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Research Article
Andrea Soto-Padilla1,2, Rick Ruijsink3, Mark Span4, Hedderik van Rijn*4, Jean-Christophe Billeter*1
1Groningen Institute for Evolutionary Life Sciences,University of Groningen, 2Department of Cell Biology, University of Groningen,University Medical Center Groningen, 3Ruijsink Dynamic Engineering, 4Department of Psychology,University of Groningen
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Qui presentiamo un protocollo per determinare automaticamente le prestazioni dell'apparato locomotore di Drosophila alle variazioni di temperatura usando un arena di temperatura programmabile che produce i cambiamenti di temperatura veloce ed accurato nel tempo e nello spazio.
Temperatura è un fattore ambientale onnipresente che colpisce come specie distribuire e comportarsi. Diverse specie di mosche della frutta Drosophila hanno risposte specifiche alla variazione della temperatura secondo la loro tolleranza fisiologica e adattabilità. Drosofila mosche possiedono anche un sistema che è diventata fondamentale per comprendere le basi neurali della temperatura di lavorazione in ectotermi di rilevamento della temperatura. Presentiamo qui una arena temperatura controllata che consente cambi di temperatura veloce e preciso controllo temporale e spaziale per studiare la risposta di singoli mosche a temperature variabili. Mosche individuali sono collocati nell'arena ed esposti alle sfide di temperatura pre-programmati, come uniforme graduale aumenta di temperatura per determinare norme di reazione o temperature spazialmente distribuite allo stesso tempo di determinare le preferenze. Gli individui vengono monitorati automaticamente, consentendo la quantificazione della velocità o posizione di preferenza. Questo metodo può essere utilizzato per quantificare rapidamente la risposta sopra un ampio range di temperature per determinare le curve di prestazione di temperatura in Drosophila o altri insetti di dimensioni simili. Inoltre, può essere utilizzato per studi genetici di quantificare le preferenze di temperatura e reazioni di mutanti o selvaggio-tipo mosche. Questo metodo può aiutare a scoprire la base della speciazione termica e adattamento, come pure i meccanismi neurali dietro lavorazione temperatura.
Temperatura è un fattore ambientale costante che colpisce come organismi funzionano e comportano1. Le differenze in latitudine e altitudine portano a differenze nel tipo di climi organismo sono esposti, che si traduce in selezione evolutiva per le loro risposte a temperatura2,3. Gli organismi rispondono a diverse temperature attraverso adattamenti morfologici, fisiologici e comportamentali che massimizzano le prestazioni sotto loro particolari ambienti4. Per esempio, nel moscerino della frutta Drosophila melanogaster, popolazioni provenienti da diverse regioni hanno preferenze diverse temperatura, dimensioni del corpo, volte inerente allo sviluppo, longevità, fecondità e prestazioni a piedi a diverse temperature2 ,5,6,7. La diversità osservata tra mosche di diverse provenienze si spiega in parte con variazione genetica ed espressione genica plastica8,9. Allo stesso modo, specie di Drosophila provenienti da diverse aree distribuire in modo diverso tra i gradienti di temperatura e mostrare le differenze nella resistenza a calore estremo e freddo test10,11,12.
Drosophila anche recentemente è diventato il modello di scelta per comprendere le basi genetiche e neurali della temperatura percezione13,14,15,16,17. In generale, mosche adulte percepiscono temperatura mediante sensori di temperatura periferica caldi e freddi nelle antenne e sensori di temperatura nel cervello13,14,15,16 , 17 , 18 , 19 , 20. i recettori di periferia per alte temperature express Gr28b.d16 o piressia21, mentre la periferia freddi recettori sono caratterizzati da Brivido14. Nel cervello, la temperatura viene elaborato dai neuroni che esprimono TrpA115. Studi comportamentali su mutanti di queste vie sono migliorare la nostra comprensione di come la temperatura viene elaborato e dare spunti nei meccanismi che variano fra le popolazioni di Drosophila da diverse regioni.
