Article de méthode

Essais biologiques électroantennographique comme outil de dépistage pour les substances volatiles de la plante hôte

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DOI :

10.3791/3931

6 mai 2012

Dans cet article

Résumé

Une méthode pour rapidement volatiles écran d'accueil de plantes par la mesure de la réponse électrophysiologique de orangeworm nombril adulte ( Amyelois transitella) Antennes à des composants individuels et des mélanges par analyse électroantennographique est démontrée.

Résumé

Volatiles des plantes jouent un rôle important dans les interactions plantes-insectes. Les insectes herbivores utilisent volatiles végétales, connues sous le nom kairomones, afin de localiser leur plante hôte. 1,2 Quand une plante hôte est un élément important des dommages agronomiques alimentation des produits de base par des insectes ravageurs peuvent causer de graves pertes économiques aux producteurs. En conséquence, kairomones peut être utilisé comme appâts pour attirer ou confondre ces insectes et, par conséquent, offrent une alternative écologique aux pesticides pour lutter contre les insectes. 3 Malheureusement, les plantes peuvent émettre un grand nombre volatiles avec des compositions différentes et des ratios d'émissions dépendent de la phénologie de la marchandise ou l'heure de la journée. Cela rend l'identification de composants biologiquement actifs ou des mélanges de composants volatils un processus ardu. Pour aider à identifier les composants bioactifs des émissions volatiles de la plante hôte, nous comptons les Electroantennographie en laboratoire de dépistage bioessai (EAG). EAG est un outil efficace pour évaluer et enred électrophysiologique des réponses olfactives d'un insecte via leurs récepteurs antennaires. Le processus de sélection EAG peut aider à réduire le nombre de volatiles testés pour identifier les composants bioactifs prometteurs. Cependant, les essais biologiques EAG seulement fournir des informations sur l'activation des récepteurs. Il ne fournit pas d'informations sur le type de comportement de l'insecte le composé provoque, ce qui pourrait être aussi un attractif, le type de répulsif ou l'autre de la réponse comportementale. Volatiles obtenir une réponse significative par EAG, par rapport à un contrôle positif approprié, sont généralement prises à des essais complémentaires pour les réponses comportementales de l'insecte ravageur. Le dispositif expérimental présenté détaille la méthodologie employée pour dépister à base d'amandes volatiles de la plante hôte 4,5 par la mesure des réponses électrophysiologiques antennaires d'un adulte orangeworm insecte ravageur du nombril (Amyelois transitella) à des composants individuels et des mélanges simples de composants via EAG biologique. La méthode utilise deux exantennes circoncis placé à travers un support "fork" de l'électrode. Le protocole a démontré ici présente un rapide, à haut débit méthode standardisée pour volatiles de dépistage. Chaque volatile est à un ensemble, quantité constante d'uniformiser le niveau du stimulus et donc de permettre des réponses antennaires à être représentatives de la chemoreceptivity relative. Le contrôle négatif permet d'éliminer la réponse électrophysiologique à la fois la force du solvant résiduel et mécanique de la bouffée. Le contrôle positif (dans ce acétophénone par exemple) est un composé unique qui a suscité une réponse cohérente à partir du nombril orangeworm mâle et femelle (NOW) papillon. Une norme écomone supplémentaire qui fournit la réponse cohérente et est utilisé pour des études de dosage biologique avec le mâle MAINTENANT papillon est (Z, Z) -11,13-hexdecadienal, un composant aldéhyde de la phéromone sexuelle femelle produite en 6-8.

