Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Uppfödning av kålvit fjäril (Pieris rapae) under kontrollerade förhållanden: En fallstudie med tungmetalltolerans

Published: August 18, 2023 doi: 10.3791/65383
Automatic Translation
1, 1,2
1Deptartment of Ecology, Evolution and Behavior, University of Minnesota, 2Biology, Sweet Briar College

Summary

Detta dokument presenterar ett detaljerat protokoll för uppfödning av kålvit fjäril i kontrollerade laboratorieförhållanden med en konstgjord diet, vilket möjliggör exakta manipuleringar av näring och toxinexponering i tidigt liv. De representativa resultaten visar hur tungmetalltoxicitet kan analyseras med detta protokoll.

Abstract

Den vitkålsfjärilen (Pieris rapae) är ett viktigt system för tillämpad skadedjursbekämpningsforskning och grundforskning inom beteende- och näringsekologi. Kålvita kan lätt födas upp under kontrollerade förhållanden på en konstgjord diet, vilket gör dem till en modellorganism i fjärilsvärlden. I denna uppsats används en manipulation av tungmetallexponering för att illustrera grundläggande metoder för uppfödning av denna art. Det allmänna protokollet illustrerar hur fjärilar kan fångas i fältet, induceras att lägga ägg i växthusburar och överföras som larver till konstgjorda dieter. Metoderna visar hur fjärilar kan märkas, mätas och studeras för en rad olika forskningsfrågor. De representativa resultaten ger en uppfattning om hur artificiella dieter som varierar i komponenter kan användas för att bedöma fjärilsprestanda i förhållande till en kontrolldiet. Mer specifikt var fjärilar mest toleranta mot nickel och minst toleranta mot koppar, med en tolerans av zink någonstans i mitten. Möjliga förklaringar till dessa resultat diskuteras, inklusive nickelhyperackumulering i vissa senapsvärdväxter och nya bevis hos insekter att koppar kan vara giftigare än tidigare uppskattat. Slutligen granskar diskussionen först variationer i protokollet och anvisningar för felsökning av dessa metoder innan man överväger hur framtida forskning ytterligare kan optimera den konstgjorda kosten som används i denna studie. Sammantaget, genom att ge en detaljerad videoöversikt över uppfödning och mätning av kålvita på konstgjorda dieter, ger detta protokoll en resurs för att använda detta system inom ett brett spektrum av studier.

Introduction

Den lilla kålvita fjärilen (Pieris rapae, nedan "kålvit") är en kosmopolitisk skadedjur av senapsgrödor, såsom kål, broccoli och raps 1,2,3. Samtidigt är kålvita ett kraftfullt system för forskning inom biologi och en vanlig fjärilsmodell, eftersom de lätt kan födas upp och manipuleras i kontrollerade laboratorieexperiment 4,5. Forskning om kålvita fjärilar har gett kritiska insikter med avseende på värdsökning 6,7,8, nektarresursanvändning 9,10,11, kompisval och sexuellt urval 12,13,14, vingmönsterutveckling och evolution15,16,17 och svar på nya och föränderliga miljöer18,19. Många av dessa insikter bygger på det faktum att kålvita kan födas upp på konstgjorda dieter 4,20,21, vilket kan manipuleras exakt för att återspegla dåliga näringsförhållanden 22,23, ekologiskt relevanta föroreningsnivåer 24,25,26,27 eller övergångar till nya värdväxter28,29. Den aktuella studien använder ett experiment om exponering för tungmetaller för att illustrera grundläggande metoder för uppfödning av kålvita fjärilar på en konstgjord diet i laboratoriet och nyckeltal för larver och vuxna. Många aspekter av dessa metoder gäller för andra fjärilar30,31 och malar32,33,34 som kan födas upp på en konstgjord diet.

I detta dokument används ett experiment på metalltolerans för att illustrera de allmänna metoderna för uppfödning av kålvita fjärilar. Tungmetaller är en vanlig antropogen förorening som härrör från nedbrytning av mänskliga produkter, industriella processer och äldre föroreningar från historisk användning i bekämpningsmedel, färger och andra produkter35,36,37,38. Många tungmetaller, inklusive bly, koppar, zink och nickel, kan flytta från jord och vatten till växtvävnad 39,40,41,42, och metaller i damm kan deponeras på växtblad43,44,45, vilket resulterar i flera exponeringsvägar för fytofagösa insektslarver. Tungmetallexponering tidigt i livet kan ha negativa effekter på djurens utveckling, särskilt på nervvävnad, och höga nivåer kan vara dödliga 35,36,46,47,48. Ett antal studier har visat de negativa effekterna av metallexponering på utvecklande insekter, inklusive både skadedjur och nyttiga insekter 49,50,51. Det stora antalet tungmetallföroreningar, och det faktum att de ofta förekommer samtidigt i mänskliga miljöer52, innebär att exakta laboratoriemetoder behövs där forskare kan exponera utvecklande insekter för olika nivåer och kombinationer av olika metaller för att förstå och mildra deras miljöpåverkan.

Det aktuella arbetet kontrasterar effekterna av vanliga metaller på kålvit överlevnad och utveckling, med fokus på koppar (Cu), zink (Zn) och nickel (Ni), tre vanliga föroreningar i mänskliga miljöer. Till exempel innehåller forbs från landsbygden i Minnesota vägar upp till 71 ppm Zn, 28 ppm Cu och 5 ppm Ni53. Detta experiment manipulerar nivåerna av dessa metaller i konstgjorda dieter av kålvita fjärilar på nivåer som motsvarar och överskrider de nivåer som ses i miljön. En konstgjord diet används för att kontrastera den relativa toxiciteten hos dessa metaller och förutsäga att kålvita skulle vara mer känsliga för metallföroreningar som inte är en integrerad del av deras fysiologi (nickel) i förhållande till de som förekommer, om än i små nivåer, i enzymer och vävnader (koppar och zink; Figur 1). Genomgående ger denna text metodologiska detaljer och medföljande videovisualiseringar för att illustrera uppfödnings- och forskningsmetoderna för detta viktiga fjärilsmodellsystem.

