Summary
Morfologiska skalning relationer fånga och beskriva organismbiologi form. Vi presenterar en metod för att mäta morfologiska skalning förbindelser över naturliga utbredningsområde kroppen storlekar i helt metamorfa insekter. Med en enkel diet manipulation vi öka distributionen av drag storlekar, tillåter utförlig beskrivning av hur form och storlek samvarierar.
Abstract
Skalningen av kroppsdelar är en central del av animaliskt morfologi 1-7. Inom arter, morfologiska egenskaper måste vara korrekt proportion till kroppen för att organismen ska fungera, större individer har normalt större kroppsdelar och mindre individer i allmänhet har mindre kroppsdelar, är sådan att den totala kroppsform upprätthålls inom en rad vuxen kropp storlekar. Kravet på rätt proportioner innebär att individer inom arter vanligtvis uppvisar låg variation i relativ egenskap storlek. Däremot kan relativa drag storlek varierar kraftigt mellan arter och är en primär mekanism genom vilken morfologisk mångfald produceras. Över ett århundrade av jämförande arbete har upprättat dessa intra-och mellan arter mönster 3,4.
Kanske den mest använda metoden för att beskriva denna variation är att beräkna skalning förhållandet mellan storleken på två morfologiska drag med allometric ekvationen y = bxα, där x och y är storleken på de två egenskaper, såsom orgel och kroppsstorlek 8 , 9. Denna ekvation beskriver inom-gruppen (t.ex. arter, befolkning) skalning relation mellan två egenskaper som både varierar i storlek. Logga omvandling av denna ekvation ger en enkel linjär ekvation, log (y) = log (b) + αlog (x) och log-log diagram av storleken på olika egenskaper hos individer av samma art avslöjar vanligtvis linjär skalning med ett intercept av log (b) och en lutning α, kallad "allometric koefficienten" 9,10. Morfologisk variation mellan grupper beskrivs av skillnader i snappar skalning förhållande eller backar för en viss egenskap par. Följaktligen beskriver variationen i parametrar allometric ekvationen (b och α) elegant form variation fångas i relationen mellan orgel och kroppsstorlek inom och mellan biologiska grupper (se 11,12).
Inte alla egenskaper skala linjärt med varandra eller med kroppsstorleken (t.ex. 13,14) Därför morfologiska skalning relationer är mest informativa när data tas från hela skalan av drag storlekar. Här beskriver vi hur enkelt experimentell manipulation av kosten kan användas för att tillverka hela utbudet av kroppsstorlek hos insekter. Detta möjliggör en uppskattning av hela skalning relation för givna egenskaper, vilket gör att en fullständig beskrivning av hur formen samvarierar med storlek och en robust jämförelse av parametrar för skalning relationer mellan biologiska grupper. Även om vi fokuserar på Drosophila bör vår metodik tillämpas på nästan alla helt metamorfa insekt.
Protocol
1. Uppfödning och manipulering av kost för att producera variation i kroppsstorlek och vinge storlek
Rationella och översikt. Uttrycket att trappa relationer slutändan hänger på utvecklingsstadiet reglerande processer som ger variation i sista orgel och kroppsstorlek. Dessa processer beskrivs bäst från arbetet på fullt metamorfa (dvs holometabolous) insekter som D. melanogaster, där organen växer som odifferentierad "imaginal skivor" i grub-liknande larv 11,15-17. I Drosophila, är slutgiltiga orgel och kroppsstorlek regleras av tillväxt under larvstadier, larver växa genom första och andra larver INSTAR tills de når en minimal livskraftig vikt för eclosion (MVW E) mot början av den tredje larver INSTAR 18. Svält före uppnåendet av MVW E förhindrar vuxna eclosion. Men larver som är utsvultna på MVW E generera lönsamma vuxna, om än i mycket liten storlek. Detta beror på minskad kost under utveckling minskar sista kroppen och organen storlek, inte bara i flugor men i nästan alla djur 19-21. Genom att manipulera mat tillgänglighet efter MVW E uppnås, men innan pupation inträffar, är det möjligt att framkalla extrema fenotypisk plasticitet i kroppsstorlek som kraftigt uppväger andra källor till variation (t.ex. individuell genetisk variation).
- Ägg samlas in från befolkningen att vara phenotyped, delas upp i massor av 50 och placeras i injektionsflaskor som innehåller 10 ml av standard flyga mat. Eftersom äggläggning sker kontinuerligt, är ägg som samlats varje 24h i tre dagar, som producerar tre åldersgrupper.
- När den äldsta kohorten uppnår den vandrande scenen eller har precis börjat förpuppning, är kosten manipulation tillämpas. Vid denna punkt, är den äldsta kohorten långt utanför MVW E, är nära den yngsta kohorten mycket till MVW E och resterande kohorten är någonstans mellan dessa ytterligheter. Således kommer borttagning av mat på den här punkten producerar mycket stora vuxna från den äldsta kohorten, mycket små vuxna från de yngsta kohorten och mellanliggande stora vuxna från de återstående kohorten. För att ta bort larverna från flaskorna, cirka 5 ml 40% sackaroslösning tillkommer på alla flaskor. För att frigöra larverna, maten är upprörd för 15-20 minuter på ett skakbord satt till en mellanliggande hastighet.
