Summary
Морфологические отношения масштабирования захвата и описать организменном форму. Мы представляем метод измерения морфологических отношений масштабирования через естественный диапазон размеров тела в полностью метаморфических насекомых. Использование простых манипуляций диеты мы увеличиваем распределение черта размеров, что позволяет точное описание того, как форма и размеры совместно меняться.
Abstract
Масштабирования частей тела является главной особенностью морфологии животных 1-7. В течение виды, морфологические признаки должны быть правильно пропорции к телу для организма функции, более крупных особей как правило, имеют большие части тела и меньше лиц, как правило, более мелкие части тела, например, что общая форма тела сохраняется в целом ряде взрослых размеров тела. Требованием для правильной пропорции означает, что люди в рамках вида обычно проявляют низкую изменения относительного размера черта. В отличие от относительного размера черта может значительно варьироваться у разных видов и является основной механизм, посредством которого морфологическое разнообразие получается. За века сравнительной работы создал эти внутри-и межвидовой моделей 3,4.
Возможно, наиболее широко используемый подход для описания этого изменения заключается в расчете масштабирования отношения между размером два морфологических признаков использования аллометрических уравнением у = bxα, где х и у размер две черты, такие, как орган и размеры тела 8 , 9. Это уравнение описывает внутри группы (например, видов, популяций) масштабирование отношения между двумя чертами и как различаются по размеру. Вход-преобразование этого уравнения дает простой линейное уравнение, войдите (у) = журнала (Ь) + αlog (х) и логарифмическом участки размером различные черты между особями одного вида обычно показывают линейное масштабирование с перехвата журнала (б) и наклона α, называемый "коэффициент аллометрических '9,10. Морфологические изменения между группами описывается различия в расширении отношений перехватывает или склоны для данного признака пары. Следовательно, изменение параметров аллометрических уравнения (б и α) элегантно описывает форму изменения отражены в отношениях между органом и размеров тела внутри и между биологическими группами (см. 11,12).
Не все черты масштабироваться линейно друг с другом или с размером тела (например, 13,14) Таким образом, морфологические отношения масштабирования наиболее информативным, когда данные взяты из полного спектра черта размеров. Здесь мы опишем, как простой экспериментальной манипуляции диета может быть использована для производства полного спектра размеров тела у насекомых. Это дает возможность оценки полного отношения масштабирования для любой данной пары признаков, позволяющих полное описание того, как форма covaries по размеру и надежной сравнению масштабирования отношения биологические показатели среди групп. Хотя мы ориентируемся на дрозофиле, наша методика должна быть применима практически к любому полностью метаморфических насекомое.
Protocol
1. Воспитание и манипуляции диету, чтобы производить изменения размера тела и крыла размера
Рациональное и обзор. Выражением масштабирование отношений в конечном счете, зависит от развития регуляторных процессов, которые производят изменения в окончательном органов и размеров тела. Эти процессы лучше всего можно описать с работы на полностью метаморфические (т.е. holometabolous) насекомых, таких как Д. MELANOGASTER, где органы расти как недифференцированное "имагинальных дисков" в GRUB, как личинка 11,15-17. У дрозофилы, окончательный орган и размеры тела регулируются роста в личиночной стадии, личинки расти за счет первого и второго личиночного возраста пока они не достигнут минимальный вес для жизнеспособного eclosion (MVW Е) к началу третьего личиночного возраста 18 лет. Голод до достижения MVW Е предотвращает взрослых eclosion. Тем не менее, личинки, которые голодали в MVW E создания устойчивых взрослых, хотя и в очень малых размеров. Это потому, что уменьшается питание в период развития уменьшает окончательный тела и размеров органа, а не только у мух, но почти во всех животных 19-21. Манипулируя продовольствием после MVW E достигается, но до окукливания происходит, то можно вызвать крайнюю фенотипическая пластичность в размерах тела, что значительно превосходит другие источники вариации (например, индивидуальные генетические вариации).
- Яйца собирают с населения, чтобы быть phenotyped, разделены на лоты по 50 и помещен во флаконах, содержащих 10 мл стандартной пищей летать. Потому что яйцекладки происходит непрерывно, яйца собираются каждые 24 часа в течение трех дней, производя три возрастных когорт.
- Когда старая когорта достигает блуждающих сцене или только начал окукливаются, диеты манипуляции применяется. В этот момент старая когорта далеко за пределы E MVW, молодой когорты очень близок к E MVW, а остальные когорты находится где-то между этими крайностями. Таким образом, удаление пищевых продуктов на этом этапе будет производить очень большие взрослые из старейших когорты, очень маленькие взрослые с молодой когорты и промежуточных размеров взрослых из оставшейся когорты. Для удаления личинок из флаконов, примерно 5 мл 40% раствора сахарозы добавляется ко всем ампул. Чтобы освободить личинки, пища перемешивается в течение 15-20 минут на столе шейкер установлен в промежуточной скорости.
- Плавающие личинки удаляют из раствора сахарозы с тонким (00) кисти, помещены в пробирки, содержащие мокрой плагин хлопка и позволило окукливаются. Кроме того, личинки могут быть размещены на неусваиваемых пищевой добавки, такие как метилцеллюлоза 22.
