Summary
Morfologische scaling relaties vast te leggen en te beschrijven organismale vorm. We presenteren een methode om morfologische scaling relaties te meten over het natuurlijke verspreidingsgebied van het lichaam maten in volledig metamorfe insecten. Met behulp van een eenvoudig dieet manipulatie verhogen we de verdeling van de eigenschap maten, waardoor de nauwkeurige beschrijving van hoe vorm en grootte co-variëren.
Abstract
De schaling van lichaamsdelen is een centraal kenmerk van dierenmorfologie 1-7. Binnen soorten, morfologische kenmerken moeten goed geproportioneerd zijn, teneinde het lichaam voor het organisme te laten functioneren; grotere exemplaren hebben meestal een grotere delen van het lichaam en kleine individuen hebben over het algemeen kleinere lichaamsdelen, is zodanig dat de totale vorm van het lichaam behouden over een reeks van volwassen lichaam maten. De eis voor de juiste verhoudingen betekent dat individuen binnen een soort meestal weinig variatie vertonen in de relatieve eigenschap grootte. In tegenstelling, kan de relatieve eigenschap omvang sterk variëren van soort tot soort en is een primaire mechanisme waarmee morfologische diversiteit wordt geproduceerd. Meer dan een eeuw van vergelijkende werk heeft deze intra-en interspecifieke patronen 3,4.
Misschien wel de meest gebruikte benadering van deze variatie te beschrijven is het berekenen van de schaal relatie tussen de grootte van twee morfologische kenmerken met behulp van de allometrische vergelijking y = bxα, waarbij x en y zijn de grootte van de twee eigenschappen, zoals orgaan-en lichaamsgrootte 8 , 9. Deze vergelijking beschrijft de binnen-groep (bijvoorbeeld, soort, populatie) scaling relatie tussen twee kenmerken als zowel variëren in grootte. Log-transformatie van deze vergelijking levert een eenvoudige lineaire vergelijking, log (y) = log (b) + αlog (x) en log-log plots van de grootte van de verschillende eigenschappen tussen individuen van dezelfde soort normaal gesproken openbaren lineair schalen met een intercept van log (b) en een helling van α, genaamd de 'allometrische coëfficiënt "9,10. Morfologische variatie tussen groepen wordt beschreven door verschillen in de schalen relatie onderschept of hellingen voor een bepaalde eigenschap paar. Bijgevolg, variatie in de parameters van de allometrische vergelijking (b en α) beschrijft elegant de vorm variatie gevangen in de relatie tussen orgel en lichaamsgrootte binnen en tussen biologische groepen (zie 11,12).
Niet alle eigenschappen lineair schaal met elkaar of met het lichaam van grootte (bijv. 13,14) Dus, morfologische scaling relaties zijn het meest informatieve wanneer de gegevens zijn ontleend aan het volledige scala van trait maten. Hier beschrijven we hoe simpel experimentele manipulatie van voeding kan worden gebruikt om het volledige scala van lichaamsgrootte produceren in insecten. Dit maakt een schatting van de volledige schaal relatie voor ieder paar van eigenschappen, waardoor een volledige beschrijving van hoe de vorm covaries met de grootte en een robuust vergelijking van de schalen relatie parameters tussen biologische groepen. Hoewel we ons richten op Drosophila, moeten onze methodologie van toepassing zijn op bijna elke volledig metamorfe insect.
Protocol
1. Opvoeding en manipulatie van voeding voor variatie te produceren in het lichaam van grootte en de vleugel grootte
Rationeel en overzicht. De expressie van schaalvergroting relaties uiteindelijk draait om de ontwikkelingsprocessen processen die variatie te produceren in de uiteindelijke orgaan-en lichaamsgrootte. Deze processen zijn het best te omschrijven van het werk op volledig metamorfe (dat wil zeggen, holometabolous), insecten, zoals D. melanogaster, waarbij organen als ongedifferentieerde 'imaginaire discs' groeien binnen de grub-achtige larve 11,15-17. In Drosophila, zijn definitief orgel en lichaamsgrootte gereguleerd door de groei tijdens de larvale stadia, larven groeien door de eerste en tweede larvale instar tot ze een minimale levensvatbare gewicht voor Eclosion (MVW E) te bereiken naar het begin van het derde larvale instar 18. Honger voor het bereiken van MVW E voorkomt volwassen Eclosion. Echter, larven, die uitgehongerd op MVW E genereren levensvatbaar volwassenen, zij het in een zeer kleine omvang. Dit komt omdat minder voeding tijdens de ontwikkeling vermindert finale lichaam en orgel grootte, niet alleen in vliegen, maar in bijna alle dieren 19-21. Door het manipuleren van de beschikbaarheid van voedsel nadat MVW E is bereikt, maar voordat verpopping plaatsvindt, is het mogelijk om te induceren extreme fenotypische plasticiteit in lichaamsgrootte dat sterk zwaarder weegt dan andere bronnen van variatie (bijvoorbeeld individuele genetische variatie).
