תפוקה גבוהה של מגבלות תרמיות קריטיות בחרקים
Summary
מגבלות תרמיות יכולות לחזות את סביבות אורגניזמים לסבול, שהוא מידע בעל ערך לנוכח שינוי האקלים המהיר. מתואר כאן פרוטוקולים בתפוקה גבוהה כדי להעריך מינימה תרמית קריטית וזמן נוקאאוט חום בחרקים. שני הפרוטוקולים ממקסמים את התפוקה וממזערים את עלות ההתייענות.
Abstract
גבולות תרמיים עלונים ונמונים של צמחים ובעלי חיים הם מנבאים חשובים של הביצועים שלהם, הישרדותם והתפלגויות גיאוגרפיות, והם חיוניים לחיזוי תגובות לשינויי האקלים. עבודה זו מתארת שני פרוטוקולים בתפוקה גבוהה למדידת מגבלות תרמיות של חרקים: האחד להערכת מינימה תרמית קריטית (CTmin), והשני להערכת זמן ההשבתה של חום (KDT) בתגובה לגורם לחץ חום סטטי. ב- CTמינימום assay, אנשים ממוקמים בעמודה אקריליק ז’קט, נתון לרמפת טמפרטורה יורדת, ונספר כפי שהם נופלים מהסחזים שלהם באמצעות חיישן אינפרא אדום. בחום KDT assay, אנשים כלולים צלחת 96 גם, ממוקם באינקובטור להגדיר למלחיץ, טמפרטורה חמה, וידאו הוקלט כדי לקבוע את הזמן שבו הם כבר לא יכולים להישאר זקוף ולזוז. פרוטוקולים אלה מציעים יתרונות על פני טכניקות נפוצות. שני המקרים הם בעלות נמוכה ותוקף להשלים במהירות יחסית (~ 2 שעות). ה-CTמינימום assay מפחית שגיאת experimenter והוא יכול למדוד מספר גדול של אנשים בו זמנית. פרוטוקול KDT חום יוצר תיעוד וידאו של כל תס”א ובכך מסיר הטיה experimenter ואת הצורך לפקח ברציפות על אנשים בזמן אמת.
Introduction
גבולות תרמיים של חרקים
שינויים בתנאים סביבתיים, כולל טמפרטורה, הוא גורם מרכזי המשפיע על הביצועים, כושר, הישרדות, והפצה גיאוגרפית שלאורגניזמים 1,,2. מגבלות תרמיות עליונות ונמיכות קובעות את הטווח התיאורטי של סביבות אורגניזם יכול לסבול, ולכן, מגבלות אלה הן מנבאים חשובים של התפלגות צמחים ובעלי חיים, במיוחד לנוכחשינוי האקלים 3,4. לפיכך, פרוטוקולים למדי מידה מדויקת של מגבלות תרמיות הם כלים חשובים עבור אקולוגים, פיזיולוגים, ביולוגים אבולוציוניים וביולוגים לשימור, בין היתר.
כחיות הארציות השופעות והמגוונות ביותר, חרקים משמשים לעתים קרובות למדידות של גבולות תרמיים. מקסימום תרמי קריטי (CTמקסימום)ומינימה תרמית קריטית (CTmin)משמשים בדרך כלל להערכת וריאציה פנים-ו- interspecificבסובלנות תרמית 5,6,7. בעוד CTמקסימום ו CTדקות ניתן למדוד עבור פנוטיפים מרובים, כולל צמיחה, תפוקת הרבייה, והתנהגות, הם מוחלים בדרך כלל על פונקציית locomotor5,6,7. לפיכך, CTמקסימום (המכונה גם טמפרטורת נוקאאוט חום) ו CTדקות מוגדרים לעתים קרובות כטמפרטורות גבוהות ונמוכות שבו חרקים מאבדים את התפקוד המוטורי ואינם מסוגלים להישארזקוף 5,6,7,8,9,10,11. CTדקות עולה בקנה אחד עם תחילתה של תרדמת צינה, שיתוק הפיך הביא על ידי טמפרטורות קרות6. בעוד שיתוק בגבולות התרמיים הוא לעתים קרובות הפיך, חשיפה מתמשכת לטמפרטורות אלה מובילה למוות אקולוגי5.