Protocole

1. Préparation de composés volatils détecté de la plante hôte pour EAG dépistage

  1. Après une identification appropriée et l'authentification des toutes les substances volatiles par GC-MS, effectuer une analyse de chaque bouffée EAG volatile disponibles. Le dépistage initial peut être un nombre répétition faible taux de réponses antennaires (N = 3-5) pour chaque sexe afin de parvenir à une indication de chemoreceptivity relative dans un court laps de temps (tableau 1).
  2. Préparer une solution de chaque volatile à un 5 mg / ml de concentration dans le pentane. Bien sceller et réfrigérer jusqu'au moment de l'échantillon pour une utilisation immédiate (par exemple, l'acétophénone, la densité = 1,03 g / mL, volume = (0,005 g/1.03 g / mL) x 1000 = 4,85 pl de l'acétophénone dans un flacon de 1,0 ml volumétrique et diluer à 1,0 ml avec du pentane).
  3. Juste avant l'analyse EAG, retirer les flacons contenant les 5 mg / ml de concentration de substances volatiles à tester et laisser réchauffer à température ambiante. Pendant ce temps, étiqueter le nombre correct de pipettes Pasteur àen corrélation avec chaque volatile à tester, et envelopper un petit morceau de parafilm (environ 15 × 15 mm) sur la pointe de la pipette. Pour les pipettes de dépistage initiaux de relance 10 (N = 4 pour chaque mâle et femelle) sont chargés dans le cas d'une préparation ou d'autres mauvais obstacle imprévu.
  4. En utilisant une paire de pinces à épiler, incorporer délicatement le disque bioessai en deux pour faciliter le placement dans la pipette, puis placez le disque partiellement plié dans le gros bout de la pipette de sorte que ca. 2-3 mm du disque sont exposées. Alignez les pipettes étiquetés et préparée dans un support en rack.
  5. Aide d'une pipette ou une seringue, de charger 10 pi (50 ug) de solution volatile sur chaque disque et permettre à 2 minutes à passer devant insérant complètement les disques dans la pipette. Une fois chargé, fermer immédiatement l'extrémité de la pipette avec du parafilm (environ 15 × 30 mm). Le montant de la relance volatile pour être chargé et soufflé sera très probablement varient avec les espèces d'insectes.
  6. Suivant le même protocole mentionné ci-dessus, préparer les témoins pourinclure dans chaque analyse. Pour le contrôle de la charge négative de 10 uL d'un peu de pentane sur chaque disque, attendre 2 minutes, chargez-le dans la pipette marquée, et le sceau. Pour le contrôle positif, de charger 10 pi (50 ug) sur le disque, attendre 2 minutes, la charge dans la pipette marquée, et le joint avec du parafilm.
  7. La viabilité de la préparation des insectes antennaire sera très probablement varient avec les espèces, mais nous avons constaté que Amyelois transitella antennes généralement rester actif et cohérent pour plus de 30 minutes après l'excision selon le protocole décrit. Ce laps de temps permettra généralement pour un maximum de 4-10 échantillons volatils pour être évalués. Le tableau 2 donne un exemple des temps et des séquences.

2. Préparation des antennes des insectes pour les essais biologiques EAG

  1. L'objectif de cette expérience est EAG analyse, donc, l'hypothèse que chaque chercheur aura accès à des insectes de façon appropriée élevés.
  2. Pour cette expérience, nous allons étudier 3-4 jours old, accouplées papillons mâles et femelles. Papillons individuels sont transférés dans un petit couvercle, récipient en plastique le jour de l'analyse. Immédiatement avant l'essai biologique, la teigne à tester est transférée tête la première dans un dispositif de retenue (c.-à-fait à partir de diverses pointes de pipettes en plastique) et sécurisé par derrière. Manipulation de l'insecte peut être considérée sous un faible puissance stéréo-microscope afin de faciliter l'excision.
  3. Les antennes sont taquinés à l'aide d'un outil à pointe métallique. Le support de fourche, avec un petit film d'électrode de gel, est placé à proximité immédiate pour le transfert rapide d'antennes. La première antenne est excisé avec des ciseaux micro et placé sur la fourche, en assurant la base de l'antenne est placée sur la partie non-rouge de la fourche (l'électrode de masse indifférente). Un ensemble minuterie pour 10 minutes est démarré et la seconde antenne est excisé et placé à côté de la première antenne avec deux bases sur le même côté de la fourche.
  4. Alternativement, les antennes peuvent être laissés sécurisé au sein de la holdintube de g, excisé, puis doucement retiré de entre le tube et l'insecte à l'aide d'un outil à pointe métallique avec une noisette de gel sur la fin.
  5. Antennes sont vérifiées pour assurer la base et la pointe sont immergés dans un gel d'électrode et pas de bulles sont présents dans le gel. Les extrémités et pourboires peuvent être découpés pour garantir une exposition complète sur le gel de l'électrode. Des précautions doivent être utilisés pour s'assurer que le reste de chaque antenne n'est pas recouverte de gel, garantissant ainsi un maximum de surface antennaire est exposé à la houppette.
  6. La fourche préparée est ensuite inséré dans la sonde pré-amplificateur et maintenu sous un flux constant d'air humidifié à 200 mL / min pour la durée restante de la période d'attente de 10 minutes. Le temps d'accise et de l'EAG fois d'initiation sont notés (tableau 2) et 30 secondes avant la bouffée premier stimulus, la pipette contenant le contrôle positif n'est pas scellé et placé dans le support qui est ajusté pour diriger l'air / bouffée d'écoulement de 2-3 mm de l'préparée antennes.
  7. Après chaque expertiseiment, les papillons de test sont euthanasiés dans un environnement de glace sèche et bien disposés.
  8. Les papillons femelles sont disséquées pour vérifier l'état d'accouplement. Hommes cohabitent sont supposés se sont accouplés.

