Artykuł metodologiczny

Testy do wykrywania struktur odbijających promieniowanie UV i określania ich znaczenia w preferencjach mate przy użyciu Sailfin Molly Poecilia latipinna

6.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54453

⸱

14 września 2016

 , 
1Department of Zoology, Ohio Wesleyan University, 2Department of Ecology, Evolution, & Behavior, University of Minnesota

W tym artykule

Podsumowanie

Ten protokół opisuje użycie spektrofotometrii do wykrywania struktur odbijających promieniowanie ultrafioletowe na organizmach (w tym przykładzie żaglopłetwy Poecilia latipinna) i opisuje dychotomiczne testy wyboru dla ryb, które pozwalają na wnioskowanie o roli sygnałów ultrafioletowych podczas wyboru partnera.

Streszczenie

Wiele organizmów używa wskazówek i sygnałów wykraczających poza ludzką wrażliwość podczas interakcji społecznych. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę, jak organizmy postrzegają swój świat, próbując zrozumieć ich zachowanie i ekologię. Wrażliwość na widmo ultrafioletowe (UV; 300 - 400 nm) występuje u wielu rodzajów ptaków, ryb,,, a nawet ssaków. Protokół ten opisuje technikę badania organizmów pod kątem obecności struktur odbijających promieniowanie UV oraz metodę testowania, czy te sygnały są wykorzystywane jako sygnały społeczne w kontekście wyboru partnera. Spektrofotometr służy do wykrywania obecności odbicia promieniowania UV i różnic w intensywności odbicia między osobami i płciami. Przedstawiono przykład tej techniki, w której dychotomiczny test wyboru partnera naraża osoby wrażliwe seksualnie na osoby płci przeciwnej, których wyglądem można manipulować za pomocą filtrów, które albo transmitują pełne spektrum, albo blokują długości fal UV. System ten pozwolił na ustalenie, że samice, ale nie samce, molinezyków żaglopłetwych (Poecilia latipinna) używały oznaczeń UV jako części swoich decyzji godowych. Tego typu badania służą poszerzeniu naszej wiedzy na temat szeregu organizmów, które wykorzystują promieniowanie UV i dostarczają informacji na temat tego, jaką rolę odgrywa promieniowanie UV w ich życiu.

Wprowadzenie

Zrozumienie wskazówek i sygnałów używanych w interakcjach społecznych zwierząt pozwala nam zrozumieć zmienność fenotypową zarówno wewnątrz, jak i między gatunkami. Ta zmienność odgrywa ważną rolę w procesach ewolucyjnych, takich jak dywergencja populacji, dobór płciowy i specjacja. Często jednak badacze ograniczają się do badania sygnałów najbardziej oczywistych dla ludzkich systemów sensorycznych, zwłaszcza tych w sferze wzrokowej lub słuchowej. Zastosowanie spektrofotometrii pozwala nam jednak rozszerzyć nasze badania poza widmo widzialne człowieka i na długości fal, które mogą być ważne w interakcjach społecznych u innych gatunków.

W szczególności, komunikacja krótkiego zasięgu, jaką zapewnia czułość ultrafioletu (UV; 300 - 400 nm), może być potencjalnie bardzo korzystna podczas wyboru partnera1. Na przykład wiele wizualnie polujących drapieżników ptaków i ryb nie jest w stanie wykryć promieniowania UV. W systemach, w których samce prezentują się samicom w sposób skomplikowany, samce te zmniejszyłyby ryzyko drapieżnictwa, zachowując jednocześnie zdolność do przyciągania partnerów poprzez wykorzystanie widma UV, a nie rozwijanie sygnałów wykrywalnych w widmie widzialnym2,3. Jeśli nie weźmie się pod uwagę możliwości, że organizmy komunikują się ze sobą za pomocą tych "prywatnych kanałów komunikacyjnych", można pominąć istotne czynniki wpływające na zachowanie i ewolucję.

