热极限可以预测生物体所能耐受的环境,这一信息在快速气候变化背景下具有重要价值。本文描述了用于评估昆虫临界低温极限和热击倒时间的高通量实验方案。这两种方案均能最大限度地提高检测通量,并降低实验成本。
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热极限可以预测生物体所能耐受的环境,这一信息在快速气候变化背景下具有重要价值。本文描述了用于评估昆虫临界低温极限和热击倒时间的高通量实验方案。这两种方案均能最大限度地提高检测通量,并降低实验成本。
植物和动物的上下临界温度是预测其表现、存活能力及地理分布的重要指标,对于预测其对气候变化的响应至关重要。本文描述了两种高通量测定昆虫热耐受极限的实验方案:一种用于测定临界低温最小值(CTmin),另一种用于测定在恒定热胁迫条件下的热击倒时间(KDT)。在CTmin测定中,将个体置于带丙烯酸护套的柱形容器内,经历逐步降温过程,并通过红外传感器记录个体从栖木上掉落的时间点。在热KDT测定中,个体被置于96孔板中,放入设定为高温胁迫条件的培养箱内,并进行视频记录,以确定其无法保持直立和运动的时间点。这两种方法相较于常用技术具有多项优势。两项实验成本较低,且可在相对较短的时间内完成(约2小时)。CTmin测定可减少实验者误差,并能同时测量大量个体。热KDT方案则为每次实验提供视频记录,从而消除了实验者的主观偏差,也无需实时持续观察个体状态。
昆虫的热耐受极限
环境条件(包括温度)的变化是影响生物体表现、适合度、存活率和地理分布的主要因素1,2。生物体的高温和低温耐受极限决定了其理论上可耐受的环境范围,因此这些极限是预测动植物分布的重要指标,尤其是在气候变化背景下尤为关键3,4。因此,准确测定热耐受极限的实验方案是生态学家、生理学家、进化生物学家和保护生物学家等研究人员的重要工具。
作为最丰富且种类最多的陆生动物,昆虫常被用于测定热耐受极限。 临界热最大值(CTmax)和临界热最小值(CTmin)常用于评估种内和种间在热耐受性方面的变异5,6,7。尽管CTmax和CTmin可用于多种表型的测量,包括生长、繁殖输出和行为,但它们最常应用于运动功能的评估5,6,7。因此,CTmax(也称为热击倒温度)和CTmin通常被定义为昆虫丧失运动功能并无法保持直立状态时的高温和低温5,6,7,8,9,10,11。CTmin与冷昏迷的起始相一致,冷昏迷是由低温引起的可逆性麻痹状态6。尽管在热极限下的麻痹通常是可逆的,但持续暴露于这些温度将导致生态死亡5。
测定热耐受极限的常用方法
已有多种装置被用于测定热耐受极限(详见Sinclair等人的综述)6。简而言之,将昆虫置于培养箱12,13、浸入液体浴中的容器11,14,15,16、铝块10,17或夹套容器18中进行加热或冷却,并持续监测直至其运动能力丧失。在实验过程中对昆虫进行监测时,最常用的方法是直接观察,即实时连续观察个体,或通过回放录制的视频进行回顾性观察6,9,10,11,15,17。尽管直接观察法对设备要求较低,但其劳动强度大,且通量受限。另一种方法是间接观察,例如在个体从栖木上跌落时于特定时间点收集样本6,19,20,21,或使用活动监测装置进行监测13。
测量热极限的间接方法通常比直接观察法通量更高,且潜在误差更小。最常用的间接监测方法是使用带有夹套控温的柱状装置6,8,19,20,21。将昆虫置于内部设有栖木的柱体中,通过将恒温液体浴中的液体泵入柱体夹套层,从而控制内腔温度。当个体达到其热极限时,会从栖木上跌落,并在特定温度或时间间隔下被收集。尽管该方法适用于测定CTmin,但已被发现不适用于CTmax,因为果蝇在温度升高时会主动从柱体底部爬出。本文所描述的新方法通过在自动化测量过程中对果蝇进行单个隔离,从而避免了这一问题。
除了观察方法外,评估生物体上临界热耐受限值通常采用两种温度处理方式。动态实验通过逐步升高温度直至运动功能丧失,该温度即为动态临界热最大值(dynamic CTmax7,8,9,13)。相比之下,静态实验则在恒定的胁迫温度下持续处理,直至运动功能丧失,该时间点即为热击倒时间(heat knockdown time, heat KDT),在Jørgensen等人最近的一项研究中也称为静态临界热最大值(static CTmax,sCTmax)7,8,9,16,22。尽管CTmax与热击倒实验(heat KD assays)所得指标的单位不同,但对这两个性状的数学建模表明,它们在热耐受性评估方面提供可比的信息,且均具有生态学意义8,9。动态实验获得的温度值可直接与环境条件进行比较,在热耐受性差异较大的情况下更具优势,例如热生态位差异显著的物种间比较。然而,由于热损伤累积的Q10值较高,静态实验在检测效应量较小的差异时可能更为适宜,例如种内热耐受性的变异9。此外,从实际操作角度看,静态实验所需的设备比动态实验更简单。
目的
本文的目的是规范可用于未来研究中评估活动性昆虫热耐受极限的 CTmin 和热击倒(heat KD)实验方法。这些实验方案借鉴了已建立的先前方法,设计为高通量、自动化且成本效益高。两种实验均可在较短时间内完成(约 2 小时),这意味着可在一天内开展多次实验,在不牺牲重复性或准确性的前提下产生大量数据。在此实验设置下,可同时测量 96 只果蝇的热耐受性,而 CTmin 实验的列可容纳超过 100 只果蝇,前提是具有足够的栖息表面积。