Qui descriviamo una arena temperatura controllata che produce i cambiamenti di temperatura veloce e preciso. Gli investigatori possono pre-programmare questi cambiamenti, che consente per le manipolazioni di temperatura standardizzata e ripetibile senza intervento umano. Mosche sono registrati e monitorati con software specializzato per determinarne la posizione e la velocità nelle diverse fasi di un esperimento. La misura principale presentata in questo protocollo è la velocità di camminata a diverse temperature, perché è un indice ecologicamente rilevante di prestazione fisiologica che possa identificare adattabilità individuale termico5. Insieme a mutanti del recettore di temperatura, questa tecnica può aiutare a rivelare i meccanismi di adattamento termico a livello cellulare e biochimico.
1. preparazione di alimento Medium
2. preparazione di mosche
3. cornice di luci
4. temperatura controllata Arena
5. temperatura esperimenti comportamentali
6. video di rilevamento e analisi dei dati
L'arena a temperatura controllata (Figura 1A) è costituito da tre tegole di rame cui la temperatura può essere autonomamente attraverso un circuito programmabile. Ogni piastrella rame possiede un sensore di temperatura che fornisce un feedback al circuito programmabile. Il circuito si attiva un alimentatore per aumentare la temperatura di ogni piastrella. Elementi passivi termoelettrici fungono da elementi di riscaldamento costante per mantenere la temperatura desiderata, mentre un dissipatore di calore raffreddato da una ventola garantisce il raffreddamento costante. L'entità della variazione di temperatura determina la velocità del processo in modo non lineare. Un aumento di 2 ° C richiede solo 0,1 s e un aumento di 18 ° C richiede 4 s. Uno schermo collegato al circuito programmabile (Figura 1) informa l'utente della temperatura misurata dai sensori di temperatura in ciascuna delle piastrelle. Le tegole di rame sono circondate da un anello di alluminio costantemente riscaldato a 50 ° C (Figura 1B e 1C) di semiconduttori intorno alla periferia. Questo anello forma i bordi dell'Arena volare (Figura 1), l'area in cui mosche devono essere inseriti. L'Arena di volare è coperto da un coperchio di vetro siliconato (Figura 1A e 1C), che fornisce uno spazio alto 3 mm, che assicura che le mosche possono camminare ma non volare. Nei pressi dell'Arena di volare sono due LED rossi (Figura 1) che può essere programmato per contrassegnare diverse fasi sperimentali. Ad esempio, per i risultati mostrati in Figura 2A, ogni LED è associato con una temperatura diversa, mentre in Figura 2B, ogni LED indica 60 s. Il software FlySteps può registrare quando ciascuno dei LED indicativo è acceso, e il ricercatore può quindi utilizzare queste informazioni per determinare automaticamente le fasi sperimentali, basate sulla temperatura o del tempo.
L'arena di temperatura controllata può essere utilizzato per confrontare la risposta comportamentale di mosche dal diverso background genetico alle variazioni di temperatura dinamico. Ad esempio, mosche da specie diverse possono essere esposti ad aumentare gradualmente le temperature (Figura 3) per confrontare le differenze di prestazioni termiche. La velocità di tutte le specie aumenta come aumenta la temperatura fino a raggiungere un punto di massime prestazioni, dopo di che esso decadde e perirono. Tuttavia, ogni specie ha una curva di risposta particolare con velocità di risposta massima specifica e tolleranze termiche. Rapporti precedenti hanno indicato che Drosophila appartenenti a specie diverse differiscono tra temporizzazione inerente allo sviluppo, longevità, fecondità, dimensioni del corpo, comunicazione sessuale e temperatura tolleranza3,6,7 ,8,22. Così, la nostra descrizione di locomozione specie-specifici in un gradiente di temperatura aggiunge a questo corpo di lavoro.