Ten protokół przedstawia zarys badań nad wykorzystaniem sygnałów UV do wyboru partnera u żaglopłetwego, Poecilia latipinna, poligamicznej ryby, która wcześniej nie miała znanej zdolności do wykrywania UV lub używania znaków UV. Ten gatunek ryb ma bliską filogenetyczną bliskość z innymi wrażliwymi na promieniowanie UV żywymi rybami4 i istnieją mikrospektroskopowe dowody na to, że P. latipinna, wraz z innymi gatunkami molly, takimi jak P. mexicana i P. formosa, posiadają klasę czopków (komórek fotoreceptorowych odpowiedzialnych za widzenie kolorów), które są najbardziej wrażliwe na długości fal UV5. U tego dymorficznego płciowo gatunku wybór samicy odegrał dużą rolę w ewolucji jaskrawo ubarwionych i powiększonych płetw samców6-9. Ta metodologia pozwala nam zbadać, czy promieniowanie UV jest dodatkowym medium, za pomocą którego samice oceniają jakość samców.

Wykrywanie i pomiar znaczników UV na P. latipinna za pomocą spektrofotometru z sondą światłowodową jest szczegółowo opisane tutaj. Ponadto omówiono to, czy receptywne samice molinezji różnie kojarzą się z samcami oglądanymi przez filtr optyczny przepuszczający światło o pełnym spektrum, w tym UV-A ([UV+]; 320 - 700 nm) i samcami oglądanymi przez filtr blokujący promieniowanie UV ([UV-]; 400 - 700 nm). Metoda ta ma szerokie zastosowanie w odkrywaniu wrażliwości na promieniowanie UV i wzorców kolorów u ryb i innych organizmów, umożliwiając badania nad różnymi kwestiami dotyczącymi promieniowania UV i jego roli w zachowaniu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Wszystkie eksperymenty zostały przeprowadzone za zgodą Institutional Animal Care and Use Committee Uniwersytetu Ohio Wesleyan.

1. Pomiar refleksyjności UV u ryb przy użyciu spektrofotometru

  1. Zkalibrować spektrofotometr i źródło światła przy użyciu znanego białego wzorca w zakresie mierzonej długości fal, zgodnie z zaleceniami producenta instrumentu lub oprogramowania.
  2. Zznieczulić ryby, umieszczając je w 0,5% roztworze soli kwasu metanosulfonowego etylu 3-aminobenzoesanu (MS-222) buforowanym równą ilością wodorowęglanu sodu, aż ryba przestanie reagować. Po utracie reakcji natychmiast umieścić rybę na czarnym, niem odbijającym tle. Uwaga: MS-222 jest potencjalnie toksyczny, dlatego należy przez cały czas używać rękawiczek.
  3. Wszystkie pomiary przeprowadzić w zaciemnionym pomieszczeniu, aby zminimalizować nadmiar światła poza światłem pochodzącym ze źródła spektrometru.
  4. Zmierzyć odbijalność za pomocą sondy światłowodowej przyłożonej do ciała organizmu. Należy upewnić się, że między światłowodem a ciałem zachowany jest stały kąt 45°, co jest zintegrowane z niektórymi konstrukcjami sond. Uwaga: Dla zapewnienia spójności pomiarów zaleca się wyciągnięcie średniej z wielu skanów (2 - 5) dla każdego regionu ciała.
  5. Zarejestrować dane o odbijalności za pomocą odpowiedniego oprogramowania do analizy odbijalności. Uwaga: Wykorzystane tutaj oprogramowanie ustawiono na: czas integracji = 2 000 sec, średnia liczba skanów = 2 oraz wygładzanie pikseli = 5. Dane zostały skopiowane i wklejone do arkusza kalkulacyjnego.
  6. Powtórzyć czynność w wielu obszarach ciała, aby określić obecność lub brak odbijalności UV oraz zakres zmienności fenotypowej między organizmami. Uwaga: Może być konieczne przeprowadzenie wstępnych skanów, aby ustalić, które obszary ciała, jeśli takie istnieją, konsekwentnie wykazują oznakowania UV.
  7. Przenieść rybę do dobrze natlenionego akwarium zbiorczego do czasu pełnego wybudzenia, o czym świadczą normalne ruchy operculum i zachowania pływackie. Uwaga: W celu wspomagania regeneracji skóry można dodać komercyjny preparat ochronny przywracający powłokę śluzową ciała.
  8. Powtórzyć procedurę u wielu osobników, w tym u obu płci, jeśli jest to wymagane.
  9. W arkuszu kalkulacyjnym, do którego skopiowano wszystkie dane, przedstawić wyniki na wykresie punktowym, z odbijalnością na osi Y i długością fali na osi X. Piki amplitudy w zakresie UV (300 - 400 nm) wskazują na obecność odbijalności UV u ryby.