שיטות נפוצות למדידת מגבלות תרמיות
מגוון של ציוד שימשו כדי למדוד מגבלות תרמיות (מסוכם סינקלייר ואח ‘. 6. בקצרה, חרקים מחוממים או מקורריםבאינקובטורים 12,13,מכולות שקועות באמבטיותנוזלים 11,14,15,16,בלוקיאלומיניום 10,,17,או מכולותז’קט 18, ומעקב עד שהקטר מפסיק. כדי לפקח על חרקים במהלך ההתאסה, השיטה הנפוצה ביותר היא התבוננות ישירה, שבה אנשים מנוטרים ברציפות בזמן אמת או בדיעבד עםוידאו מוקלט 6,9,10,11,15,17. בעוד שיטות תצפית ישירה יש דרישות ציוד מינימליות, הם עבודה אינטנסיבית ולהגביל את התפוקה. לחלופין, ניתן לצפות בחרקים בעקיפין על ידי איסוף אנשים בזמנים דיסקרטייםכאשר הם נופלים מספנות 6,19,20,21 או באמצעות צגי פעילות13.
שיטות עקיפות למדידת מגבלות תרמיות הן בדרך כלל תפוקה גבוהה יותר ועלולות להיות פחות מועדות לטעויות מאשר שיטות תצפית ישירה. השיטה הנפוצה ביותר לניטור עקיף משתמשת בעמודה מבוקרת טמפרטורהעם ז’קטים 6,,8,,19,,20,,21. חרקים ממוקמים בתוך עמוד עם צבים, והטמפרטורה של התא הפנימי נשלטת על ידי שאיבת נוזלים מאמבט נוזלי מבוקר טמפרטורה דרך הבטנה הז’קט של הטור. אנשים שמגיעים לגבול התרמי שלהם נופלים מהמקום שלהם ונאספים בטמפרטורות דיסקרטיות או במרווחי זמן. בעוד שיטה זו פועלת היטב עבור CTדקות, זה נמצא לא מתאים CTמקסימום, כי זבובים מרצון לצאת מתחתית העמודה כאשר הטמפרטורה עולה. השיטה החדשה המתוארת כאן עוקפת בעיה זו על ידי כך שהיא מכילה זבובים באופן אישי במהלך מדידות אוטומטיות.
בנוסף לשיטת התצפית, שני סוגים של משטרי טמפרטורה משמשים בדרך כלל כדי להעריך את הגבולות התרמיים העליונים. ההתייענות הדינמית מורכבת מהגברת הטמפרטורה בהדרגה עד שהתפקוד המוטורי אובד; טמפרטורה זו היא CT דינמימקסימום7,8,9,13. לעומת זאת, ההתייחדות הסטטית מורכבת מטמפרטורה מלחיצה מתמדת עד לאיבוד התפקוד המוטורי; נקודת זמן זו היא זמן הנוקאאוט של החום (חום KDT), המכונה גםמקסימום CT סטטי (sCTmax)בניירשפורסם לאחרונהעל ידי יורגנסן ואח’7,8,9,,16,22. למרות CTמקסימום וחום נוקאאוט (חום KD assays) לייצר מדדים עם יחידות שונות, מידול מתמטי של שתי התכונות מציין שהם נותנים מידע דומה על עמידות חום ושניהםרלוונטיים מבחינה אקולוגית 8,9. בדיקות דינמיות מניבות טמפרטורה שניתן להשוות לתנאים סביבתיים, והן עדיפות כאשר יש הבדלים גדולים בסובלנות לחום, כגון השוואות בין מינים עם גומחות תרמיות שונות באופן נרחב. עם זאת, בשל Q10 גבוה להצטברות פציעות חום, שקע סטטי עשוי להיות עדיף לזיהוי גדלי אפקט קטן, כגון וריאציה תוך ספציפית בסובלנותחום 9. כמו כן, מבחינה מעשית, אסיי סטטי דורש ציוד פחות מתוחכם מאשר אסיי דינמי.