L'arena di temperatura controllata è utilizzabile anche per esplorare la risposta condizionata esperimenti basati sulla temperatura. La forma più semplice di questo approccio è un paradigma di condizionamento in cui mosche sono addestrati a preferire un lato dell'arena sopra l'altro, dal riscaldamento fino al lato che sarà evitato23,24,25. Siamo esposti singoli mosche a 40 ° C nel mezzo e una delle piastrelle del lato, lasciando l'altra tessera di lato a un confortevole 22 ° C (Figura 4). Selvaggio-tipo mosche rapidamente ha smesso di muoversi lungo l'arena e rimasero in posizione confortevole. Al contrario, il mutante di memoria classico Dunce tenuto ad esplorare l'arena e speso meno tempo che i controlli in posizione confortevole. Le differenze tra prestazioni delle mosche wild type e mutanti somaro è diventato più grande, quando tutte le tessere sono state impostate a 22 ° C e i confronti sono stati fatti fra i gruppi di trattamento. Dunce mutanti inoltre ha mostrato maggiori differenze tra le fasi di prova e di addestramento in confronto le mosche di selvaggio-tipo (Figura 4). Questi risultati suggeriscono un effetto di memoria sulle restanti in posizione confortevole.
Combinazioni di temperatura e la posizione sono anche utili per comprendere la funzione dei recettori di temperatura diversa durante i cambi di temperatura dinamico. Siamo esposti singoli mutanti di d. melanogaster Gr28b.d e TrpA1GAL4 di aumento delle temperature (2 ° C aumentare ogni 60 s) fornendo al contempo una posizione confortevole a 22 ° C (Figura 5). La confortevole posizione spostata da sinistra a destra e viceversa, per ogni iterazione. I risultati mostrano che i mutanti di Gr28b.d di periferia temperatura del ricevitore si comportano come il controllo, come si spendono più tempo nella posizione confortevole mentre la temperatura aumenta. Tuttavia, cervello temperatura recettore TrpA1GAL4 mutanti non sono interessati da aumento delle temperature e non cambiare la loro posizione nell'arena. Gli aumenti e diminuzione nella curva di TrpA1GAL4 mutanti mostrano l'effetto in mosche che erano già seduti in posizione confortevole prima è diventato comodo e rimase là durante quella fase. La consistenza delle cime e valli della curva di TrpA1GAL4 suggeriscono che queste mosche sono rimasto ancora per la maggior parte dell'esperimento; quindi, sono stati contati costantemente quando la loro posizione era quello considerato confortevole. Questa conclusione è stata confermata mediante ispezione visiva dei video registrati. Questi risultati sostengono precedenti rapporti fisiologici che suggeriscono quella percezione di periferia di cambiamenti veloci e grandi non dipende Gr28b.d17 e che mosche possiedono un meccanismo centrale principale alla temperatura di senso basato su TrpA1 14,21.

Figura 1: diagramma di temperatura controllata-arena. (A) vista laterale dell'arena temperatura controllata. Un circuito programmabile si connette un sensori di temperatura e di fornitura di energia ai corpi scaldanti sotto tegole di rame per controllare la loro temperatura. Piastrelle sono costantemente raffreddati tramite un dissipatore di calore collegato ad un ventilatore. Un anello di alluminio riscaldata su cui poggia una copertura in vetro circonda le piastrelle. (B) thermal imaging mostrando le piastrelle impostato a 24 ° C (in alto) e piastrelle laterali a 24 ° C con una piastrella centrale a 30 ° C (in basso). (C) una vista superiore dell'arena. Una telecamera registra le tegole di rame, anello di alluminio e LED rossi, quindi determina automaticamente le fasi sperimentali. Uno schermo nell'angolo della finestra, non registrate dalla fotocamera, Visualizza la temperatura attuale di piastrelle. (D) anello di luce: due strisce di LED bianchi caldi all'interno di una scatola di legno coperta nel white paper provvedono ad un'illuminazione simmetrica e costante dell'intera arena. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: mosche devono acclimatare all'arena prima di iniziare il protocollo temperatura. (A) singoli mosche maschii sono stati introdotti nell'Arena e permesso di esplorare a una costante 16 ° C per 1 min, dopo di che la temperatura ha cominciato aumentare. (B) singolo mosche esposti a 16 ° C, 20 ° C e 24 ° C (nessuna differenza del gruppo; F di ANOVA a due vie (2.570) = 4.156, p = 0,162) hanno una locomozione superiore all'inizio dell'esperimento che dopo 5 min (a due vie RM ANOVA F (9.570) = 7.803, p < 0,0001). Dati sono la media e l'errore standard della media (± SEM) dei 20 mosche femminile Vergine 5 a 7 giorni vecchi testati di più giorni. Asterisco indica una differenza significativa tra i gruppi (* * * p < 0,0001; Tukey di più test di confronto, p = 0,05). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Locomozione delle 5 specie di Drosophila esposti a temperature progressivamente crescenti. Individuo maschio Vola da tropicale (blu), temperato (rosso), e specie cosmopolita di Drosophila (marrone) sono stati esposti a un gradiente di temperatura crescente (2 ° C ogni 60 s) tra 16 e 46 ° C. Il primo min 7 erano costantemente a 22 ° C per consentire mosche esplorare l'arena. Specie erano significativamente differenti (F(4,70) di ANOVA a due vie RM = 28,46, p < 0,001). (a) d. melanogaster (marrone; riempito cerchi) era più veloce quando introdotto nell'Arena. (b) d. yakuba (rosso; svuotare piazze) era più veloce come aumentata della temperatura. (c) d. suzukii (marrone quadrato riempito) è stato più lento rispetto le altre mosche cosmopolite nel suo punto di massimo rendimento. (d) d. simulans (marrone; svuotare cerchi) era in decadimento nel punto massimo della D. melanogaster. Ogni punto rappresenta la media (± SEM) di 15 mosche maschi 5 a 7 giorni vecchio testato per diversi giorni. Significato indicato dai simboli (♦ = differenza da tutti, p < 0,0001; † = differenza da tutti tranne d. melanogaster, p < 0,0001; • = differenza da d. melanogaster, p < 0.01; ¢ = differenza da d. melanogaster, p < 0,001; = differenza tra gruppi denominati, p < 0,0001; Tukey di più test di confronto, p = 0,05). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: l'arena di temperatura controllata può essere utilizzato per il condizionamento operante. Ceppo di Cantone-S di d. melanogaster (wild-type; nero bordo) e dnc1 (Dunce; bordo rosso) mutanti venivano addestrati a preferire una piastrella laterale a 22 ° C, dopo il riscaldamento centrale e fronte piastrelle laterali a 40 ° C per 4 min (formazione, no modello). Memoria delle aree riscaldate viene quindi testato impostando tutte le tessere a 22 ° C (prova; modello di griglia). Mosche sono stati condizionati a preferire piastrelle a sinistra nella metà degli esperimenti, quindi piastrelle sulla destra in altra metà. La percentuale di tempo totale dentro la piastrella a 22 ° C durante l'allenamento e test è stata misurata per confrontare le prestazioni. I gruppi erano significativamente differenti (One-way ANOVA F(3,76) = 23,23, p < 0,0001), con Dunce esecuzione peggio di selvaggio-tipo nel complesso. I dati sono medi (± SEM) di 20 mosche femminile Vergine 5 a 7 giorni vecchio testato per diversi giorni. Gli asterischi indicano la differenza di significato tra i gruppi (* * * p > 0,0001; * * * p > 0,001; * * p > 0.01; Tukey di più test di confronto, p = 0,05) Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: risposta di mutanti temperatura all'aumentare della temperatura quando viene fornita una posizione confortevole. Mutanti temperatura Gr28b.d (verde, piazze) rispondono come controlli (w1118, nero; cerchi) aumentando la percentuale di tempo in zona confortevole mentre la temperatura aumenta (bidirezionale RM ANOVA F (1,38) = 0.5107, p = 0,479). TrpA1GAL4 mutanti (giallo; triangoli) sono diversi dai controlli (w1118, nero), come non aumentare il tempo in zona confortevole mentre la temperatura aumenta (bidirezionale RM ANOVA F (1,38) = 1.670, p = 0,019). I dati sono medi (± SEM) di 20 mosche maschi 5 a 7 giorni vecchio testato per diversi giorni. TrpA1GAL4 è significativamente diverso da Gr28b.d e il controllo (p < 0,05; Tukey di più test di confronto, p = 0,05). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.