- Eieren zijn verzameld uit de bevolking te fenotype, verdeeld in percelen van 50 en geplaatst in flesjes met 10 ml van de standaard vlieg voedsel. Omdat ovipositie gebeurt continu, worden de eieren verzameld elke 24 uur gedurende drie dagen, het produceren van drie leeftijdsgroepen.
- Toen de oudste cohort de dolende stadium bereikt of is net begonnen om zich te verpoppen, is het dieet manipulatie toegepast. Op dit punt, het oudste cohort is tot ver buiten de MVW E, is de jongste cohort heel dicht bij de MVW E en de resterende cohort is ergens tussen deze uitersten. Zo zal het verwijderen van voedsel op dit moment produceren zeer grote volwassenen uit de oudste cohort, zeer kleine volwassenen uit het jongste cohort en de tussentijdse-en kleinbedrijf volwassenen uit de overige cohort. Voor het verwijderen van de larven van de flacons, ongeveer 5 ml van 40% sucrose-oplossing wordt toegevoegd aan alle flesjes. Om gratis de larven, is het eten geroerd gedurende 15-20 minuten op een shaker tafel ingesteld op een intermediaire toerental.
- Drijvende larven worden verwijderd uit de sucrose-oplossing met een fijn (00) kwast, geplaatst in flacons met een natte katoenen plug en liet om zich te verpoppen. Als alternatief zou larven worden geplaatst op een niet-verteerbare additief voor levensmiddelen, zoals methyl cellulose 22.
2. Schatting van de lichaamslengte
Rationeel en Overzicht. Eerdere studies tonen aan dat de lengte thorax is een minder dan ideaal maatstaf voor de globale lichaamsgrootte 22. In plaats daarvan gebruiken we pupal grootte als een maat voor de lichaamsgrootte. Maximale lichaamslengte is vastgesteld op de beëindiging van het voeden die verpopping voorafgaat. Als een gevolg daarvan is er een nauwe correlatie tussen popstadium grootte en de volwassen lichaamsgrootte 23.
- Poppen zijn gerangschikt ventrale kant naar boven op glas microscoopglaasjes en beeld gebracht met behulp van een digitale camera bevestigd aan een dissectie microscoop. Elk beeld is vastgelegd, krijgt een unieke identificatiecode en overgebracht naar een computer via een live feed aansluiten van de digitale camera naar de computer.
- Afgebeeld poppen worden verplaatst naar de individuele 2 ml epitubes met 1 ml van vlieg voedsel, voorzien van de unieke code voor die persoon, en doorboord met luchtgaten aan de gasuitwisseling mogelijk te maken.
- Popstadium grootte wordt geschat als het aantal pixels van de popstadium silhouet. Andere grootte statistieken kunnen ook worden gebruikt.
3. Eigenschap (vleugel) maat schatting
Rationeel en Overzicht. Om de afbeelding vleugels, gebruiken we een 'wing grabber' 24, die trekt en houdt de vleugel van een leven, verdoofd vliegen loodrecht op zijn lichaam. Geperst tussen twee stukken glas, dit stelt de vleugel af te beelden als een twee dimensionaal object.
- Vliegen zijn verdoofd licht met CO 2 en in positie geplaatst in de vleugel grabber op een dissectiemicroscoop uitgerust met een digitale camera die is aangesloten op een computer.
- De vleugel is afgebeeld en opgeslagen onder de unieke code voor die persoon.