3. EAG Protocole pour les composants individuels

  1. Réponses antennaires sont enregistrées via le logiciel AutoSpike inclus avec l'instrument EAG Syntech. La configuration dans les propriétés de l'onglet AutoSpike pour le canal avec la sonde EAG est fixé à un taux d'échantillonnage de 106,7, NON à la rectification, et d'un filtre de 0-42 Hz. Pour l'onglet Filter, le filtre EAG est en marche et le seuil de faible est fixé à 0,1 Hz.
  2. Bouffées de stimulation sont 1-2 secondes dans la durée. Une minuterie est réglée pendant 1 minute est lancé après chaque bouffée.
  3. La pipette test suivant volatile n'est pas scellé et placé dans le support. La séquence d'essai, randomisé volatiles entre court afin de s'assurer qu'aucun des composés d'essai systématiquement suivi un autre test volatile, est suivie (par exemple, le tableau 2) soigneusement allowing 1 minute entre les bouffées.
  4. Pour faciliter la lecture des réponses EAG, des parties de dirigeants sont placés sur l'écran d'ordinateur et le niveau de base vers le sommet du signal de déviation vers le bas est mesurée en mm et connecté sur une feuille de données (par exemple, pour le réglage 5 mV, 33 mm = 2,5 mV). Le logiciel a la capacité de lecture des enregistrements sauvegardés pour une analyse future. Conversion de mm soit mV ou mV d'amplitude est effectuée dans l'analyse ultérieure des données.
  5. Après la bouffée de contrôle final positif (par exemple, record # 12) est administré, les antennes sont retirées, la fourche est nettoyé avec une lingette éthanol saturé et on laisse sécher avant utilisation ultérieure.
  6. Pour augmenter le débit des tests, l'excision de la prochaine série d'antennes peut être démarré par un personnel de laboratoire seconde environ 10 minutes avant la fin de l'expérience actuelle - après la bouffée quatrième le deuxième test volatile de l'expérience actuelle, selon le tableau 2. Cela permettra aux for le début de l'essai suivant directement après les extrémités d'expérimentation courant.
  7. Augmentation du nombre de répétitions (sur les différentes antennes) peuvent être effectuées sur des composés d'intérêt de fournir une validation plus poussée des statistiques.

4. Un exemple d'analyse de mélanges EAG ou d'autres matrices (tableau 3)

  1. Ensuite, les ratios et les volumes pour deux mélanges tertiaires (3-composants des mélanges) sont calculés pour donner un exemple de combiner volatiles obtenir des réponses EAG élevées (tableau 4). Les calculs sont pour certains ratios de base, un ratio de 1:1:1 molaire de α-humulène: 2-undécanone: 2-phényléthanol et en comparant ensuite à un rapport de mélange deuxième 1:02:04.
  2. L'utilisation de protocoles similaires décrit précédemment, les mélanges sont préparés et étiquetés pipettes Pasteur sont chargés avec les contrôles nécessaires positifs et négatifs.
  3. Les échantillons volatiles se sont enflés à travers les antennes mâles et femelles et les réponses sont mesurés et enregistrés surà une feuille de données (tableau 3).

5. Les résultats représentatifs

Pour orangeworm nombril des femmes les paramètres suivants sont utilisés: 2 bouffées seconde, 10 fois deuxième enregistrement, 10 seconde fenêtre, et une échelle de 5 mV. Une déviation négative est la réponse typique, mais la valeur absolue est enregistrée (par exemple, -3400 mV de déviation est comptabilisé comme 3400 mV). Une réponse relativement faible de la préparation au contrôle positif est mis au rebut. La figure 1 donne une représentation graphique d'une mauvaise réponse au contrôle positif par orangeworm nombril.

Par exemple d'un résultat un mauvais contrôle, la moyenne de réponse des femmes à antennaire acétophénone est typiquement ca. 2600 mV (Figure 2), si la préparation ne donne une réponse de ca. 1300 mV il être mis au rebut et une autre paire d'antennes préparée. De même, la réponse moyenne des hommes de (Z, Z) -11,13-hexadecadienal était typically 3000 mV; par conséquent, toute réponse inférieur à 1.500 mV a été généralement mis au rebut.

