Summary
تحجيم العلاقات الشكلية والتقاط تصف الشكل العضوي. نقدم طريقة لقياس العلاقات القياس الصرفي عبر مجموعة من الأحجام الطبيعية في جسم الحشرات المتحولة بشكل كامل. باستخدام نظام غذائي بسيط التلاعب نزيد توزيع أحجام سمة ، والسماح للصفا دقيقا لكيفية شكل وحجم التعاون تختلف.
Abstract
والتحجيم من أجزاء الجسم هو سمة أساسية من مورفولوجيا الحيوان 1-7. داخل الأنواع والصفات المورفولوجية يلزم تتناسب بشكل صحيح في الجسم لكائن إلى وظيفة ؛ الأفراد وعادة ما يكون أكبر أجزاء الجسم الأكبر والأصغر الأفراد عموما أصغر أجزاء الجسم ، وحافظ على هذا أن شكل الجسم الكلي عبر مجموعة من أحجام الجسم الكبار. شرط النسب الصحيح يعني أن الأفراد داخل الأنواع المعرض عادة منخفضة التباين في حجم سمة النسبية. في المقابل ، يمكن أن الحجم النسبي سمة تختلف بشكل كبير بين الأنواع ، وهو الآلية الرئيسية التي تنتج التنوع المورفولوجية. أكثر من قرن من العمل وأنشأت هذه المقارنة البينية بين الأنواع والأنماط 3،4.
ولعل النهج الأكثر استخداما لوصف هذا الاختلاف هو لحساب العلاقة بين زيادة حجم صفتين المورفولوجية باستخدام المعادلة ص = bxα متفاوت ، حيث x و y هي حجم الصفات اثنين ، مثل حجم الجسم والجهاز 8 (9). هذه المعادلة تصف العلاقة داخل المجموعة التحجيم (على سبيل المثال ، والأنواع ، والسكان) بين صفتين على حد سواء تختلف في الحجم. سجل التحول ، من هذه المعادلة ينتج معادلة بسيطة الخطية ، وسجل (ذ) = السجل (ب) + αlog (خ) وسجل ، سجل حجم المؤامرات من الصفات المختلفة بين الأفراد من نفس النوع تكشف عادة التحجيم الخطي مع اعتراض من السجل (ب) والمنحدر من α ، ودعا "متفاوت معامل" 9،10. يوصف التباين بين المجموعات الصرفية الاختلافات في قراءتها العلاقة التحجيم أو المنحدرات لزوج سمة معينة. وبالتالي ، والتباين في معالم المعادلة متفاوت (ب) و (α) يصف بأناقة الشكل الاختلاف التي احتلتها في العلاقة بين الجهاز وحجم الجسم داخل وبين المجموعات البيولوجية (انظر 11،12).
ليس كل الصفات مقياس خطيا مع بعضها البعض أو مع حجم الجسم (على سبيل المثال ، 13،14) ومن ثم توسيع نطاق العلاقات الصرفية هي أكبر قدر من المعلومات عندما يتم أخذ البيانات من مجموعة كاملة من أحجام الصفة. نحن هنا تصف كيف يمكن استخدام التلاعب تجريبية بسيطة من النظام الغذائي لانتاج مجموعة كاملة من حجم الجسم في الحشرات. يسمح هذا تقدير للعلاقة التحجيم الكامل لإعطاء أي زوج من الصفات ، والسماح وصفا كاملا لكيفية covaries الشكل مع حجم ومقارنة قوية من المعلمات التحجيم العلاقة بين المجموعات البيولوجية. على الرغم من أن نركز على ذبابة الفاكهة ، وينبغي لنا منهجية يمكن تطبيقها على أي نحو الحشرات المتحولة بشكل كامل.