观察CTmin的高通量方法通过在常见的夹套柱法基础上增加红外传感器以自动计数果蝇而实现。Shuman等人于1996年首次提出使用红外传感器进行计数23,但该技术尚未被广泛采用。红外传感器的引入使得能够连续生成数据,而非在离散时间点采集数据。此外,本方案通过消除手动数据录入以及在特定时间点人工更换夹套柱下方收集管的需要,最大限度地减少了实验人员误差。
记录热击倒温度(heat KDT)的高通量方法改进自先前两项关于昆虫耐热性的研究10,12。将单只果蝇置于96孔板中,并在温度可控的培养箱内进行视频录制。该方案通过回放录像对实验结果进行复核与验证,从而最大限度地减少实验人员在判定热击倒时间时的主观偏差。本方案还提供了一套自定义的Python脚本,可用于加快视频分析速度。使用独立孔位可避免个体间相互干扰,例如在群体观察时可能出现的移动或倾倒现象,而此类问题在多个个体共处同一观察区域时尤为明显10,17。此外,温度可控培养箱能够为全部96个孔位提供稳定的温度环境,相比之下,温控铝块则可能在不同位置产生温度梯度10。还需注意的是,96孔记录法可进一步调整用于测定动态CTmax,甚至可能用于测定CTmin(详见讨论部分)。
为了演示每种实验方案,成虫的热耐受极限 黑腹果蝇 选定品系的雌性个体 黑腹果蝇 遗传参考面板(DGRP)进行了比较24。选择这些品系是因为初步实验表明其在耐热性方面存在显著差异。这些检测方法被证实为区分耐热性差异的可靠手段。以下两种方案,即高通量临界温度(CT)测定分钟 检测(第1节)和高通量热激KD检测(第2节),描述了生成CT所需的必要操作步骤分钟 以及适用于任何可放入装置中且具有活动能力的昆虫生活阶段(如成虫)的热敏感性数据 果蝇. 用于CT分钟 昆虫还必须能够停靠。此处展示了每种检测方法在成虫中的应用 黑腹果蝇然而,对于其他分类群或生活史阶段,可能需要进行相应的修改。6. 微小的调整可能包括在CT中使用孔径更大的栖木材料,以适应较大的样本分钟 检测,或使用更高品质的相机来分辨在热诱导KD检测中缓慢移动的昆虫或生命阶段的细微KDT。本方案未描述果蝇制备的方法,但标准化饲养方案对于确保可重复性至关重要。25 (参见 Garcia 和 Teets)26 和 Teets 与 Hahn27)。所提供的实验方案包含仪器的搭建与设置方法、测量记录方式,以及数据分析的简要说明。
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1. 高通量CTmin检测
2. 高通量热激KD检测
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热极限(即 CT分钟 以及雌性个体的产热KDT 黑腹果蝇 利用遗传参考面板(DGRP)进行测量,以展示由上述两种所述方案生成的高通量数据。CT分钟 使用DGRP品系714(n = 37)和913(n = 45)进行了检测。对热击倒时间(Heat KDT)的检测则与DGRP品系189(n = 42)和461(n = 42)进行了比较,视频文件采用人工分析。包括观看视频在内的整个实验耗时 <每个方案2小时。
DGRP 913 系的雌性个体的平均 CTmin 温度显著低于 DGRP 714 系的雌性个体(图 5A;Wilcoxon 秩和检验,W = 1585,P < 0.001)。两个品系的 CTmin 分布明显不同:913 系的 CTmi...
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上述两种方法可对与生态相关的高温和低温耐受性指标进行高通量数据采集。这些实验方案基于以往研究昆虫热耐受极限的常用方法(详见Sinclair等人6的综述)。两种方案均可在较短时间内完成(每项约2小时),能够产生大样本量的数据集,且不牺牲重复性和准确性;同时通过消除手动记录和输入数据(冷击倒实验,CTmin assay),或通过为每次实验保留视频备份(热击倒实验,heat KD assay),最大限度地减少了实验人员的操作误差。
代表性结果通过比较DGRP特定品系成年雌性个体的热耐受极限获得24。两种实验方法均显示出不同品系间热耐受性的显著差异。每种实验中品系间的效应量相对较大,因此可通过视觉观察和统计分析可靠地区分各组。两个DGRP品系在KDT上的显著差异凸显了静态实验相较于动态升温实验的潜在优势;静态实验可能比动态实验更易于检测组间较小的差异9。接受热诱导KD实验的两个DGRP品系在平均KDT上相差14....
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 Ellie McCabe 在果蝇饲养方面提供的帮助。本工作由美国农业部国家食品与农业研究所哈奇项目基金 1010996 和美国国家科学基金会基金 OIA-1826689 资助,资助对象为 N.M.T.。
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