2. Próby kojarzenia dychotomicznego

UWAGA: Należy przeprowadzić obserwacje kontrolne, w których znajdują się ryby ogniskowe, filtry UV oraz filtry nieprzezierne. W tych próbach, po usunięciu filtrów nieprzeziernych, ryby ogniskowe zostaną narażone na części zbiornika wykazujące obecność i brak światła UV, ale pozbawione potencjalnych partnerów do rozrodu. Szczegółowe informacje na temat poprawności testów wyboru dychotomicznego w tym eksperymencie można znaleźć w pracy Palmer i Hankison (2015)10, należy jednak zauważyć, że testy te mają również swoje wady11.

  1. W качестве organizmów ogniskowych należy wykorzystać osobniki receptywne seksualnie. Należy wykorzystać samice. P. latipinna < 48 h po porodzie5 samce izolowano przez co najmniej 24 h przed testami, aby zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia motywacji seksualnej.
  2. Umieść pojedynczą osobę badaną w obszarze neutralnym sąsiadującym z dwiema komorami wyboru. Dla P. latipinna, użyć akwarium testowego o pojemności 75,7 L (30,5 cm x 30,5 cm x 75 cm; Rycina 1) podzielone na trzy sekcje za pomocą przezroczystych przegród z pleksiglasu, tworzące centralny obszar dla osobnika ogniskowego, flankowany przez dwie komory wyboru o tej samej wielkości. Należy upewnić się, że między poszczególnymi sekcjami zbiornika nie przenikają sygnały wodne ani zapachowe. Powtórzyć procedurę dla każdego obserwowanego osobnika.

figure-protocol-1
Rycina 1. Schemat akwarium eksperymentalnego. Prostokątne akwarium podzielone na trzy sekcje: obszar centralny, w którym znajdowała się badana osobnik, oraz dwa przedziały końcowe zawierające pary obiektów (na rysunku w środku znajduje się samica, a na końcach obiekty przypominające samców). Nad szklanymi przegrodami oddzielającymi sekcje samca i samicy w akwarium można było umieścić wymienne filtry, które albo blokowały, albo przepuszczały odbicie UV. Rycina zmodyfikowana na podstawie pracy Palmera i Hankisona (2015) 10. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. W warunkach oświetlenia pełnospektralnego (oświetlenia, którego widmo rozciąga się do zakresu UV-A), odizoluj jednego potencjalnego partnera do rozrodu w każdym z końcowych przedziałów (przedziałów wyboru) akwarium testowego. Upewnij się, że potencjalni partnerzy do rozrodu są do siebie jak najbardziej zbliżeni pod względem wielkości, ubarwienia oraz cech behawioralnych, tak aby główną różnicą między dwoma odizolowanymi osobnikami było to, czy znajdują się oni za filtrem blokującym, czy przepuszczającym światło UV.
    UWAGA: W celu zapewnienia jak najlepszego dopasowania kolorów może być korzystniej zarejestrować odbicie w spektrum widzialnym, choć w tym przypadku dopasowanie wykonano organoleptycznie.
  2. Aklimatyzuj osobniki w warunkach izolacji wizualnej (filtry nieprzezroczyste) przez 15 min. Upewnij się, że w tym czasie zamontowane są filtry UV+ oraz UV-. Po aklimatyzacji zdejmij filtry nieprzezroczyste. Aby wykluczyć występowanie preferencji bocznych (wrodzonej preferencji do jednej strony zbiornika niezależnie od obiektu), losowo przypisz UV+ oraz UV- ścianki zbiornika dla każdej próby.
  3. Za pomocą stoperów należy zarejestrować czas, jaki osobnik ogniskowy spędza w określonych strefach preferencji (obszarach w pobliżu komór wyboru, w tym przypadku w odległości około dwóch standardowych długości ciała). W przypadku ryb samic jest to czas spędzony w pobliżu każdego z dwóch samców, a w przypadku ryb samców – odwrotnie.
    UWAGA: Do rejestracji można również wykorzystać oprogramowanie Event recorder. W niniejszym eksperymencie zastosowano próby trwające piętnaście minut, a ryby, które nie odwiedziły każdej strefy preferencji przynajmniej raz, zostały wykluczone z wyników jako nieod reagujące.
  4. Należy zarejestrować i przeanalizować czas, jaki ryby spędzają w pobliżu pustego UV+ oraz UV- przegrody, aby upewnić się, że nie występuje wrodzona stronniczość w kierunku konkretnego środowiska oświetleniowego, która mogłaby wpłynąć na wybór partnera przez ryby. Należy zastosować testy t-studenta dla prób zależnych, aby określić, czy osobniki preferują określone warunki UV.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunki 1 i 2 przedstawiają konfigurację akwarium do badania preferencji kopulacyjnych oraz miejsca pomiaru UV w naszych eksperymentach.

