Langsiktige studier er nødvendig for å forstå prosessen med evolusjonen og mekanismer for tilpasning. Vanligvis krever disse studiene forpliktelser utover av forskere. Her, beskrives en kraftig metode som dramatisk fremskritt state-of-the-art datainnsamling vil generere Longitudinelle data i naturlige systemer.
Langsiktige studier aktiverer identifisering av øko-evolusjonære prosesser over lengre tidsperioder. I tillegg gir de viktigste empiriske data som kan brukes i prediktiv modellering for å forutsi evolusjonære svar på naturlige økosystemer til fremtidige endringer i miljøet. Men uten noen spesielle tilfeller er langsiktige studier knappe på grunn av logistiske problemer forbundet med tilgang til timelige prøver. Timelige dynamics er ofte studert i laboratoriet eller i kontrollerte mesocosm eksperimenter med eksepsjonell studier som rekonstruere utviklingen av naturlige populasjoner i naturen.
Her, gis en standard prosedyre (SOP) til gjenopplive eller gjenopplive sovende Daphnia magna, en utbredt dyreplankton keystone Art i akvatiske økosystemer, for å dramatisk fremme state-of-the-art langsgående datainnsamling i naturlige systemer. Feltet oppstandelse økologi ble definert i 1999 av Kerfoot og kolleger, selv om først forsøk på klekking diapausing dyreplankton egg dateres tilbake til slutten av 1980. Siden Kerfoots banebrytende papir, er metodikk gjenopplive dyreplankton arter stadig oftere brukt, men overført mellom laboratorier bare via direkte overføring. Her en SOP er beskrevet som gir en trinnvis protokoll praksisen med å gjenopplive sovende Daphnia magna egg.
To viktige studier er angitt i som fitness svar oppstandne Daphnia magna bestander å oppvarming måles, capitalizing på muligheten til å studere historiske og moderne populasjoner i de samme innstillingene. Til slutt, bruk av neste generasjons sekvensering teknologi til gjenopplivet eller fortsatt sovende stadier er diskutert. Disse teknologiene gir enestående makt i dissekere prosessene og mekanismer for utviklingen hvis populasjoner som har opplevd endringer i markering press over tid.
Langsiktige studier er avgjørende for å forstå økologiske og evolusjonære prosesser i naturen og vurdere hvordan arter svare og vedvarer under miljøendringer1. Dette er fordi øko-evolusjonære prosesser skjer på tvers av generasjoner og endringer i miljøet oppstår over lang tid spenn. Videre yter langsiktige studier nøkkel empiriske data som forbedrer nøyaktigheten av prediktiv modellering å forutsi evolusjonære svar på naturlige økosystemer miljøendringer2. Nøyaktigheten av disse modellene er avgjørende å implementere forvaltning strategier for å bevare biologisk mangfold og økosystem.
Uten noen spesielle tilfeller (f.eks, Galapagos Darwin finches3 og alger4) er langsiktige studier begrenset til arter med kort generasjonstid som kan overføres i laboratoriet5,6 , 7 , 8. dermed prosessene underbygger evolusjonære dynamics forblir unnvikende. På grunn av logistiske problemer forbundet med tilgang til timelige prøver, empiri er studert oftere i en romlig enn i timelige sammenheng, og timelige øko-evolusjonære prosesser er tiltenkt eller modellert fra romlige data. Denne tilnærmingen er kjent som ‘plass-for-time’ substitusjon9, der plassen er vedtatt som et surrogat å studere timelige evolusjonære dynamics. Den viktigste begrensningen på plass-for-time erstatningen er at utbredelsen av tilpasning på forskjellige romlige skalaer avvike fra timelige variasjon i samme populasjon. Derfor er slutninger basert på erstatning tid med plass partisk10.
En kraftig alternativ som tillater studere evolusjonære dynamikk i naturlige økosystemer over tid er analysen av økologiske og genetiske endringer i arter produsere sovende trinn11. Disse sovende stadiene akkumuleres til skjemaet stratifisert biologiske arkiver som kan nøyaktig datert og paleolimnologically preget12,13. Viktigere, kan disse sovende stadier, gjenopplivet og brukt i laboratorieforsøk, der sin evolusjonære respons til miljøproblemene direkte kan måles. Historiske populasjoner kan være konkurrerte mot deres moderne utviklet etterkommere fitness endringer og funksjonen av gener utvikler seg i takt med miljøendringer14,15,16.