המטרה
מטרת נייר זה היא להפוך שיטות לפורמלית עבור CTדקות וחום KD assays שניתן להשתמש במחקר עתידי כדי להעריך את הגבולות התרמיים של חרקים מוטיב. הפרוטוקולים מותאמים ממתודולוגיות שנקבעו בעבר ומתועדים להיות בעלי תפוקה גבוהה, אוטומטית וחסכונית. ניתן להשלים את שני ההתאסות תוך זמן קצר (~ 2 שעות), מה שאומר שניתן לערוך ניסויים מרובים ביום אחד, ולייצר כמויות גדולות של נתונים מבלי להקריב יכולת חזרה או דיוק. עם התקנה זו, ניתן למדוד בו-זמנית את עמידות החום של 96 זבובים, בעוד שהטור עבור CTmin יכול להכיל יותר מ-100 זבובים, בתנאי שיש שטח פנים מתאים לתפס.
שיטת התפוקה הגבוהה להתבוננות ב- CTmin משנה את מתודולוגיית העמודות הנפוצה עם תוספת של חיישן אינפרא אדום לספירת זבובים באופן אוטומטי. השימוש בחיישן אינפרא אדום לספירה הוצע לראשונה על ידי שומן ואח’ בשנת 199623, אך לא אומץ באופן נרחב. התוספת של חיישן האינפרא-אדום מאפשרת יצירת נתונים רציפים במקום לאסוף נתונים במרווחי זמן שונים. פרוטוקול זה גם ממזער את שגיאת הניסוי על-ידי ביטול הזנת נתונים ידנית והצורך להחליף צינורות איסוף באופן ידני מתחת לעמודה הנספסת בנקודות זמן שונות.
שיטת התפוקה הגבוהה לתיעוד חום KDT משתנה משני מחקרים קודמים של עמידותלחום בחרקים 10,12. זבובים בודדים מאוחסנים בצלחת 96 באר באינקובטור מבוקר טמפרטורה ווידאו מוקלט. פרוטוקול זה ממזער הטיית ניסויים בקביעת KDT חום מכיוון שניתן לסקור ולאמת ניסויים על-ידי השמעת ההקלטה. פרוטוקול זה מספק גם קבוצה של קבצי Script מותאמים אישית של פיתון שניתן להשתמש בהם כדי להאיץ את ניתוח הווידאו. השימוש בארות בודדות מבטל הפרעות שעלולות להתרחש כאשר אנשים אחרים לנוע או ליפול, אשר יכול להיות בעיה כאשר קבוצות שלאנשים נצפו באותה זירה 10,17. יתר על כן, האינקובטור מבוקר טמפרטורה מספק טמפרטורה יציבה על פני כל 96 הבאות, בניגוד לטמפרטורה הדרגתית שנצפתה לעתים על פני בלוק אלומיניום מבוקרטמפרטורה 10. כמו כן, שים לב כי שיטת הקלטה 96 גם ניתן להתאים למדוד CTדינמי מקסימום ופוטנציאל CTדקות (ראה דיון).