Pomiar odbicia UV pozwolił stwierdzić, że P. latipinna posiadają cechy UV, szczególnie wzdłuż boków ciała (Ryc. 3), a także wykazują zmienność osobniczą w zakresie tych cech. Po zidentyfikowaniu cech UV przeprowadzono testy, które wyka...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Spektrofotometria odniosła sukces w identyfikacji oznaczeń UV na P. latipinna. Obie płcie P. latipinna posiadają oznaczenia UV wzdłuż swoich boków. Ponadto niektóre samce miały oznaczenia UV na płetwach grzbietowych, cechy, które wcześniej uznano za ważne w preferencjach godowych samic7.

Zalecamy stosowanie spektrofotometrii UV jako mechanizmu wykrywania obecności oznaczeń UV. Dalsze badania mogą określić jego rolę w interakcjach społecznych, w tym preferencje godo...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Jesteśmy wdzięczni anonimowym recenzentom za komentarze i sugestie, które znacznie poprawiły ten manuskrypt. Dziękujemy R. Bowesowi, R. Carreno i T. Panhuisowi za pomoc w zebraniu ryb. Dziękujemy również M. Lee za pomoc w badaniach nad preferencjami mężczyzn. Jesteśmy wdzięczni Wydziałowi Zoologii Uniwersytetu Wesleyan w Ohio za pomocne rady i sugestie w trakcie tego badania oraz Uniwersytetowi Stanowemu Arizony (McGraw Lab) za porady dotyczące oprogramowania.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Spektrofotometr, P1000Ocean Opticsdostępne są nowsze modele
Ksenoniowe źródło światła UV DT 1000Dostępne są nowsze modeleOcean Optics
Overture OprogramowanieNowsze oprogramowaniesonda światłowodowa
R200-Angle-UV (fala prowadzona)są nowsze modeleOcean Optics
Certyfikowany standard odbicia, białalabsphere
75,7 L Akwarium, podzielonaEksperymentalna
żarówka budowlana o pełnym spektrumNature's Sunlight
Arkusz blokujący promieniowanie UVArkusz
Ocean Optics Ocean Optics jest dostępne Dwuwidlna Dostępne GAM UV