Le contrôle positif au début et à la fin de chaque expérience fournit également des informations concernant l'état de l'antenne. Une règle de base que nous suivons pour le dépistage rapide est de savoir si la réponse antennaire de la bouffée de contrôle a posteriori (dossier n ° 12, tableau 2) est soit inférieur à 75% de la bouffée 1 er de la pré-commande (dossier n ° 1 , tableau 2) ou inférieure à la houppette 2 ème de la pré-commande (dossier n ° 2, tableau 2), puis l'expérience n'est pas utilisé dans l'analyse des données due à une dégradation possible de la préparation (Figure 3). Un exemple de la première règle de base serait d'enregistrement n ° 1 = 2730 mV et notice # 12 = 1680 mV, et la deuxième règle de base si le dossier n ° 2 = 2350 mV et notice # 12 = 1680 mV, Dans chacun de ces cas , les résultats de préparation et d'expérimentation seraient mis au rebut.

Uneexemple représentatif de corriger les valeurs de réponse EAG telle que mesurée au contrôle positif serait la suivante.

Run # EAG (mV) Exécuter # 2 EAG (mV) Exécuter # 3 EAG (mV)
(+) Ctrl 2800 (+) Ctrl 2420 (+) Ctrl 3030
Un Cmpnd 3000 Un Cmpnd 2500 Un Cmpnd 3440
(-) Ctrl 530 (-) Ctrl 755 (-) Ctrl 910
Cmpnd B 2400 Cmpnd B 2000 Cmpnd B 2560
(+) Ctrl 2770 (+) Ctrl 2400 (+) Ctrl 3020

En utilisant les valeurs ci-dessus pour N = 3 expérience, la réponse est négative de contrôle soustrait à toute valeur au sein de chaque expérience dans l'hypothèse le contrôle négatif est la réponse de base antennaire feuilletée à la mécanique et le solvant résiduel.

Exécuter n ° 1 EAG (mV) Exécuter # 2 EAG (mV) Exécuter # 3 EAG (mV)
(+) Ctrl 2270 (+) Ctrl 1665 (+) Ctrl 2120
Un Cmpnd 2470 Un Cmpnd 1745 Un Cmpnd 2530
(-) Ctrl 0 (-) Ctrl 0 (-) Ctrl 0
Cmpnd B 1870 Cmpnd B 1245 Cmpnd B 1650
(+) Ctrl 2240 (+) Ctrl 1645 (+) Ctrl 2110

Les contrôles positifs pour chaque expérience serait alors en moyenne et corrigée pour 1000 mV, en notant le rapport pour la correction à 1000 mV. Une fiche de données (par exemple, Excel) peuvent être facilement manipulés pour convertir des réponses à des données utilisables.

Exécuter n ° 1 Moy (mV) Exécuter # 2 Moy (mV) Exécuter # 3 Moy (mV)
(+) Ctrl 2255 (+) Ctrl 1655 (+) Ctrl 2115
(+) Ctrl adj. 1000 (0.443) (+) Ctrl adj. 1000 (0.604) (+) Ctrl adj. 1000 (0.473)

En multipliant par le rapport de correction au sein de chaque expérience, les valeurs pour le composé A et B composé sont ensuite ajustés.

Exécuter n ° 1 Adj. EAG (mV) Exécuter # 2 Adj. EAG (mV) Exécuter # 3 Adj. EAG (mV)
Un Cmpnd 1094 Un Cmpnd 1054 Un Cmpnd 1197
Cmpnd B 828 Cmpnd B 752 Cmpnd B 780

Les moyennes (moyen) pour chaque composé sont alors déterminés avec d'autres données statistiques pertinentes et les réponses EAG pour les composés testés peuvent ensuite être évaluésà candidature pour une enquête plus approfondie.