Protocol
1. تربية والتلاعب من النظام الغذائي لانتاج التفاوت في حجم الجسم وحجم الجناح
عقلانية ونظرة عامة ، والتعبير عن العلاقات التوسع في النهاية يتوقف على العمليات التنظيمية التنموية التي تنتج الاختلاف في الجهاز النهائي وحجم الجسم. هي أفضل وصف لهذه العمليات من العمل على الحشرات المتحولة بالكامل (أي كاملة الانسلاخ) مثل د. melanogaster ، حيث تنمو الأجهزة غير متمايزة باسم "أقراص تخيلي" ضمن نكش تشبه اليرقة 11،15-17. في ذبابة الفاكهة ، وينظم الجهاز النهائي وحجم الجسم عن طريق النمو خلال مراحل اليرقات ؛ اليرقات تنمو من خلال طور مرحلي على اليرقات الأولى والثانية حتى تصل إلى الحد الأدنى من الوزن قابلة للeclosion (MVW E) نحو بداية طور مرحلي اليرقات third 18. المجاعة قبل بلوغ E MVW يمنع eclosion الكبار. ومع ذلك ، يتم تجويع اليرقات التي في البريد MVW توليد البالغين قادرة على البقاء ، ولو في حجم صغير جدا. لأن هذا هو انخفاض التغذية خلال التنمية يقلل الجسم النهائي وحجم الجهاز ، وليس فقط في الذباب ولكن في جميع الحيوانات تقريبا 19-21. ويتحقق من خلال التلاعب توافر الغذاء بعد MVW E ، ولكن قبل pupation يحدث ، فمن المحتمل للحث على اللدونة المظهرية الشديدة في حجم الجسم الذي يفوق كثيرا مصادر أخرى للاختلاف (على سبيل المثال ، الاختلاف الجيني الفردية).
- يتم جمع البيض من أن يكون عدد سكان phenotyped ، وتنقسم الى الكثير من 50 ووضعها في قارورة تحتوي على المواد الغذائية 10ML يطير القياسية. لأن oviposition يحدث باستمرار ، ويتم جمع كل البيض 24H لمدة ثلاثة أيام ، وتنتج الأفواج العمرية الثلاث.
- عندما اقدم فوج يصل إلى مرحلة ترتع قد بدأت للتو إلى تخدر تصبح خادرة ، يتم تطبيق تلاعب النظام الغذائي. عند هذه النقطة ، وهي أقدم الفوج هو أبعد من البريد MVW ، أصغر الفوج هو قريب جدا من E MVW والأتراب المتبقية هي في مكان ما بين هذين النقيضين. وبالتالي ، فإن التخلص من المواد الغذائية في هذه المرحلة تنتج الكبار كبيرة جدا من أقدم الأتراب ، صغيرة جدا من البالغين الأصغر سنا والبالغين الفوج المتوسطة الحجم من الفوج المتبقية. لإزالة اليرقات من قوارير ، 5ml يقرب من محلول السكروز 40 ٪ يضاف إلى كل قنينة. لتحرير اليرقات ، يتم تحريكها الطعام لمدة 15-20 دقيقة على طاولة شاكر تعيين إلى سرعة متوسطة.
- تتم إزالة اليرقات العائمة من الحل السكروز مع الرسام (00) غرامة ، ويوضع في قارورة تحتوي على المكونات القطن مبللة ويترك لتخدر تصبح خادرة. بدلا من ذلك ، يمكن وضع اليرقات على المضافات الغذائية غير القابلة للهضم مثل السليلوز الميثيل 22.
2. تقدير حجم الجسم
عقلانية ونظرة عامة. دراسات سابقة تشير إلى أن طول الصدر هو أقل من وكيل مثالية لحجم الجسم الكلي 22. بدلا من ذلك ، ونحن نستخدم حجم العذراء كمقياس لحجم الجسم. هو ثابت الحد الأقصى لحجم الجسم في وقف التغذية التي تسبق pupation. نتيجة لذلك ، هناك ارتباط بين حجم ضيق العذراء والكبار حجم الجسم 23.
- يتم ترتيب الشرانق الجانب البطني حتى على الشرائح المجهر والزجاج ، والتقط باستخدام كاميرا رقمية مثبتة في مجهر تشريح. يتم التقاط كل صورة ، تعيين رمز فريد تحديد ونقلها إلى كمبيوتر عبر البث المباشر توصيل الكاميرا الرقمية إلى الكمبيوتر.
- يتم نقل الشرانق تصوير الفردية epitubes 2 مل تحتوي على المواد الغذائية 1ml يطير ، المسمى مع رمز فريدة من نوعها لهذا الفرد ، وثقبت مع airholes التي تتيح تبادل الغاز.
- ويقدر حجم العذراء وعدد البكسل في صورة ظلية العذراء. ويمكن أيضا قياسات حجم أخرى يمكن استخدامها.
3. تقدير حجم سمة (الجناح)
عقلانية ونظرة عامة. على أجنحة الصورة ، نستخدم "الجناح المختطف' 24 ، والتي تسحب ويحمل جناح حية ، عمودية تحلق على تخدير الجسم. ضغطت بين قطعتين من الزجاج ، وهذا يسمح ليمكن تصوير الجناح ككائن ثنائية الأبعاد.
