Summary
יחסים דרוג מורפולוגי ללכוד ולתאר בצורה האורגניזם. אנו מציגים שיטה למדידת יחסים דרוג מורפולוגיים במגוון הטבעי של הגוף גדלים חרקים מותמרים מלא. בעזרת מניפולציה פשוטה דיאטה נגדיל את התפלגות הגדלים תכונה, המתיר תיאור מדויק של כיצד הצורה והגודל שיתוף להשתנות.
Abstract
קנה המידה של חלקי גוף היא תכונה מרכזית של מורפולוגיה חיים 1-7. בתוך מינים, תכונות מורפולוגיות צריך להיות בפרופורציות נכונה לגוף עבור האורגניזם לתפקד; אנשים גדולים יש בדרך כלל חלקי גוף גדולים ואנשים קטנים בדרך כלל יש חלקי גוף קטנים יותר, כגון צורה הגוף הכולל נשמר על פני מגוון של גדלים בגוף הבוגר. הדרישה הפרופורציות הנכונות אומר כי אנשים בדרך כלל בתוך מין וריאציה התערוכה נמוך בגודל תכונה יחסית. לעומת זאת, גודל תכונה יחסית יכולים להשתנות באופן דרמטי בין המינים היא המנגנון העיקרי שבאמצעותו המגוון הצורני הוא מיוצר. במהלך המאה עבודה השוואתי הקימה אלה תוך דפוסי interspecific 3,4.
אולי הגישה הנפוצה ביותר כדי לתאר את זה הוא וריאציה על מנת לחשב את היחס בין גודל דרוג של שני מאפיינים מורפולוגיים באמצעות המשוואה y = allometric bxα, כאשר x ו-y הם בגודל של שתי תכונות, כגון גודל איבר בגוף 8 , 9. משוואה זו מתארת בתוך קבוצה (למשל, מינים, האוכלוסייה) דרוג היחסים בין שתי תכונות כמו שני משתנים בגודלם. התחבר שינוי של המשוואה הזאת מייצרת משוואה ליניארית פשוטה, log (y) = log (b) + αlog (x) ו - log-log מגרשים בגודל של תכונות שונות בין פרטים מאותו מין בדרך כלל לחשוף דרוג ליניארית עם ליירט של יומן (ב) ו מדרון של α, נקרא "מקדם allometric '9,10. וריאציה מורפולוגי בין קבוצות מתואר על ידי ההבדלים ביחס מיירט דרוג מדרונות זוג או תכונה מסוימת. כתוצאה מכך, וריאציה של פרמטרים של המשוואה allometric (ב ו - α) באלגנטיות מתאר את השינוי צורה בשבי הקשר בין גודל איבר בגוף בתוך ובין קבוצות ביולוגיות (ראה 11,12).
לא כל התכונות בקנה מידה ליניארי אחד עם השני או עם גודל הגוף (למשל, 13,14) לפיכך, יחסים דרוג מורפולוגית הם אינפורמטיבי ביותר כאשר הנתונים לקוחים מתוך מגוון רחב של גדלים תכונה. כאן אנו מתארים כיצד מניפולציה פשוטה של הניסוי בתזונה יכול לשמש כדי להפיק את מלוא טווח גודל הגוף חרקים. זה מאפשר הערכה של היחסים דרוג מלא עבור זוג נתון של תכונות, המאפשר תיאור מלא של איך covaries צורה עם גודל השוואה החזקה של יחסים בין קבוצות דרוג פרמטרים ביולוגיים. למרות שאנו מתמקדים תסיסנית, המתודולוגיה שלנו צריכה להיות ישימה לכל חרק מותמרים כמעט במלואה.
Protocol
1. גידול ומניפולציה של דיאטה כדי לייצר וריאציה בגודל הגוף כנף גודל
Rational סקירת. הביטוי של יחסים דרוג בסופו של דבר תלוי תהליכי הרגולציה התפתחותי המייצרים וריאציה באיבר הסופי לגודל הגוף. תהליכים אלה מתוארים הטובה ביותר על חרקים מותמרים מלא (כלומר, holometabolous) כגון ד מהעבודה melanogaster, שם איברים לגדול מובחן כ 'דיסקים דמותי "בתוך grub-כמו זחל 11,15-17. ב תסיסנית, האיבר הסופי לגודל הגוף מוסדרים על ידי צמיחה בשלבי הזחל, זחלים לגדול באמצעות instar הזחל הראשונה והשניה עד שהם מגיעים למשקל קיימא מינימלי eclosion (MVW E) לקראת תחילת השלישי הזחל instar 18. רעב לפני השגת MVW E מונע eclosion מבוגר. עם זאת, זחלים, כי הם מורעבים בבית MVW E לייצר למבוגרים קיימא, אם כי גודל קטן מאוד. זה מצטמצם בגלל תזונה במהלך הפיתוח מקטין הגוף הסופי גודל האיבר, לא רק זבובים, אבל כמעט בכל בעלי החיים 19-21. על ידי מניפולציה זמינות המזון לאחר MVW E מושגת, אבל לפני התגלמות מתרחשת, אפשר להשרות פלסטיות פנוטיפי קיצוניים בגודל הגוף עולה מאד מקורות אחרים של שונות (למשל, וריאציה גנטית בודדים).