Sovende stadier inkluderer frø, cyster, sporer og egg banker. Selv om den første studier på gjenopplivet sovende egg dateres tilbake til slutten av 1980-tallet17, og en håndfull studier har brukt denne teknikken i tidlig på 1990-tallet18,19, har feltet oppstandelse økologi blitt formelt etablert av banebrytende papir av Kerfoot og kolleger i 199920. Denne praksisen har blitt brukt hovedsakelig i paleolimnological rekonstruksjoner av ferskvannsarter17,21,22. Imidlertid er Ettergivenhet ennå ikke tilgjengelig. Her tilbys en detaljert beskrivelse av oppstandelsen protokollen brukes sovende egg av dyreplankton arter Daphnia magna , fra prøvetaking av sedimenter til etableringen av klonal kulturer fra skilpadder. Trinnene i SOP som lett kan overføres til andre arter av Daphniaog fremgangsmåte som kan innebære ytterligere optimalisering, diskuteres.
Daphnia er ferskvann zooplankters i fleste ganske flate habitater23 . Daphnia arter er enten forplikte aseksuell eller sykliske parthenogens. D. magna er en syklisk parthenogen som reproduserer clonally under gunstige forhold24. Når miljøforhold svekkes, mannlige produksjon skjer og seksuell rekombinasjon fører til dannelse av befruktet egg som angir en tilstand av dormancy beskyttet fra omgivelsene av en chitin sak som heter ephippium. En andel av disse sovende eggene klekkes når gunstige miljømessige forhold tilbake. En stor andel av sovende egg banken har imidlertid aldri klekkes og dermed bygge opp biologiske arkiver over tid. Sovende fortsatt begravd i sedimentet innsjøer og dammer og kan oppstå for studier av evolusjonære dynamics over lengre tidsperioder. Fordi sovende egg D. Magna er et resultat av seksuelle rekombinasjon, er de en god representasjon av naturlige genetisk mangfold av arter25. Videre kan de vedlikeholdes via klonal reproduksjon i laboratoriet. Disse egenskapene gir unike fordelen av isogenic modellen organismer, samtidig som det naturlige genetisk mangfoldet.
To viktige studier presenteres for å demonstrere fordelene med direkte sammenligne historiske og moderne etterkommere av samme populasjon D. Magna opplever miljømessige markering press over tid. D. magna prøvene var opp fra innsjøen Ring (Danmark), en grunne (5 m dyp; overflaten 22 ha) blandet dammen som har opplevd en økning i gjennomsnittlig temperatur og hetebølger forekomst over tid. D. magna (sub) bestander var gjenoppstått langs denne timelige gradient som strekker seg 60 år (1960-2005) og studerte undersøke evolusjonære svar til temperatur oppvarming. I den første studien i en vanlig hage eksperiment, ble endringer i fitness-tilknyttet livshistorie egenskaper målt som svar på en økning i temperaturen på + 6 ° C, i tråd med spådommer for FNs klimapanel for klimaendringer i de kommende 100 år 26. i den andre studien, en mesocosm eksperiment ble brukt til å måle konkurransedyktig evnene til tre (sub) bestander under oppvarming. Disse eksperimentene kombinert viser at i nærvær av oppvarming som bare stress, alle livshistorie trekk og befolkningsgrupper viser høy plastisitet og har like konkurransedyktig evner. Disse funnene tyder på at oppvarming som et enkelt stress ikke innføre betydelig fitness kostnader, minst i befolkningen studert her.
På grunn av den høye varmeledningsevne vann er ferskvann økosystemer høyere risiko for tap av biologisk mangfold enn Terrestre økosystemer mot global oppvarming34. Det er derfor avgjørende å forstå svar keystone arter i disse økosystemene og identifisere mestring mekanismene for å overleve termisk stress. Forståelsen av disse mekanismene på arter og samfunnet kan bidra til å forutsi hvordan arter er påvirket av global oppvarming og hvordan effekten på individuelle arter kaskader til andre nivåer i næringskjeden. Til slutt, forstå mekanismer av Svar å global oppvarming kan identifikasjon av Utbedring strategier for å redusere utryddelse.