- الذباب تخدير باستخفاف مع أول أكسيد الكربون (2) وضعت في موقف المختطف في الجناح على تشريح المجهر مزودة كاميرا رقمية متصلة بجهاز كمبيوتر.
- والتقط الجناح وحفظها تحت رمز فريد لهذا الفرد.
- ويمكن تقدير حجم الجناح باستخدام المضلع المحدب الحد الأدنى الذي يقيد من معالم ثابتة هامشية أو عدد البكسل في صورة ظلية الجناح.
4. توسيع نطاق العلاقة تقدير
- ويتم تجميع البيانات عبر أفواج لكن مفصولة الجنس وسجل تحول.
- صالحة لتوسيع نطاق العلاقات في حجم البيانات باستخدام النوع الثاني (أي انخفاض المحور الرئيسي) الانحدار (انظر الاستعراض في 12) والمعلمات المقدرة لكل مجموعة.
5. ممثل النتائج :
خيمة "> سيكون لدينا نظام غذائي التلاعب تنتج مجموعة واسعة من أحجام الجسم (الشكل 1) والأحجام سمة (الشكل 2). رسم سمات الدخول تحول بعضهم ضد البعض الآخر يكشف عن نمطها من covariation ضمن مجموعة بيولوجية معينة ، وتصاريح تركيب العلاقة التحجيم إلى المجموعة (الشكل 3). استخراج المعلمات العلاقة التي تصف كيفية توسيع نطاق جداول الشكل مع حجم الجسم يسمح بمقارنة covaries الشكل مع حجم كيف عبر مجموعات.
الشكل 1. الشرنقة من اقصى حجم التوزيع المنتجة عن طريق التلاعب حمية الأفراد بعد تحقيق E MVW. وتظهر صور العذراء الفعلية في اليسار مع ما يقابلها من الصور الظلية لقياس حجم العذراء في الحق. شريط المقياس 1MM.
الشكل 2. الاجنحة المتطرفة التي اتخذت من الجسم توزيع حجم إنتاجها عبر التلاعب حمية الأفراد بعد تحقيق E MVW. وتظهر الصور الفعلية على الجناح الأيسر مع الظلية يناظرها لقياس حجم الجناح الذي يظهر على اليمين. شريط المقياس 1MM.
الشكل 3. جناح الهيئة تحجيم حجم melanogaster ذبابة الفاكهة حسب نوع الجنس. سجل - تحويل البيانات للأفراد من كل جنس التي كانت تتغذى بالكامل (الهالات السوداء) والتجويع واحد (دوائر رمادية) أو يومين (الدوائر المغلقة) واليرقات. يظهر نوع خط الانحدار الثاني لكل من الجنسين. بين كل فئة عمرية ، وتنخفض في منطقة الجناح المتوسط ~ 0.1mm (~ 7 ٪) و ~ 0.2mm (~ 8 ٪) حدوث زيادة تتراوح ما مجموعه الظواهر المرصودة. الانحدارات تكشف عن أن الإناث hypoallometric قليلا لتوسيع نطاق هذه العلاقة (0.96 ميل) في حين أن الذكور هم hyperallometric قليلا (1.06 ميل).
Discussion
وقد تم توسيع نطاق المورفولوجية موضوع دراسة مكثفة في البيولوجيا التطورية لمدة قرن تقريبا. في الآونة الأخيرة ، أصبح الأساس المباشر لتنظيم النمو وتوسيع نطاق متزايد الأهمية في التنمية ، والفيزيولوجيا وعلم الوراثة (على سبيل المثال ، انظر نقدية في 12،15،23-25). منهجيتنا تصاريح تقدير تحجيم العلاقات الشكلية عبر مجموعة كاملة من الصفات والأحجام الجسم. وهذا يمكن أن يكون من المهم ، كما لا يجوز حجم سمة مقياس خطيا مع حجم الجسم (على سبيل المثال ، 13،14). ولكن هذا قد لا يكون واضحا إذا ما تربى الحيوانات فقط تحت ظروف المختبر المثالي.