Qui presentiamo un protocollo per determinare automaticamente le prestazioni dell'apparato locomotore di Drosophila alle variazioni di temperatura usando un arena di temperatura programmabile che produce i cambiamenti di temperatura veloce ed accurato nel tempo e nello spazio.
Questo lavoro è stato sostenuto in parte da una borsa di studio dalla comportamentali e Cognitive Neuroscience programma dell'Università di Groningen e una borsa di studio laureato il Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) dal Messico, concesso a Andrea Soto-Padilla e una borsa di studio della John Templeton Foundation per lo studio del tempo assegnato a Hedderik van Rijn e Jean-Christophe Billeter. Siamo inoltre grati a Peter Gerrit Bosma per la sua partecipazione nello sviluppo il tracker di FlySteps .
Script TemperaturePhases, FlySteps e FlyStepAnalysis può essere trovato come informazione supplementare e nel seguente link temporaneo e pubblicamente disponibili:
https://dataverse.nl/privateurl.XHTML?token=c70159ad-4d92-443D-8946-974140d2cb78
| Arduino Due | Arduino | A000062 | Software RUG |
| Scheda elettronica | Ruijsink Dynamic Engineering | FF-Main-02-2014 | |
| Alimentatore Boost | XP-Power 48. V 65 W | ECS65US48 | Impostato su 53 Volt |
| Alimentazione Riscaldamento piastrelle | XP-Power 15. V 80 W | VFT80US15 | |
| Alimentazione Raffreddamento | XP-Power 15. V 130 W | ECS130U515 | |
| Elementi Peltier | Marlow Industries | RC12-4 | 2 elementi, alimentazione CC controllata |
| Dissipatore di calore | Fisher Technik | LA 9/150-230V | Disaccoppiato per vibrazioni |
| Sensori di temperatura | Misurazione Specialità | MCD_10K3MCD1 | Micro termistore Sonda |
| Blocco/piastrelle di rame | Ruijsink Dynamic Engineering | FF-CB-01-2014 | |
| Anello Auminum | Ruijsink Dynamic Engineering | FF-RoF-02-2015 | |
| Tesa 4104 nastro bianco 25 x 66 mm | RS Components | 111-2300 | Nastro conduttivo bianco |
| LED rossi | Lucky Ligt | ll-583vc2c-v1-4da | Lunghezza d'onda tra 625 nm, 20 mAmp e 6 V |
| Striscia LED bianca calda | Ledstripkoning | HQ-3528-SMD | 60 LED per metro |
| Interruttore Alimentatore | Generico | T-36-12 | |
| Logitech c920 | Logitech Europe S.A | PN960-001055 | |
| QuickTime Player | Apple Computer | Recording software | |
| analisi dell'inseguimento | R | Packages: pacman | |
| Software di analisi dell'inseguimento | MATLAB | ||
| Thermal Imaging | FLIR T400sc | ||
| Grafici e statistiche Software | Graph Pad Prism | ||
| Sigmacote Sigmacote | Sigma-Aldrich | SL2-100ML | Agente silicogeno |
| Bottiglie per l'allevamento delle mosche | Flystuff | 32-130 | 6oz Bottiglia di riserva di Drosophila |
| Flypad | Flystuff | 59-114 | |
| Fiale per l'allevamento delle mosche | Dominique Dutscher | 789008 | Tubi di Drosophila stretti 25x95 mm |
| Incubatore | Sanyo | MIR-154 | |
| Piastra riscaldante magnetica | Heidolph | 505-20000-00 | MR Hei-Standard |
| Agar | Caldic Ingredienti B.V. | 010001.26.0 | |
| Glucosio | Gezond& wel | 1019155 | Destrosio/Druivensuiker |
| Saccarosio | Van Gilse | Zucchero semolato | |
| Farina di mais | Flystuff | 62-100 | |
| Germe di grano | Gezond & wel | 1017683 Farina di | |
| soia | Flystuff | 62-115 | |
| Melassa | Flystuff | 62-117 | |
| Lievito secco attivo | Red Star | ||
| Tegosept | Flystuff | 20-258 | 100% |