Bibliografia

  1. Endler, J. A., Zaret, T. M. Natural and sexual selection on color patterns in poeciliid fishes. Evolutionary ecology of neotropical freshwater fishes. , Anonymous Springer Netherlands. 95-111 (1984).
  2. Cummings, M. E., Rosenthal, G. G., Ryan, M. J. A private ultraviolet channel in visual communication. Proc. R. Soc. Lond. [Biol]. 270 (1518), 897-904 (2003).
  3. Siebeck, U. E., Parker, A. N., Sprenger, D., Mäthger, L. M., Wallis, G. A Species of Reef Fish that Uses Ultraviolet Patterns for Covert Face Recognition. Curr. Biol. 20 (5), 407-410 (2010).
  4. Hrbek, T., Seckinger, J., Meyer, A. A phylogenetic and biogeographic perspective on the evolution of poeciliid fishes. Mol. Phylogenet. Evol. 43 (3), 986-998 (2007).
  5. Körner, K. E., Schlupp, I., Plath, M., Loew, E. R. Spectral sensitivity of mollies: comparing surface- and cave-dwelling Atlantic mollies, Poecilia mexicana. J. Fish Biol. 69 (1), 54-65 (2006).
  6. Farr, J. A., Travis, J. Fertility Advertisement by Female Sailfin Mollies, Poecilia latipinna (Pisces: Poeciliidae). Copeia. 1986 (2), 467-472 (1986).
  7. Ptacek, M. B., Travis, J. Mate Choice in the Sailfin Molly, Poecilia latipinna. Evolution. 51 (4), 1217-1231 (1997).
  8. Ptacek, M. Mating signal divergence, sexual selection and species recognition in mollies (Poeciliidae: Poecilia: Mollienesia). Proceedings from the Second International Symposium on Livebearing Fishes. Grier, H. J., Uribe, M. C. , New Life Publications. Homestead, FL. 71-87 (2005).
  9. MacLaren, R. D. The effects of male proximity, apparent size, and absolute size on female preference in the sailfin molly, Poecilia latipinna. Behavior. 143 (12), 1457-1472 (2006).
  10. Palmer, M. S., Hankison, S. J. Use of ultraviolet cues in female mate preference in the sailfin molly, Poecilia latipinna. Acta Ethol. 18 (2), 153-160 (2014).
  11. Wagner, W. E. Measuring female mating preferences. Anim. Behav. 55 (4), 1029-1042 (1998).
  12. Rémy, A., Grégoire, A., Perret, P., Doutrelant, C. Mediating male-male interactions: the role of the UV blue crest coloration in blue tits. Behav. Ecol. Sociobiol. 64 (11), 1839-1847 (2010).
  13. Guillermo-Ferreira, R., Therézio, E. M., Gehlen, M. H., Bispo, P. C., Marletta, A. The Role of Wing Pigmentation, UV and Fluorescence as Signals in a Neotropical Damselfly. J. Insect Behav. 27 (1), 67-80 (2013).
  14. Ord, T. J., Stamps, J. A., Losos, J. B. Convergent evolution in the territorial communication of a classic adaptive radiation: Caribbean Anolis lizards. Anim. Behav. 85 (6), 1415-1426 (2013).
  15. Siebeck, U. E., Witzany, G. Communication in the Ultraviolet: Unravelling the Secret Language of Fish. Biocommunication of Animals. , Anonymous Springer Netherlands. 299-320 (2014).
  16. Modarressie, R., Rick, I. P., Bakker, T. UV matters in shoaling decisions. Proc. Biol. Sci. 273 (1588), 849-854 (2006).
  17. Lim, M. L. M., Li, J., Li, D. Effect of UV-reflecting markings on female mate-choice decisions in Cosmophasis umbratica, a jumping spider from Singapore. Behav. Ecol. 19, 61-66 (2008).
  18. Rick, I. P., Bakker, T. Color signaling in conspicuous red sticklebacks: do ultraviolet signals surpass others? BMC Evol. Biol. 8, 189(2008).
  19. Siebeck, U. E. Communication in coral reef fish: the role of ultraviolet colour patterns in damselfish territorial behaviour. Anim. Behav. 68 (2), 273-282 (2004).
  20. Cummings, M. E., De Leòn, F. J. G., Mollaghan, D. M., Ryan, M. J. Is UV ornamentation an amplifier in swordtails? Zebrafish. 3, 91-100 (2006).
  21. Macìas Garcia, c, de Perera, T. Ultraviolet-based female preferences in a viviparous fish. Behav. Ecol. Sociobiol. 52 (1), 1-6 (2002).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Detekcja odbicia UVkalibracja spektrofotometruznieczulenie ryb MS222dychotomiczny test wyboru partneraeksperyment z filtrowaniem UVanaliza Poecilia latipinnastrefy preferencji partnerao wietlenie pe nospektrowenieprzezroczyste filtry UVocena sygna w spo ecznych

Powiązane artykuły