- Flytande larver tas bort från sackaroslösning med en fin (00) pensel, placeras i injektionsflaskor innehållande en våt bomull kontakt och får möjlighet att förpuppas. Alternativt kan larver placeras på en icke-lättsmält livsmedelstillsats som metylcellulosa 22.
2. Skattning av kroppsstorlek
Rationell och översikt. Tidigare studier visar att thorax längd är en mindre än idealisk proxy för övergripande kroppsstorlek 22. Istället använder vi PUPP-storlek som ett mått på kroppsstorlek. Maximal kroppsstorlek är fastställd till upphörandet av utfodring som föregår pupation. Som ett resultat finns det en tät samband mellan PUPP-storlek och vuxna kroppsstorlek 23.
- Puppor ordnas ventralsidan upp på objektglas glas mikroskop och avbildas med en digitalkamera ansluten till en dissekera mikroskop. Varje bild har tagits, tilldelas en unik identifieringskod och överförs till en dator via en live-feed ansluter digitalkameran till datorn.
- Avbildade puppor flyttas till enskilda 2 ml epitubes innehåller 1 ml flyga mat, märkt med den unika koden för att enskilda och punkteras med lufthålen för att möjliggöra gasväxling.
- PUPP-storlek beräknas som antalet pixlar i PUPP-silhuetten. Andra stora mått kan också användas.
3. Trait (vinge) storlek uppskattning
Rationell och översikt. För att bilden vingar, använder vi en "vinge grabber" 24, som drar och håller vingen av ett levande, sövda flyga vinkelrätt mot kroppen. Pressas mellan två glasskivor, detta gör att vingen som avbildas som ett tvådimensionellt objekt.
- Flugor bedövas lätt med CO 2 och sättas på plats i flygeln grabber på en dissekera mikroskop utrustat med en digitalkamera som är ansluten till en dator.
- Vingen avbildas och sparas under den unika koden för den enskilde.
- Wing storlek kan uppskattas med den minsta konvexa polygon som circumscribes marginell fasta landmärken eller som antal pixlar av vingen silhuett.
4. Skalning relation uppskattning
- Data från flera kohorter men separerade av kön och log-transformerade.
- Skalning relationer passar till storleken data med hjälp av Typ II (dvs Minskad huvudaxeln) regression (se recension i 12) och de parametrar beräknas för varje grupp.
5. Representativa resultat:
tält "> Vår kost manipulation kommer att producera ett brett utbud av kroppens storlek (figur 1) och storlekar drag (Figur 2). Plotta stocken förvandlades drag mot varandra avslöjar deras mönster av samvariation inom en viss biologisk grupp och tillåter montering av skalning relationen till gruppen (Figur 3). Extraktion av parametrar skalning relation som beskriver hur formar skalor med kroppsstorlek medger jämförelse av hur formen samvarierar med storlek mellan grupperna.
Figur 1. Pupa från extrema storleksfördelning produceras via kosten manipulation efter individer uppnå MVW E. Faktiska PUPP-bilder som visas till vänster med motsvarande silhuetter för mätning av PUPP-storlek till höger. Skala bar är 1mm.
Figur 2. Wings tas från extrema kroppen storleksfördelning produceras via kosten manipulation efter individer uppnå MVW E. Faktiska vinge bilder visas till vänster med motsvarande silhuetter för mätning av vingen storlek visas till höger. Skala bar är 1mm.
Figur 3. Wing-kroppsstorlek skalning för Drosophila melanogaster efter kön. Log-transformerade data för individer av varje kön som var helt matad (mörka ringar), svalt en (grå cirklar) eller två dagar (öppna cirklar) som larver. Typ II regressionslinje visas för varje kön. Mellan varje årskull, minskar i genomsnitt vingyta på ~ 0.1mm (~ 7%) och ~ 0,2 mm (~ 8%) inträffar, ökar det totala utbudet av observerade fenotyper. De regressioner visar att kvinnor är något hypoallometric för skalning förhållande (lutning 0,96) medan män är något hyperallometric (lutningen 1,06).
Discussion
Morfologiska skalning har varit föremål för intensiva studier i evolutionsbiologi i nästan ett århundrade. På senare tid har den omedelbara grunden för reglering av tillväxt och skalning blivit allt viktigare i utvecklingen, fysiologi och genetik (t.ex. se recensioner i 12,15,23-25). Vår metodik möjliggör uppskattning av morfologiska skalning relationer över hela utbudet av drag och storlekar kropp. Detta kan vara viktigt, eftersom egenskap storlek inte kan skala linjärt med kroppsstorleken (t.ex. 13,14). Detta kan dock inte vara uppenbara om djuren föds upp endast under idealiska lab förhållanden.
Även om vårt protokoll som utvecklades uttryckligen medge uppskattning av vingen-kroppsstorlek skalning relation i Drosophila, kan den användas med drag-specifika ändringar att uppskatta skalning relation för alla morfologiska drag hos flugor. Likaså kan kosten manipulation sannolikt användas för att producera hela utbudet av drag och kropp storlekar i andra fullständigt metamorfa insekter, sådana ansökningar helt enkelt kräva att veta när MVW E uppnås och tillämpar hantering i den punkten i ontogeni.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Den forskning som beskrivs i denna studie stöddes av en National Science Foundation (DEB-0.805.818) för att WAF, Denna studie AWS och ID stöddes också av bidrag IOS-0.845.847 till AWS, IOS-0.919.855 till AWS och ID och IOS-0.920.720 till 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).