على الرغم من أن لدينا بروتوكول تم تطويره بشكل صريح للسماح للعلاقة تقدير حجم التحجيم الجناح الجسم في ذبابة الفاكهة ، ويمكن استخدامه مع التعديل ، سمة محددة لتقدير العلاقة التحجيم لأي صفة شكلية في الذباب. وبالمثل ، يمكن أن يحتمل التلاعب حمية أن تستخدم لإنتاج مجموعة كاملة من أحجام سمة والجسم في غيرها من الحشرات المتحولة تماما ، وتطبيقات هذه ببساطة تتطلب معرفة متى يتحقق E MVW وتطبيق التلاعب في تلك المرحلة في تطور الجنين.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
وقد دعمت البحوث وصفها في هذه الدراسة عن طريق منحة من مؤسسة العلوم الوطنية (DEB - 0805818) لWAF ، أوس ومعرف كما أيد هذه الدراسة من المنح IOS - 0845847 لأوس ، IOS - 0919855 للأوس والهوية وIOS - 0920720 ل WAF
Materials
None. |
References
- Schmidt-Nielsen, K. Scaling: Why is animal size so important. , Cambridge University Press. (1984).
- Calder, W. A. Size, function and life history. , Harvard University Press. (1984).
- Huxley, J. S. Problems of relative growth. , Methuen & Co. (1932).
- Gould, S. J. Allometry and size in ontogeny and phylogeny. Biol. Rev. 41, 587-640 (1966).
- Alberch, P., Gould, S. J., Oster, G. F., Wake, D. B. Size and shape in ontogeny and phylogeny. Paleobiology. 5, 296-317 (1979).
- Thompson, D. W. On growth and form. , Cambridge University Press. (1917).
- Klingenberg, C. P. Heterochrony and allometry: The analysis of evolutionary change in ontogeny. Biol. Rev. 73, 79-123 (1998).
- Dubois, E. Sur le rapport de l'encéphale avec la grandeur du corps chez les Mammiferes. Bull. Soc. Anthropol. 8, 337-374 Forthcoming.
- Huxley, J. S., Teissier, G.
- Huxley, J. S. Constant differential growth-ratios and their significance. Nature. 114, 895-896 (1924).
- Shingleton, A. W., Frankino, W. A., Flatt, T., Nijhout, H. F., Emlen, D. J. Size and shape: The developmental regulation of static allometry in insects. BioEssays. 29, 536-548 (2007).
- Frankino, W. A., Emlen, D., Shingleton, A. W. Experimental approaches to studying the evolution of morphological allometries: The shape of things to come. Experimental evolution: Concepts, methods, and applications. Garland, T., Rose, M. , University of California Press. (2009).
- Emlen, D. J. Artificial selection on horn length-body size allometry in the horned beetle Onthophagus acuminatus. Evolution. 50, (1996).
- Emlen, D. J., Nijhout, H. F. The development and evolution of exaggerated morphologies in insects. Annu. Rev. Entomol. 45, 661-708 (2000).
- Shingleton, A. W. Body-size regulation: Combining genetics and physiology. Curr. Biol. 15, 825-827 (2005).
- Nijhout, H. F., Davidowitz, G., Roff, D. A. A quantitative analysis of the mechanism that controls body size in Manduca sexta. J. Biol. 5, 16.11-16.15 (2006).
- Davidowitz, G., Nijhout, H. F. The physiological basis of reaction norms: The interaction among growth rate, the duration of growth and body size. Integr. Comp. Biol. 44, 443-449 (2004).
- Stieper, B. C., Kupershtok, M., Driscoll, M. V., Shingleton, A. W. Imaginal discs regulate developmental timing in Drosophila melanogaster. Dev. Biol. 321, 18-26 (2008).
- Colombani, J. A nutrient sensor mechanism controls Drosophila growth. Cell. 114, 739-749 (2003).
- Mirth, C. K., Riddiford, L. M. Size assessment and growth control: How adult size is determined in insects. BioEssays. 29, 344-355 (2007).
- Thissen, J. P., Ketelslegers, J. M., Underwood, L. E. Nutritional regulation of the insulin-like growth factors. Endocr. Rev. 15, 80-101 (1994).
- Boots, M., Begon, M. Resource limitation and the lethal and sublethal effects of a viral pathogen in the Indian meal moth, Plodia interpunctella. Ecol. Entomol. 19, 319-326 (1994).
- Shingleton, A. W., Mirth, C. K., Bates, P. W. Developmental model of static allometry in holometabolous insects. Proc. R. Soc. B. 275, 1875-1885 (2008).
- Stern, D. L., Emlen, D. J. The developmental basis of allometry in insects. Development. 126, 1091-1101 (1999).
- Emlen, D. J., Allen, C. E. Genotype to phenotype: Physiological control of trait size and scaling in insects. Integr. Comp. Biol. 43, 617-634 (2003).