- Wing grootte kan worden geschat met behulp van de minimale convexe veelhoek die marginale vaste oriëntatiepunten omschrijft of als het aantal pixels van de vleugel silhouet.
4. Scaling relatie schatting
- De gegevens worden samengevoegd over de cohorten, maar van elkaar gescheiden door seks en log-getransformeerd.
- Scaling relaties geschikt zijn om de grootte gegevens met behulp van type II (dat wil zeggen, Reduced hoofdas) regressie (zie overzicht in 12) en de parameters geschat voor elke groep.
5. Representatieve resultaten:
tent "> Onze dieet manipulatie zal produceren een breed scala van lichaam maten (figuur 1) en trait maten (figuur 2). Opstellen van de log-getransformeerde eigenschappen tegen elkaar onthult hun patroon van covariatie binnen een bepaalde biologische groep en maakt de montage van de schaal relatie aan de groep (figuur 3). Extractie van de schaal relatie parameters die beschrijven hoe de vorm schalen met het lichaam van formaat kunt vergelijken hoe de vorm covaries met grootte tussen groepen.
Figuur 1. Pupa van extremen van de grootte-verdeling geproduceerd via de voeding te manipuleren na individuen bereiken van de MVW E. De werkelijke popstadium beelden worden getoond op de linker met de bijbehorende silhouetten voor de meting van popstadium grootte aan de rechterkant. Schaal bar is 1mm.
Figuur 2. Wings uit extremen van het lichaam grootte-verdeling geproduceerd via de voeding te manipuleren na individuen bereiken van de MVW E. De werkelijke vleugel beelden worden getoond op de links met de bijbehorende silhouetten voor het meten van de vleugel grootte afgebeeld aan de rechterkant. Schaal bar is 1mm.
Figuur 3. Wing-lichaamsomvang schaling voor Drosophila melanogaster naar geslacht. Log-getransformeerde gegevens voor personen van elk geslacht die werden volledig gevoed (donkere kringen), uitgehongerd een (grijze cirkels) of twee dagen (open cirkels) als larven. Type II regressielijn wordt voor elk geslacht. Tussen elke leeftijdscohort, dalingen in de gemiddelde vleugel gebied van ~ 0,1 mm (~ 7%) en ~ 0,2 mm (~ 8%) ontstaat, waardoor het totale bereik van de waargenomen fenotypes. De regressies blijkt dat vrouwen iets hypoallometric voor deze schalen relatie (helling van 0,96), terwijl mannen zijn iets hyperallometric (helling 1,06).
Discussion
Morfologische schaalvergroting is het onderwerp van intense studie in de evolutionaire biologie voor bijna een eeuw. Meer recent heeft de naaste basis van de regulering van de groei en de schaalvergroting steeds belangrijker geworden in de ontwikkeling, de fysiologie en genetica (zie bijvoorbeeld beoordelingen in 12,15,23-25). Onze methodologie maakt schatting van de morfologische schalen relaties over het gehele bereik van trait lichaam en maten. Dit kan belangrijk zijn, als trait afmetingen mogen niet lineair schaal met het lichaam van grootte (bijv. 13,14). Dit kan echter niet worden duidelijk als dieren worden gehouden alleen onder ideale omstandigheden lab.
Hoewel onze protocol is expliciet ontwikkeld om schatting van de vleugel-lichaamsomvang schalen relatie in Drosophila mogelijk te maken, kan het gebruikt worden met de trait-specifieke aanpassing van de schaal relatie voor elke morfologische eigenschap in vliegen te schatten. Op dezelfde manier kan het dieet manipulatie waarschijnlijk worden gebruikt om het volledige scala van trait lichaam en maten te produceren in andere volledig metamorfe insecten; dergelijke toepassingen gewoon voor dat weten wanneer de MVW E is bereikt en het toepassen van de manipulatie op dat punt in ontogenie.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Het onderzoek beschreven in dit onderzoek werd ondersteund door een National Science Foundation-beurs (DEB-0805818) aan WAF, AWS en ID Deze studie werd ook ondersteund door subsidies IOS-0845847 aan AWS, IOS-0919855 om AWS en ID en de IOS-0920720 aan 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).