- ביצים הן שנאספו מהאוכלוסייה להיות phenotyped, מחולק המון 50 והושמו בקבוקונים המכילים 10 מ"ל של אוכל לטוס סטנדרטי. בגלל ההטלה מתרחשת ברציפות, ביצים נאספים מדי 24 שעות במשך שלושה ימים, ייצור three קבוצות הגיל.
- כאשר הדור הוותיק מגיע שלב הנדודים או החלה רק כדי pupate, מניפולציה דיאטה מוחל. בשלב זה, המחזור הגדול הוא הרבה מעבר E MVW, את הדור הצעיר קרוב מאוד E MVW ואת עוקבה שנותר הוא איפשהו בין הקצוות האלה. לכן, הסרת מזון בשלב זה תייצר מבוגרים גדול מאוד מן הדור הוותיק, מבוגרים קטן מאוד מן הדור הצעיר בגודל בינוני מבוגרים מקבוצה הנותר. כדי להסיר את הזחלים מן בקבוקונים, 5 מ"ל של תמיסת סוכרוז כ 40% מתווסף כל צלוחיות. כדי לשחרר את הזחלים, האוכל הוא נסער במשך 15-20 דקות על שולחן שייקר להגדיר מהירות ביניים.
- הזחלים הצף יוסרו מן הפתרון סוכרוז עם מכחול (00) בסדר, להציב לתוך צלוחיות המכיל תוסף גפן רטוב מותר pupate. לחלופין, זחלים יכול להיות ממוקם על תוסף הלא לעיכול מזון כגון מתיל צלולוזה 22.
2. הערכת גודל הגוף
Rational סקירת. מחקרים קודמים מצביעים על כך בהרחבה בית החזה הוא פחות אידיאלי עבור proxy גודל הגוף הכולל 22. במקום זאת, אנו משתמשים בגודל גלמי כמדד לגודל הגוף. גודל מקסימלי גוף קבוע בכל הפסקת האכלה שקודם התגלמות. כתוצאה מכך, קיים קשר הדוק בין גודל גלמי הגוף המבוגר גודל 23.
- גלמים מסודרים בצד הגחון על שקופיות מיקרוסקופ זכוכית הדמיה בעזרת המצלמה הדיגיטלית מחוברת למיקרוסקופ לנתח. כל תמונה היא בשבי, מוקצה קוד זיהוי ייחודי מועבר למחשב באמצעות שידור חי חיבור המצלמה הדיגיטלית למחשב.
- גלמים צילמו מועברים 2 epitubes הפרט מ"ל המכיל 1ml של אוכל לעוף, שכותרתו עם קוד ייחודי עבור הפרט הזה, ניקב עם airholes כדי לאפשר חילוף הגזים.
- גודל גלמי מוערך כמספר הפיקסלים של צללית גלמי. מדדי גודל אחרים יכול לשמש גם.
3. (כנף) תכונה גודל אמידה
Rational סקירת. כדי כנפיים תמונה, אנו משתמשים "כנף חוטף" 24, אשר מושך ומחזיק את הכנף של הניצב, לחיות לטוס הרדים לגוף שלה. לחוץ בין שתי חתיכות זכוכית, זה מאפשר את האגף להיות צילמו כאובייקט דו מימדי.
- זבובים מורדמים קלות עם ה-CO 2 ו להציב עמדה חוטף את הכנף על מיקרוסקופ לנתח מצויד במצלמה דיגיטלית המחוברת למחשב.
- כנף היא הדמיה ונשמר תחת קוד ייחודי עבור הפרט הזה.
- גודל כנף ניתן לאמוד באמצעות מצולע קמור המינימום ציוני דרך לעקוף קבוע שולית או לספור את פיקסל צללית של האגף.