2. Оценка размеров тела
Рациональное и обзор. Предыдущие исследования показывают, что грудная клетка длиной меньше чем идеал прокси-сервер для общего размера тела 22. Вместо этого мы используем куколки размером как мера размера тела. Максимальный размер тела фиксируется на прекращение кормления, который предшествует окукливания. В результате, существует тесная корреляция между размером куколки и взрослых размеров тела 23.
- Куколки располагаются вентральной стороной вверх на слайдах стекла микроскопа и отображаемого с помощью цифровой камеры прилагается к рассекает микроскопом. Каждое изображение захватывается, присваивается уникальный идентификационный код и передаются на компьютер через живой корм подключения цифровой камеры на компьютер.
- Отображаемого куколки переехали в отдельные 2 мл epitubes содержащих 1 мл летать пищу, помечены уникальный код для этого человека, и с проколотой airholes чтобы газообмен.
- Куколки размером оценивается как количество пикселей куколки силуэт. К другим показателям размер также может быть использован.
3. Черта (крыло) оценки размеров
Рациональное и обзор. Чтобы создать образ, крылья, мы используем «крыло граббер '24, который тянет и держит крыло живем, под наркозом перпендикулярно лететь в его тело. Прессованные между двумя кусками стекла, это позволяет крыло для включения в образ как двумерный объект.
- Мухи анестезируют слегка с CO 2 и помещен в позицию в крыло граббер на вскрытии микроскоп снабжен цифровой камерой, подключенной к компьютеру.
- Крыло изображается и сохраняется под уникальным кодом для этого лица.
- Крыло размер можно оценить, используя минимальный выпуклый многоугольник, что ограничивает предельный фиксированной ориентиры или количеством точек крыла силуэт.
4. Оценка масштабирование отношений
- Данные объединения всей когорты, но разделенных по полу и лог-преобразился.
- Масштабирование отношения подходят к размеру данных с использованием типа II (то есть, Приведенные большой оси) регрессии (см. обзор в 12) и параметров оценивается для каждой группы.
5. Представитель Результаты:
палатке "> Наша диета манипуляции будет производить широкий диапазон размеров тела (рис. 1) и черта размеров (рис. 2). Построение журнал преобразован черты друг против друга свидетельствует об их структуре ковариация в пределах данной биологической группы, и разрешения установки масштабирование отношений в группе (рис. 3). Добыча параметров масштабирования отношения, которые описывают, как форма весы с размером тела позволяет сравнение того, как форма covaries размером в разных группах.
Рисунок 1. Куколка от экстремальных распределения размеров производится с помощью диеты манипуляций после достижения лицами MVW E. Фактические куколки изображения показан слева и соответствующие им силуэты для измерения куколки размером в праве. Шкала бар 1 мм.
Рисунок 2. Крылья взяты из крайности распределения размеров тела производится с помощью диеты манипуляций после достижения лицами MVW E. Фактические изображения крыла показаны на левом и соответствующие им силуэты для измерения размера крыла показано на рисунке справа. Шкала бар 1 мм.
Рисунок 3. Wing-размер тела масштабирование для дрозофилы по полу. Вход для преобразованных данных для физических лиц каждого пола, которые были полностью кормили (темные круги), морили голодом одного (серые кружки) или двух дней (кружки), как личинки. Тип II линии регрессии показана для каждого пола. Между каждой возрастной группе, снижение средней площади крыла ~ 0,1 мм (~ 7%) и ~ 0,2 мм (~ 8%) имеет место, увеличив общий диапазон фенотипов наблюдается. Регрессии показывают, что женщины немного hypoallometric для этого масштабирования отношения (наклон 0,96), тогда как самцы немного hyperallometric (уклон 1,06).
Discussion
Морфологические масштабирования был предметом интенсивных исследований в области эволюционной биологии в течение почти столетия. Совсем недавно уточненным основе регуляции роста и масштабирования приобретает все большее значение в развитии, физиологии и генетики (см., например, обзоры в 12,15,23-25). Наша методика позволяет оценить морфологические отношения масштабирования во всем диапазоне признака и размеров тела. Это может быть важно, как черта размер не может масштабироваться линейно с размером тела (например, 13,14). Тем не менее, это не может быть очевидной, если животные выращиваются только в идеальных условиях лаборатории.
Хотя наш протокол был разработан явно позволяют оценить крыло-фюзеляж размера масштабирования отношения у дрозофилы, он может быть использован с признак-специфических модификации для оценки масштабирования отношения для любых морфологических черт у мух. Кроме того, диета манипуляции вероятнее всего, может быть использована для производства полного спектра признака и размеров тела в других полностью метаморфических насекомых; такие приложения просто требуют, зная, когда E MVW достигается и применением манипуляции в этой точке в онтогенезе.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Исследования, описанные в этом исследовании было поддержано Национальным научным фондом грант (DEB-0805818), чтобы WAF, AWS и ID Это исследование было также поддержано грантами IOS-0845847 с AWS, IOS-0919855 к AWS и ID и IOS-0920720 к 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).
