Hodowla pąkli w Morskim Laboratorium Badawczym Tjärnö (Szwecja) trwa od ponad 20 lat i jest wykorzystywana do badań w wielu różnych obszarach badawczych. W ciągu ostatnich lat opublikowano ponad 30 prac naukowych, w których wykorzystano system hodowli, w tym badania nad przeciwporostowością13,22, hydrodynamiką23, ekologią chemiczną24, zmianami klimatu16, biologią ewolucyjną5 i biologią molekularną2.
Aby uniknąć selekcji niektórych osobników, które są bardziej przystosowane do środowiska laboratoryjnego (osobniki, które mogą nie być reprezentatywne dla dzikiej populacji), zaleca się coroczne zbieranie nowego stada lęgowego z pola. Ponadto dobrą praktyką jest również coroczne odmładzanie kultury, ponieważ w ciągu normalnego roku śmiertelność u dorosłych wynosi około 50-80%. Jednakże, jeżeli celem jest wytworzenie linii wsobnych lub rozpoczęcie badań nad ewolucją doświadczalną, należy wykorzystać tylko rodziny hodowane w laboratorium.
Dobrym momentem na zbieranie B. improvisus na panelach w Morskim Laboratorium Badawczym Tjärnö jest czerwiec-sierpień, ponieważ w tym czasie w morzu znajduje się duża ilość larw karpiowatych. Sprawdzaj panele co tydzień, aby zobaczyć, kiedy zaczyna się osadzanie pąkli i ręcznie usuwaj inne osiadłe gatunki niż B. improvisus (np. małże, osłonice, mszywioły, hydroidy, nemerteany/rureczki i inne gatunki pąkli) z paneli (np. za pomocą szczoteczki do zębów). Wokół Tjärnö występują trzy płytkowodne gatunki pąkli (B. improvisus, Semibalanus balanoides i Balanus crenatus). Jednak B. improvisus jest dominującym zanieczyszczeniem gładkich, twardych powierzchni w okresie od lipca do sierpnia. S. balanoides ma swój okres osiadania wczesną wiosną i preferuje głównie naturalne podłoża (np. kamienie). B. crenatus może występować w niskich ilościach na panelach w okresie letnim.
Możliwe jest również rozpoczęcie nowych dorosłych pokoleń pąkli z hodowlanych karpiowatych, co byłoby niezbędne, gdyby ustanowiono pewne linie o określonych cechach lub w badaniach nad ewolucją eksperymentalną. Najwygodniejszym sposobem na rozpoczęcie nowych pokoleń dorosłych jest osadzenie cyprydów na panelach termoplastycznych w laboratorium. Panele te z nowo osiadłymi karpiowatymi mogą być również wykorzystywane w zabiegach eksperymentalnych lub do ekspozycji w terenie. W nagłych przypadkach można również użyć dorosłych osobników na głazach z pobliskiego stanowiska (np. Idefjorden w przypadku Laboratorium Badań Morskich Tjärnö), gdzie B. improvisus jest powszechny. Te już zadomowione dorosłe osobniki są traktowane w taki sam sposób, jak dorosłe osobniki na panelach, w ten sposób umieszczane są na tacach i karmione za pomocą systemu przepływowego. Komory przepływowe mogą być również używane do zakładania paneli z pąklami25. Są to komory przepływowe z siatką planktonową po bokach, na których nie osiadają karpiowate, z panelami jako jedyną powierzchnią osiadania dla larw.
Istnieje kilka kroków, które mają kluczowe znaczenie dla stworzenia długotrwałej, funkcjonującej hodowli pąkli, obejmujących wszystkie etapy życia. Metody stosowane do hodowli B. improvisus są prawdopodobnie w dużym stopniu stosowane również do innych bezkręgowców morskich z swobodnie pływającymi, planktotroficznymi larwami. Procedury hodowli w przypadku niektórych gatunków są już dobrze opisane (np. w przypadku omułków jadalnych i różnych gatunków ostryg)26, podczas gdy w przypadku innych bezkręgowców morskich istnieje zaledwie kilka przykładów długoterminowych kultur obejmujących cały ich cykl życia. Jedna z pierwszych udanych prób hodowli pąkli (B. amphitrite) została przeprowadzona przez Rittschof i wsp.15. Przed rozważeniem założenia zakładu hodowli pąkli należy dysponować długoterminowymi zasobami finansowymi i osobistymi. Utrzymanie tego rodzaju całorocznej hodowli pąkli wymaga co najmniej jednej osoby pracującej na pół etatu. W przyszłości może istnieć pewien potencjał dla automatyzacji niektórych etapów linii produkcyjnej, głównie hodowli mikroalg27. Ponadto, aby odnieść sukces, niezbędny jest dostęp do dużych ilości wysokiej jakości wody morskiej. Hodowla mikroalg, artemii i pąkli nie wiąże się z żadnymi szczególnymi procedurami bezpieczeństwa. Jednak testy niektórych substancji przeciwporostowych lub toksycznych chemikaliów mogą wymagać specjalnych środków ostrożności.