כדי להדגים כל פרוטוקול, הגבולות התרמיים של נקבות מלנוגסטר דרוזופילה בוגרות מן השורות הנבחרות של לוח הייחוס הגנטי Melanogaster Drosophila (DGRP)הושוו 24. קווים אלה נבחרו מכיוון שניסויים ראשוניים הצביעו על הבדלים משמעותיים בסובלנות תרמית. אלה הוכחו כשיטות חזקות להפלות הבדלים בסובלנות תרמית. שני הפרוטוקולים הבאים, תפוקה גבוהה CTמינימום assay (סעיף 1) ו חום תפוקה גבוהה KD assay (סעיף 2), לתאר את הפעולות הדרושות כדי לייצר CTדקות וחום נתוני KDT עבור כל שלב חיי חרקים מוטיב מסוגל להתאים את האביזרים, כגון דרוסופילה למבוגרים. עבור CTדקות זה גם חיוני כי החרק להיות מסוגל לעמוד. כאן, כל תסה מדגים במלנוגסטר דרוזופילה למבוגרים. עם זאת, ייתכן שיהיה צורך בשינויים עבור מסה אחרים או שלביםחיים 6. שינויים קלים עשויים לכלול שימוש בחומר חריץ עם פתחים גדולים יותר כדי להכיל דגימות גדולות יותר ב- CTמינימום assay או שימוש במצלמה באיכות גבוהה יותר כדי להבחין KDT עדין של חרק נע לאט או שלב החיים בהאשה KD חום. פרוטוקול זה אינו מתאר שיטות להכנת זבובים, אך חשוב לתקנן פרוטוקולי גידול כדי להבטיחיכולת חזרה 25 (ראה גרסיה ו-Teets26 ו-Teets ו-Hahn27). הפרוטוקולים שסופקו כוללים מידע על אופן הבנייה וההגדרה של ההתאגנות, כיצד להקליט מדידות ותיאור קצר של ניתוח נתונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שתי השיטות המפורטות לעיל יוצרות נתונים בעלי תפוקה גבוהה של מדדים רלוונטיים למען איכות המידע עבור מגבלות תרמיות גבוהות ונמונות. פרוטוקולים אלה מתבססים על מתודולוגיות שנקבעו בעבר המשותפות למחקר על מגבלות תרמיות של חרקים (המסוכמות בסינקלייר ואח’). 6. שני הפרוטוקולים ניתן להשל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לאלי מקייב על העזרה בהתענופת הזבובים. עבודה זו נתמכת על ידי משרד החקלאות הלאומי של ארצות הברית המכון הלאומי למזון וחקלאות הצוהר פרויקט מענק 1010996 והקרן הלאומית למדע להעניק OIA-1826689 כדי N.M.T.
Materials
| ARCTIC A40 Refrigerated fluid circulator (Programable teperature ramps) | Thermo Scientific; Waltham, MA | 153-5401 | |
| C922 Pro Stream Webcam | Logitech; Newark, CA | 960-001087 | |
| Circular adjustable steel clamp – 5.08 cm to 7.62 cm | Any | Any | |
| Clear acrylic tubing – 5.7 cm x 5.1 cm x 0.3 cm | United States Plastic Corp., OH | 44036 | |
| Clear acrylic tubing – 6.35 cm x 5.7 cm x 0.3 cm | United States Plastic Corp., OH | 440515 | |
| Clear acrylic tubing – 7 cm x 6.35 cm x 0.3 cm | United States Plastic Corp., OH | 44041 | |
| Clear silicone sealant | Any | Any | |
| Collection tube (15 ml) | Any | Any | |
| Cordless Drill | Any | Any | |
| Drosophila Funnel Monitor (DFM) | TriKinetics; Waltham, MA | DFM | Used to count the number of flies that fall through the funnel at a given time point |
| DAM data collection software | TriKinetics; Waltham, MA | Records data input from the DFM | |
| Fly Storage Lid | FlySorter; Seatle, WA | FS-96LID-5PK | Used to load flies into the storage plate for the sCTmax assay |
| Fly Storage Plate | FlySorter; Seatle, WA | FS-96PLATE-5PK | Used to hold flies during in the sCTmax assay |
| Fly Food Tray | FlySorter; Seatle, WA | FS-TRAY-5PK | Used to keep flies on food after loading into the 96-well plate until the sCTmax assay |
| Glass funnel | Kimax | 28950-75 | 75mm |
| Gutter guard | Any | Any | ~0.5 cm diameter openings |
| Hacksaw | Any | Any | |
| Heratherm Thermo Scientific incubator | Thermo Scientific; Waltham, MA | OMS100 | |
| Hose nylon adapters (2) – ¼ MNPT x 3/8 | United States Plastic Corp., OH | 61135 | |
| Hot glue gun and glue | Any | Any | |