Selskapsstudier presenteres her viser at responsen på D. magna temperaturøkningen er pervasively formidlet av plastisitet i livshistorie egenskaper og at svar på temperaturøkningen alene ikke pålegger klart fitness kostnader, i hvert fall i den befolkningen studert her. Høy plastisitet i livshistorie egenskaper støttes av ikke-signifikante forskjeller i konkurrerende evner mellom de (sub) i nærvær av oppvarming. Men kan langsiktige konkurranse eksperimenter på flere befolkninger være nødvendig å generalisere disse funnene.
Oppstandelsen av sovende stadier gir en enestående ressurs for å studere mekanismer for tilpasning og baner av en art utviklingen gjennom tid10. Dyreplankton arter nytte av en rask generasjonstid (ca 2 uker) og levedyktigheten til sovende stadier, som lar en stamfar konkurrere headtohead mot sin egen etterkommere eller ‘spill’ utviklingen som starter fra ulike siste stater. Oppstandelse økologi egentlig kan undersøke om et bestemt evolusjonære resultat er betinget av en tidligere hendelse. Identifikasjon av genetiske elementer av evolusjon er mulig i laboratorieforsøk mikroorganismer som er ‘forfedrenes linjer’ frosset og gjenopplivet i komparativ analyse med deres utviklet etterkommer6. En av viktigste begrensningene i samarbeid med laboratoriet organismer er imidlertid at “forfedrenes staten” er en allerede skiftet planlagt. Studiet av sovende stadier lar prøvetaking av prøver fra tid trevirket uansett stress (f.eks, uberørte miljøforhold) og måle evolusjonære baner fra uforstyrret miljømessige forhold til ulike siste stater til moderne tid. De siste årene, har studier av DNA polymorfisme i oppstandne eller fortsatt sovende dyreplankton stadier gitt viktig innsikt i siste demografiske og adaptive prosesser som har bidratt til den genetiske sammensetningen av dagens befolkninger14 , 16 , 25 , 33 , 35 , 36. med høyere tilgjengelighet til høy gjennomstrømning sekvensering teknologi, genom og transcriptome av oppstandne eller fortsatt sovende trinn kan være sekvensielt og typen og nummeret av genetiske endringer akkumulert i utvikling befolkninger tiden målt.
Oppstandelsen SOP presenteres her har viktige programmer innen multi-omics på to nivåer. Multi-omics teknologi kan brukes for oppstandne prøver, slik at en uttømmende analyse av molekylære elementene i adaptive svar til miljømessige utvalg press. I tillegg kan omics teknologier brukes decapsulated men fortsatt sovende stadier. Så langt, har bruk av høy sekvensering teknologiene å hvile stadier vært begrenset av kravet om en stor mengde input materiale. Disse begrensningene blir løftet37. Redusere kravene for input materialer og fremgang i nanofluidics, hele genomet sekvensering (WGS) er nå mulig fra så lite som 1 ng eller noen pg starter materiale38. Bruk av hele genomet forsterkning (WGA) og hele transcriptome forsterkning (WTA) teknikker, aktivere anriking av DNA og RNA fra svært små mengder vev, har revolusjonert både metagenomics39,40 og medisinsk forskning41. Disse teknologiene gjelder decapsulated sovende egg kan overskride begrensninger knyttet levedyktigheten til sovende stadier og undersøke med utvidede tidsperioder (f.eks, århundrer).
Oppstandelsen av virvelløse samfunn produserer hvile stadier kan samfunnet historier med kjente endringer i det naturlige landskapet eller miljøendringer avledet fra analyser av sedimenter orsoils2. Analyse av samfunnet endringer i respons til miljøproblemene gir oss evne å kvantifisere øko-evolusjonære tilbakemeldinger42 som har store konsekvenser på befolkningen utholdenhet43, trophic interaksjoner44 , samfunnet montering45, og endringer i økosystemet funksjoner og tjenester46. Endelig er nøyaktige spådommer om biologiske svar til miljøproblemene viktig å få beskyttelse av biologisk mangfold47. Gjeldende prediktive modeller er unøyaktig i denne forbindelse fordi de ikke ta i kontoen viktige biologiske mekanismer som demografi, spredning, utviklingen og arter interaksjoner. Forstå hvordan endre disse prosessene over tid og bruker denne informasjonen før prognosen speile forbedrer vår evne til å forutsi arter og samfunnet utholdenhet mot miljømessig endre2.