4. היחסים קנה מידה להערכת
- הם אספו נתונים על פני הקבוצות אבל מופרדים לפי מין יומן שינה.
- יחסים דרוג מתאימים לנתונים באמצעות Type II בגודל (כלומר, ציר מרכזי מופחתת) רגרסיה (ראה סקירה ב 12) ואת הפרמטרים המשוער עבור כל קבוצה.
5. נציג תוצאות:
אוהל "> מניפולציה הדיאטה שלנו יהיה לייצר מגוון רחב של מידות הגוף (איור 1) וגדלים תכונה (איור 2). שרטוט התכונות יומן שינה אחד נגד השני מגלה דפוס שלהם covariation בתוך קבוצה ביולוגי נתון היתרי הולם את מערכת היחסים דרוג לקבוצה (איור 3). מיצוי של הפרמטרים יחסים דרוג המתארים כיצד קשקשים צורה עם גודל הגוף מאפשר השוואה בין כמה covaries צורה עם גודל בקבוצות.
באיור 1. פופה מן הקצוות של התפלגות גודל המיוצר באמצעות מניפולציה דיאטה אחרי אנשים להשיג את ה MVW. תמונות גלמי בפועל מוצגים בצד שמאל עם צלליות המתאימים למדידת גודל גלמי בצד ימין. בר סולם הוא 1mm.
כנפיים באיור 2. שנלקחו הקצוות של התפלגות גודל הגוף המיוצר באמצעות מניפולציה דיאטה אחרי אנשים להשיג את ה MVW. תמונות האגף בפועל מוצגים בצד שמאל עם צלליות המתאימים למדידת גודל כנף המוצג בצד ימין. בר סולם הוא 1mm.
איור 3. כנף גוף דרוג גודל תסיסנית melanogaster לפי מין. נתונים Log-הפכו ליחידים של כל מין שהיו לגמרי שניזונו (עיגולים כהים), מורעבים אחד (עיגולים אפורים) או יומיים (עיגולים פתוח) כמו זחלים. סוג II קו רגרסיה מוצג בכל מין בנפרד. בין עוקבה כל גיל, ירידות באזור הכנף הממוצע של ~ 0.1mm (~ 7%) ו ~ 0.2mm (~ 8%) מתרחש, הגדלת מגוון הכולל של פנוטיפים ציין. רגרסיה עולה כי הנקבות הן hypoallometric מעט עבור הקשר הזה דרוג (שיפוע 0.96) ואילו הזכרים הם hyperallometric מעט (מדרון 1.06).
Discussion
דרוג מורפולוגי כבר את הנושא של לימוד אינטנסיבי בביולוגיה אבולוציונית במשך קרוב למאה שנה. לאחרונה, בסיס סמוך של התקנה של צמיחה דרוג הפך חשוב יותר ויותר בפיתוח, פיזיולוגיה וגנטיקה (למשל, לראות ביקורות על 12,15,23-25). המתודולוגיה שלנו מאפשר אמידה של יחסים דרוג מורפולוגית פני טווח שלם של תכונה וגדלים הגוף. זה יכול להיות חשוב, כמו גודל תכונה אולי לא בקנה מידה ליניארי עם גודל הגוף (למשל, 13,14). עם זאת, זה לא יכול להיות ברור אם בעלי חיים שגדלו רק בתנאי מעבדה אידיאלית.
אף על פי פרוטוקול שלנו פותחה במפורש כדי לאפשר הערכה של הקשר כנף גוף בגודל דרוג ב תסיסנית, ניתן להשתמש בו עם שינוי, תכונה מסוימת כדי לאמוד את הקשר דרוג עבור כל תכונה מורפולוגיים זבובים. כמו כן, דיאטה יכולה מניפולציה סביר לשמש כדי להפיק את מלוא טווח הגדלים תכונה גוף אחרים חרקים מותמרים מלא; יישומים כאלה פשוט דורשות לדעת מתי E MVW מושגת וליישם את המניפולציה בנקודת ontogeny.
Disclosures
אין ניגודי אינטרסים הכריז.
Acknowledgments
המחקר המתואר במחקר זה נתמך על ידי מענק קרן המדע הלאומית (DEB-0805818) כדי WAF, AWS ומזהה מחקר זה נתמך גם על ידי מענקים IOS-0845847 אל AWS, IOS-0919855 אל AWS לבין הזהות IOS-0920720 ל 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).