Panele były sprawdzane kilka razy w tygodniu pod kątem zanieczyszczeń. Woda morska użyta w hodowli została wypompowana z głębokości 40 m w fiordzie Koster przed Morskim Laboratorium Badawczym Tjärnö i została przepuszczona przez dwa filtry piaskowe przed wejściem do laboratoryjnego systemu wodnego. Gdyby nie przeprowadzono filtrowania wody, w kulturze byłoby znacznie więcej zanieczyszczeń. Niezbędne jest regularne czyszczenie paneli w kulturze z detrytusu i innych bezkręgowców (np. hydroidów tworzących rozłogi i drapieżnych nemerteanów), które dostają się do systemu poprzez dostarczanie wody morskiej z pola. Na przykład, jeśli nie są produkowane żadne larwy, mimo że kultura została dobrze odżywiona i poza tym wydaje się być w dobrym stanie, problemem może być obecność nemerteanów, które wydają się hamować krycie. Naturalnie, wiele organizmów zanieczyszczających w kulturze w Laboratorium Badań Morskich Tjärnö było specyficznych dla zachodniego wybrzeża Szwecji, a inne rodzaje organizmów skażających będą powszechne i będą stanowić większe wyzwanie w innych obszarach geograficznych. Na zachodnim wybrzeżu Szwecji rzadko można znaleźć na panelach zanieczyszczenie innymi gatunkami pąkli. Od czasu do czasu stwierdza się pojawienie się S. balanoides , ale jest to problem marginalny (co najwyżej jedno zanieczyszczenie S. balanoides na 10 000 próbek B. improvisus ). Brak gatunków zarażających był najprawdopodobniej uzależniony od reżimu zakładającego nowe kultury w okresie letnim, kiedy larwy B. improvisus były silnie dominujące. Ponadto stwierdzono również wyraźne wzbogacenie B. improvisus na panelach, ponieważ gatunek ten jest selektywny dla gładkich powierzchni13.
Konieczne jest usunięcie martwych dorosłych pąkli. Jeśli puste muszle zostaną pozostawione na panelach, mogą stać się schronieniem zarówno dla nauplii artemii , jak i dla różnych gatunków zanieczyszczających. Ponadto zauważono, że martwe osobniki wpływają na samopoczucie sąsiednich osobników, prawdopodobnie poprzez uwalnianie toksycznych związków podczas rozkładu. Dodatkową konsekwencją śmiertelności dorosłych osobników jest to, że niektóre osobniki zostaną pozostawione same i zbyt daleko od innych dorosłych, aby umożliwić krycie (nawet jeśli pąkle mają najdłuższego penisa w świecie zwierząt w stosunku do jego rozmiaru)28. Osobniki te przeżyją, ale są nieproduktywne dla larw. Jednak te samotne dorosłe osobniki można delikatnie usunąć bez uszkadzania płytki podstawy i umieścić poziomo blisko innych, aby umożliwić krycie. Pąkle można również kryć, umieszczając panele z jednym dorosłym osobnikiem na każdym, ale na tyle blisko, aby mogło dojść do zapłodnienia krzyżowego. W ten sposób można wytworzyć linie genetyczne14.
Bardzo ważne jest, aby produkować paszę o wysokiej jakości i karmić kultury prawie codziennie. Nawet kilka dni bez jedzenia może skutkować zmniejszeniem uwalniania larw. Wcześniejsze badania składu diety wykazały, że okrzemki są niezbędne do wzrostu i przetrwania naupliusów pąkli. Kilka gatunków okrzemek wydaje się być odpowiednich jako pokarm, chociaż małe lub pojedyncze komórki (o średnicy mniejszej niż 10 μm) mogą być niezbędne do spożycia nauplii. Gatunki S. marinoi, C. simplex i T. pseudonana okazały się odpowiednią paszą dla nauplii B. improvisus , a także łatwe w uprawie. Ponadto jakość paszy jest na ogół wyższa w przypadku glonów rosnących wykładniczo. Doniesiono również, że okrzemki są niezbędne do tworzenia produktywnych kultur B. amphitrite15. Teoria dotycząca znaczenia okrzemek mówi, że mają one unikalny profil kwasów tłuszczowych i są szczególnie bogate w wysoce wielonienasycony kwas tłuszczowy 20:529. Wykazano, że niektóre kwasy tłuszczowe są ważne dla pomyślnego rozwoju larw ostryg30.
