | 塑料培养皿(直径 60 mm × 高度 15 mm) |
| 图钉 | Kokuyo | 51233709 | 推针,用于在微量离心管盖上制作针孔 |
| 体视显微镜 | Olympus | SZX16 | 体视显微镜,用于形态学观察 |
| 数码相机 | Olympus | DSE-330-A | 数码相机,用于成像 |
| NICETACK 双面胶带 | Nichiban | NW-15SF | 双面胶带,用于去除蛹壳 |
| Dumont #5 镊子 | Fine Science Tools | 11252-20 | 镊子,用于移除蛹壳 |
| Van Gogh VISUAL 画笔 | Talens Japan | GWVR-#5/0 | 画笔,用于去除蛹壳 |
| Greiner CELLSTAR 12孔细胞培养板 | 默克 | 665-180 | 12孔细胞培养板,用于测量蛹期持续时间 |
| NaCl | 和光 | 191-01665 | NaCl,用于 PBS |
| KCl | Nacalai Tesque | 285-14 | KCl,用于 PBS |
| Na2HPO4·12H2O | 和光 | 196-02835 | Na2HPO4·12H2O,用于 PBS |
| KH2PO4 | Nacalai Tesque | 28721-55 | KH2PO4,用于 PBS |
| 阶梯式中性密度(ND)滤光片 0.04 - 3.0 | Edmund Optics | 64-384 | 用于色素沉着测量校准的阶梯密度滤光片 |
| ImageJ 软件 | 美国国立卫生研究院 | 1.8.0-101 | ImageJ 软件,用于测量翅膀上黑斑的强度(https://imagej.nih.gov) |
| FINE FROST 玻片 | Matsunami Glass Ind | FF-001 | 载玻片,用于测量翅上黑斑的强度 |
| 18 x 18 方形显微镜盖玻片 | Matsunami Glass Ind | C018181 | 盖玻片,用于测量翅上黑斑的强度 |
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