| Light Source | Any | Any | |
| Magnets | Any | Any | |
| OMEGA TC-08 Recorder and TC-08 Player Software | OMEGA; Norwalk, CT | ||
| OMEGA thermocouple (Type T) | OMEGA; Norwalk, CT | 5LRTC-TT-K-20-36 | |
| Plastic funnel | Any | Any | 2" diameter |
| Plastic tubing – 0.6 cm diameter | United States Plastic Corp., OH | 62852 | |
| Retort ring | Any | Any | 2" diameter |
| Retort stand | Any | Any | |
| Retort three-prong clamp | Any | Any | |
| Rstudio | |||
| Serial port connector (PSIU9) | TriKinetics; Waltham, MA | PSIU9 | Intermediate connection between the DFM and computer, allows for multiple DFM connections |
| Styrofoam (2" thick) | Any | Any | |
| Tape | Any | Any | |
| Uninterrupted Power Supply (PS9-1) | TriKinetics; Waltham, MA | PS9-1 | Power supply for the DFM and PSIU9 |
| Weld-on #4 Acrylic Cement | United States Plastic Corp., OH | 45737 |
References
- Dowd, W. W., King, F. A., Denny, M. W. Thermal variation, thermal extremes and the physiological performance of individuals. Journal of Experimental Biology. 218 (12), 1956-1967 (2015).
- Angilletta, M. J. . Thermal Adaptation: A Theoretical and Empirical Synthesis. , (2009).
- Coumou, D., Rahms Torf, S. A decade of weather extremes. Nature Climate Change. 2 (7), 491-496 (2012).
- Wang, G., Dillon, M. E. Recent geographic convergence in diurnal and annual temperature cycling flattens global thermal profiles. Nature Climate Change. 4 (11), 988-992 (2014).
- MacMillan, H. A. Dissecting cause from consequence: A systematic approach to thermal limits. Journal of Experimental Biology. 222 (4), 191593 (2019).
- Sinclair, B. J., Coello Alvarado, L. E., Ferguson, L. V. An invitation to measure insect cold tolerance: Methods, approaches, and workflow. Journal of Thermal Biology. 53, 180-197 (2015).
- Lutterschmidt, W. I., Hutchison, V. H. The critical thermal maximum: History and critique. Canadian Journal of Zoology. 75 (10), 1561-1574 (1997).
- Cooper, B. S., Williams, B. H., Angilletta, M. J. Unifying indices of heat tolerance in ectotherms. Journal of Thermal Biology. 33 (6), 320-323 (2008).
- Jørgensen, L. B., Malte, H., Overgaard, J. How to assess Drosophila heat tolerance: Unifying static and dynamic tolerance assays to predict heat distribution limits. Functional Ecology. 33 (4), 629-642 (2019).
- Hazell, S. P., Pedersen, B. P., Worland, M. R., Blackburn, T. M., Bale, J. S. A method for the rapid measurement of thermal tolerance traits in studies of small insects. Physiological Entomology. 33 (4), 389-394 (2008).
- Andersen, J. L., et al. How to assess Drosophila cold tolerance: Chill coma temperature and lower lethal temperature are the best predictors of cold distribution limits. Functional Ecology. 29 (1), 55-65 (2015).
- Hu, X. P., Appel, A. G. Seasonal variation of critical thermal limits and temperature tolerance in Formosan and eastern subterranean termites (Isoptera: Rhinotermitidae). Environmental Entomology. 33 (2), 197-205 (2004).
- Rolandi, C., Lighton, J. R. B., de la Vega, G. J., Schilman, P. E., Mensch, J. Genetic variation for tolerance to high temperatures in a population of Drosophila melanogaster. Ecology and Evolution. 8 (21), 10374-10383 (2018).
- Overgaard, J., Kristensen, T. N., Sørensen, J. G. Validity of thermal ramping assays used to assess thermal tolerance in arthropods. PLoS ONE. 7 (3), 1-7 (2012).