Z biegiem lat nie odnotowano przypadków szkodliwych chorób w kulturze pąkli. W wielu komercyjnych akwakulturach bezkręgowców, takich jak ostrygi i małże, choroby są dość powszechne i mogą być bardzo szkodliwe. Odnotowano również szkodliwe działanie wirusów w dzikich populacjach. Rodzima ostryga we Francji została zastąpiona przez portugalską ostrygę Crassostrea angulata w 1925 roku, ale gatunek ten został zniszczony przez irydowirusa około 1970 roku31. Ostatnio doszło do masowej śmiertelności ostryg pacyficznych Crassostrea gigas w kulturach na całym świecie, co wydaje się być związane z herpeswirusem opryszczki ostreidów 132. Do tej pory nie opublikowano żadnych doniesień na temat patogenów, bakterii lub wirusów na pąklach. Jednak w trwającym projekcie genomowym dotyczącym B. improvisus znaleziono sekwencje wirusa (Alm Rosenblad i wsp., dane niepublikowane), ale bez widocznego związku z objawami choroby. Mieszaniny antybiotyków były wcześniej stosowane w kulturach, aby zminimalizować ryzyko infekcji bakteryjnych; Jednak ta procedura jest obecnie zaniechana i jak dotąd nie spowodowało to żadnych problemów z zanieczyszczeniem.
Jeśli woda morska jest podgrzewana (jak opisano powyżej), przegrzanie może być najpoważniejszym ryzykiem na linii produkcyjnej kultur. Jest to oczywiście trudne do zabezpieczenia przed przegrzaniem, chociaż można zastosować czujniki i odpowiednie systemy alarmowe (np. wysyłanie wiadomości e-mail lub SMS do osób odpowiedzialnych). Tego rodzaju incydenty w przeszłości skutkowały w kulturze znacznymi zabójstwami dorosłych. Może to oczywiście być druzgocące i zrujnować długoterminowe inwestycje czasu i pieniędzy. W szczególności byłoby to katastrofalne, gdyby ustanowiono wsobne linie genetyczne. Aby zapewnić długowieczność takich linii i zabezpieczyć je przed przypadkową utratą, pożądane byłoby opracowanie metodologii kriokonserwacji pąkli. Doniesiono, że larwy ostryg pacyficznych mogą zostać zamrożone i ożywione z częściowym sukcesem33. Kriobankowość jest również cennym narzędziem służącym ochronie zasobów genetycznych wielu gatunków34. Nawet nauplia z B. amphitrite przetrwały zamrożenie35 i stwierdzono, że 20% zamrożonych osobników z powodzeniem przekształciło się w karpiowate36. Do tej pory nie przyjęto jednak stosowania zamrożenia w celu zapewnienia długoterminowej trwałości upraw, ale byłoby to rzeczywiście konieczne w celu utrzymania wybranych linii; Byłby to niezbędny krok do ugruntowania pozycji B. improvisus jako potężnego systemu modeli morskich.
W tym miejscu przedstawiono protokół preparacji różnych tkanek od dorosłych osobników B. improvisus (tj. cirri, soma i mantel). Należy jednak podkreślić, że można również pobrać inne tkanki. Na przykład tkanka miękka między zewnętrznym a wewnętrznym płaszczem gatunku błoniastej Tetraclita japonica formosana została starannie wyizolowana i wykorzystana do ekstrakcji RNA i analizy sekwencyjnej RNAekspresji genów 37. Opisany tutaj zoptymalizowany protokół ekstrakcji zapewnia wystarczające ilości wysokiej jakości RNA do sekwencjonowania z minimalnej ilości materiału wyjściowego. Po pierwsze, zbieranie pojedynczych larw bezpośrednio do probówek homogenizacyjnych minimalizuje wszelkie straty podczas przenoszenia z jednej probówki do drugiej. Ponadto, spośród różnych testowanych metod, homogenizacja za pomocą kulek ceramicznych okazała się najbardziej efektywna pod względem wydajności i integralności RNA w porównaniu z sonikacją lub homogenizacją tłuczkową. Planując eksperymenty z ekspresją genów lub genomiką, należy pamiętać o wyzwaniu, jakim jest wysoka zmienność genetyczna pąkli, przynajmniej w przypadku B. improvisus. Barnacle ma różnorodność genetyczną w zakresie 3–5%, nawet w regionach kodujących (Alm Rosenblad i wsp., dane niepublikowane). To oczywiście stawia szczególne wymagania dotyczące projektowania starterów do analizy qPCR, w której należy zidentyfikować bardziej konserwatywne regiony i wykorzystać je jako szablony dla starterów w celu uzyskania spójnych wyników ekspresji między partiami. Konserwatywne regiony dla genów docelowych, takich jak akwaporyny i ATPazy Na+/K+, można zidentyfikować, badając zmienność sekwencji tych genów w danych sekwencyjnych RNA uzyskanych z populacji karpiowatych zawierających setki osobników. Do analizy genomu zostanie pobrana próbka DNA. Jednak uzyskanie wysokiej jakości DNA od B. improvisus może być wyzwaniem21.
Podsumowując, uznana kultura pąkli okazała się pomocna w różnego rodzaju badaniach eksperymentalnych. W szczególności całoroczna produkcja larw pozwala nam na prowadzenie eksperymentów bez ograniczania się do naturalnie występującego okresu tarła (w przypadku B. improvisus jest to okres letni). Uzyskane larwy można wykorzystać do przeprowadzenia szerokiego zestawu badań eksperymentalnych, w tym testów osadniczych, testów behawioralnych, badań ekspresji określonych genów, a także badań transkryptomu całego genomu.