Composé EAG (mV) N ° Exécute, N =
Une 1115 3
B 787 3

figure-protocol-1
Figure 1. EAG Représentant pour la réponse antennaire mâle (1180 mV) de la pré-commande (1 er bouffée contrôle positif) qui seraient rejetés en raison de la réponse antennaire pauvre après s'être assuré les antennes ont un bon contact avec le gel. Des barres bleues dans les fenêtres du bas représente la bouffée deux secondes de volatile. Cliquez ici pour agrandir la figure .

figure-protocol-2
Figure 2. EAG Représentant pour la réponse des femmes antennaire (3.400 mV) à la 1 ère feuilletée pré-contrôle qui serait jugé approprié. Cliquez ici pour agrandir la figure .

figure-protocol-3
Figure 3. EAG Représentant pour la réponse des femmes antennaire (1680 mV) au poste de contrôle (dernière contrôle positif pour chaque expérience) qui seraient considérés comme pauvres, et suggestif de la dégradation des antennes (<75% des 1 er pré-commande ou < 2 La valeur bouffée e de pré-commande). Pour cet exemple, le 1 er pré-commande feuilletée était 2730 mV et 2 ème pré-commande feuilletée était 2350 mV. Cliquez ici pour agrandir la figure .

figure-protocol-4
Figure 4. Représentative de la réponse EAG femelle antennaire (3800 mV) à la bouffée d'un mélange candidat volatile et les mesures ultérieures de la déviation maximale initiale (3800 mV), la pente initiale au cours de la durée de la bouffée (0,3 mV s/1.2 = 0,25 s / mV), et la pente de la durée de la bouffée restante (1,6 mV s/1.9 = 0,84 s / mV). Cliquez ici pour agrandir la figure .

figure-protocol-5
Figure 5. Des petits vaisseaux modifié contenant une matrice de l'échantillon et volatiles associés à être soufflée dans A. transitella antennes.

figure-protocol-6
Tableau 1. En sUIT émission volatile d'amandes Nonpareil (2007) et les réponses EAG déterminées par une configuration différente et moins sensible dans le programme Autospike.

figure-protocol-7
Tableau 2. Exemple d'un formulaire d'enregistrement masculins et féminins des réponses antennaires aux différents composants volatils.

figure-protocol-8
Tableau 3. Exemple d'un formulaire d'enregistrement masculins et féminins des réponses antennaires aux mélanges volatils et / ou des bouquets.

figure-protocol-9
Tableau 4. Des exemples de préparation de 10 ml d'une dose de 5 mg / ml de la solution de deux rapports différents de mélanges.

figure-protocol-10
Tableau 5. Exemple de formulaire pour l'enregistrement de deux conséquencescutif de bouffées simples composants volatils à travers les antennes mâle et femelle.

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Discussion

Utilisation des enregistrements électroantennogramme comme un bio-essai pour déterminer les réponses chimioréception d'un insecte cible est assez commun et de nombreuses études utilisant des EAG comme un détecteur pour les effluents d'une chromatographie en phase gazeuse (GC-EAD) peut être trouvé dans la littérature. 9,10 La méthode illustrée fournira un dépistage rapide de quantités équivalentes de composants volatils avec des réplications d'assignation d'confiant de la réactivité relative. L...

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Déclarations de divulgation

L'auteur a une recherche de coopération existantes et d'un accord de développement avec la société Paramount agriculture, une société ayant des liens avec Suterra LLC.

Remerciements

Cette recherche a été menée en vertu de l'USDA-ARS CRIS projet 5325-42000-037-00D et avec des résultats de CRADA 58-3K95-7-1198 et TFCA 58-5325-8-419. Les auteurs tiennent à remercier Suterra pour le don de l'(Z, Z) -11,13-hexadecadienal, B. Higbee des discussions productives, et J. Baker pour l'assistance technique.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Nom du réactif Entreprise Numéro de catalogue Commentaires
Acétophénone Alfa-Aesar A12727 Femme contrôle positif
(Z, Z) -11,13-Hexadecadienal Suterra Homme de contrôle positif
α-humulène Aldrich 53675 Sesquiterpène
2-undécanone Aldrich U1303 Dérivé d'acide gras
2-phényl éthanol Aldrich 77861 Benzénoïde
Pentane EMD PX0167-1 Solvant
Contrôleur d'acquisition 4-Channel Syntech JeCAD-4
EAG sonde, pré-amplificateur Syntech Type de PRG-2
Support d'antenne pour Syntech Pour PRG-2 Électrode fourche
Contrôleur de stimulation Syntech CS-55 Le débit d'air et de bouffées
Gel électrode Spectra Parker 12-02
Disques biologiques sur Whatman 2017-006 6 mm
Pipettes Pasteur VWR 14673-010 5 ¾ "(14,6 cm)
Parafilm M Bemis PM-992

Références

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Mots-clés

lectroantennographieOlfaction des insectesVer du navelCriblage de compos s volatilsExcision des antennesContr le positifContr le n gatifAdministration du stimulusEssai comportemental

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