- Klok, C. J., Chown, S. L. Critical thermal limits, temperature tolerance and water balance of a sub-Antarctic kelp fly, Paractora dreuxi (Lepidoptera: Tineidae). Journal of Insect Physiology. 43, 685-694 (1997).
- Salachan, P. V., Burgaud, H., Sørensen, J. G. Testing the thermal limits: Non-linear reaction norms drive disparate thermal acclimation responses in Drosophila melanogaster. Journal of Insect Physiology. 118 (September), 103946 (2019).
- Everatt, M. J., Bale, J. S., Convey, P., Worland, M. R., Hayward, S. A. L. The effect of acclimation temperature on thermal activity thresholds in polar terrestrial invertebrates. Journal of Insect Physiology. 59 (10), 1057-1064 (2013).
- MacMillan, H. A., Sinclair, B. J. The role of the gut in insect chilling injury: Cold-Induced disruption of osmoregulation in the fall field cricket, Gryllus pennsylvanicus. Journal of Experimental Biology. 214 (5), 726-734 (2011).
- Huey, R. B., Crill, W. D., Kingsolver, J. G., Weber, K. E. A method for rapid measurement of heat or cold resistance of small insects. British Ecological Society. 6 (4), 489-494 (1992).
- Jenkins, N. L., Hoffmann, A. A. Genetic and maternal variation for heat resistance in drosophila from the field. Genetics. 137 (3), 783-789 (1994).
- Ransberry, V. E., MacMillan, H. A., Sinclair, B. J. The relationship between chill-coma onset and recovery at the extremes of the thermal window of Drosophila melanogaster. Physiological and Biochemical Zoology. 84 (6), 553-559 (2011).
- Sørensen, M. H., et al. Rapid induction of the heat hardening response in an Arctic insect. Biology Letters. 15 (10), (2019).
- Shuman, D., Coffelt, J. A., Weaver, D. K. A computer-based electronic fall-through probe insect counter for monitoring infestation in stored products. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers. 39 (5), 1773-1780 (1996).
- MacKay, T. F. C., et al. The Drosophila melanogaster Genetic Reference Panel. Nature. 482 (7384), 173-178 (2012).
- Ashburner, M., Golic, K. G., Hawley, R. S. . Drosophila: A laboratory handbook. , (2005).
- Garcia, M. J., Teets, N. M. Cold stress results in sustained locomotor and behavioral deficits in Drosophila melanogaster. Journal of Experimental Zoology Part A: Ecological and Integrative Physiology. 331 (3), 192-200 (2019).
- Teets, N. M., Hahn, D. A. Genetic variation in the shape of cold-survival curves in a single fly population suggests potential for selection from climate variability. Journal of Evolutionary Biology. 31 (4), 543-555 (2018).
- Kelty, J. D., Lee, R. E. Induction of rapid cold hardening by cooling at ecologically relevant rates in Drosophila melanogaster. Journal of Insect Physiology. 45 (8), 719-726 (1999).
- MacMillan, H. A., Sinclair, B. J. Mechanisms underlying insect chill-coma. Journal of Insect Physiology. 57 (1), 12-20 (2011).
- Salachan, P. V., Sørensen, J. G. Critical thermal limits affected differently by developmental and adult thermal fluctuations. Journal of Experimental Biology. 220 (23), 4471-4478 (2017).
- Hoffmann, A. A., Hallas, R., Anderson, A. R., Telonis-Scott, M. Evidence for a robust sex-specific trade-off between cold resistance and starvation resistance in Drosophila melanogaster. Journal of Evolutionary Biology. 18 (4), 804-810 (2005).
- Kelty, J. D., Lee, R. E. Rapid cold-hardening of Drosophila melanogaster (Diptera: Drosophilidae) during ecologically based thermoperiodic cycles. Journal of Experimental Biology. 204 (9), 1659-1666 (2001).
- Sinclair, B. J., Vernon, P., Klok, C. J., Chown, S. L. Insects at low temperatures: An ecological perspective. Trends in Ecology and Evolution. 18 (5), 257-262 (2003).