Anvendelsen av SOP presenteres her er ikke uten utfordringer. Den største begrensningen av gjenopplive sovende stadier er behovet for spesialisert utstyr for prøvetaking. I tillegg krever hele prosessen, fra sedimenter sikting til etablering av klonal kulturer, hands-on tid.
Noen av punktene SOP presenteres her er lett kan overføres til andre Daphnia arter. Dette er: prøvetaking, etablering av klonal linjer og eksperimentell design. Men kan andre trinn av SOP kreve ytterligere optimalisering tilpasset arter under studien. Utpakking brukes ofte D. magna prøver å forbedre klekking suksess. Men kan denne tilnærmingen ikke være egnet for mindre prøver. Klekking stimuli kan også variere blant arter48 og blant conspecific prøven49. Derfor kan en ad hoc optimalisering av klekking trinnene på SOP være nødvendig før programmer til andre krepsdyr. Mens klekking suksessen av D. magna befolkningen opp fra innsjøen Ring (30,5% over sedimentære arkivet) er i tråd med tidligere resultater49, varierer klekking suksess med bevaring delstaten sediment, arten 50,51, og den geografiske opprinnelsen til sediment48. Fremtidige studier på mekanismer som regulerer oppføringen og fremdrift gjennom faser av diapause er nødvendig for å identifisere optimal klekking stimuli tilpasset forskjellige arter.
Til slutt, bakgrunn kunnskap av studien, spesielt tilstedeværelsen av arten av interesse over tid, anbefales. Dette kan oppnås via loggposter. Hvis loggposter ikke er tilgjengelig, er prøvetaking og screening på overflaten lag av innsjø sedimenter før kjernen prøvetaking tilrådelig, selv om det kan gi informasjon på siste historien.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av NERC høydepunkter tilskudd (NE/N016777/1). Ensis Ltd, vitenskapelige miljøtjenester, miljømessig endre forskningssenter, University College London samplet og datert sediment kjernen.
sampling bags | Fisher Scientific | 11542783 | Sampling bag revolve round wires closure system and safety tabs sterile polyethylene with writing area clear 89µm thickness 140mm x 229mm, 720mL Fisherbrand |
piston corer | ENSIS ltd | na | Long, heavy tube plunged into the sea, lake, pond floor to extract samples of mud sediment. Piston corers have a viariable diameter and are generally in PVC |
precision scale | Veritas-M124A | TLP-50 | Analytical Balance |
geological sieve | UKGE limited | SV7521 | 200 mm diameter geological sieve – 1 mm mesh |
geological sieve | UKGE limited | SV7525 | 200 mm diameter geological sieve – 0.125 mm mesh |
white sampling tray | nhbs | http://www.nhbs.com/title/view/159614?ad_id=1509 | Standard mulipurpose lab trays |
pasteur pipette | Globe Scientific inc. | 138020B | Transfer Pipet, 1.7mL, General Purpose, 87mm, Bulb Draw – 0.9mL |
stereo microscope | nikon | smz800 | Microscope with magnification range 1x -8x linked to a camera control unit |
petri dish | EduLab | 153-533 | Sterile 90mm diameter plastic petri dish |
glass jars | compak | Round Jam Jars 4oz | 100 mL jars |
glass jars | compak | Atum Jars/ Bonta Jar 10oz | 200 mL jars |
glass jars | bottlecompanysouth | 500ml Food Jam Jar With Twist Off Lid | 500 mL jars |
statistical software R | https://cran.r-project.org/ | na | Free online GNU language and environment for statistical computing and graphics |
microdissection forceps | Fisher Scientific | 41122405 | Fine point stainless steel forceps for microdissections |
image software | https://imagej.nih.gov/ij/index.html | na | Open source ImageJ image processing toolkit written in Java |
mesocosm | amazon | na | Nobby Fauna-Box III, 41 x 23 x 29 cm, 20.0 Liter |
mirocentrifuge tubes | Sigma_Aldrick – Merck | Z606340 | premium microcentrifuge tubes 1.5 mL |
AGENCOURT DNAdvance | Beckman Coulter | A48705 | DNA extraction kit |
size standard | Thermo Fisher Scientific | 4322682 | LIZ500 – Size standard compatible with ABI sequencers |
ABI3032 sequencer | ABI | na | Sequencer used to perform fragment analysis or sanger sequencing |