Protocol

Denna forskning genomfördes under USDA APHIS tillstånd P526P-13-02979.

1. Samling av experimentella fjärilar

  1. Fånga vuxna kvinnliga fjärilar med ett insektsnät. Kålvita finns vanligtvis i öppna, störda livsmiljöer med nektarväxter och värdväxter (i familjen Brassicaceae) närvarande.
    1. Sök när solen är ute och temperaturen är varm. För att rikta in dig på honor, leta efter individer som fladdrar långsamt, nära marken och landar på växter för att "trumma" (smaka) bladen med framtarsi.
  2. Ställ in kvinnor i burar för att skörda ägg.
    OBS: Fältinsamlade honor har i genomsnitt parat sig med en eller två hanar12, och bör börja lägga fertila ägg strax efter fångsten. Vildfångade honor behöver naturligt ljus för att oviposit och kompisera, så placera buret i ett växthus eller fönsterbräda.
  3. Huskvinnor med en värdväxt för att skörda ägg.
    OBS: Kvinnor accepterar en mängd olika värdväxter, inklusive grönkål, rädisa, grönkål, collards och Arabidopsis, men se till att växterna inte har behandlats med några bekämpningsmedel.
    1. Presentera värdväxterna antingen i krukor eller i behållare med vatten för att bibehålla bladtrycket, såsom stjälkar av grönkål i blommiga vattenrör.
    2. Om forskaren vill samla ägg och överföra dem direkt till dieten, använd först ett gummiband för att fästa ett värdväxtblad på toppen av en plastkopp vatten och sträck sedan en bit parafilm runt kanthonorna som rör vid bladet kommer att oviposit på parafilmen (se5).
  4. Se till att buren också innehåller något för att hålla den relativa luftfuktigheten hög, till exempel genom daglig vattning av en krukväxt eller vätning av en handduk, särskilt under torra förhållanden. Om krukväxter vattnas i buret, se till att en handduk ligger under potten, eftersom fjärilar kan fastna i poolvatten.
  5. Foder fjärilarna med en 10% utspädd honungsvattenlösning presenterad på en gul svamp, vilka fjärilar snabbt lär sig att använda, speciellt om de är inrymda hos erfarna individer.
    1. För att uppmuntra fjärilar att mata från svampar, placera dem direkt på mataren, särskilt efter lätt sprutning med en vattenflaska, vilket ofta får dem att sticka ut sin proboscis.
    2. För att ställa in mataren, skölj först de gula eller orange svamparna noggrant och skär dem sedan i små rutor som passar in i 60 mm petriskålar av plast. Byt matare dagligen och rengör svamparna i en mild blekmedellösning, följt av noggrann sköljning för att förhindra mögeltillväxt.

2. Göra konstgjorda dieter

  1. Använd först receptet i tabell 1 eller andra relevanta källor för att bestämma det relevanta receptet för ett experiment. Gör nödvändiga ändringar som är specifika för målarten eller försöket. Skriv ut ett recept att följa när du väger ingredienser.
  2. Väg alla torra ingredienser, förutom agar, i en behållare. Se till att ingredienserna läggs tillbaka på respektive lagringsplats och notera att flera ingredienser förvaras vid 4 ° C. Placera den vägda, torra ingrediensblandningen i en mixer med 5 ml linfröolja.
  3. Följ stegen nedan för varje dietsats.
    1. Blanda 15 g finmaskig agar med 400 ml destillerat vatten i en bägare som är minst 1 liter stor. Mikrovågsugn tills agar är nära kokning, med fina bubblor i hela blandningen, rör om blandningen var 30-60 s för att förhindra kokning över.
    2. Till denna heta agarblandning, tillsätt 400 ml destillerat vatten med krantemperatur för att bringa det till en lämplig temperatur för att blanda med de torra ingredienserna, eftersom vitaminblandningen är värmekänslig.
    3. Tillsätt agarblandningen i mixern och blanda noggrant, skrapa kanterna på mixern om det behövs.
  4. När agar värmer, placera minst sjuttiofyra ounce dietkoppar på disken med kanterna vidrörande. Efter noggrann blandning av kosten, häll blandningen från mixern i dietkoppar, så att kosten täcker botten av varje kopp.
  5. När dieten svalnat, placera lock på kopparna, märk dietkopparna med diettyp, stapla dem på brickor och förvara i upp till 1 månad vid 4 ° C tills användning.

3. Överföring och uppfödning av artificiella dieter

  1. Husvärdväxtblad med fjärilägg i 30 oz delikoppar med ett nätskydd i en 24 ° C klimatkammare. Efter 1 vecka, kontrollera kopparna - se till att larverna kläcks och i slutet av första eller tidiga andra instarstadiet, en bra tid för överföring till den konstgjorda kosten.
  2. Överför larverna till den konstgjorda dieten med en pensel, desinficera den med blekspray och en vattensköljning mellan behållare med larver. Överför tre larver till varje 4 oz kopp. Medan den konstgjorda kosten är energität och kan stödja höga densiteter av larver, undvik att packa larver i koppar, eftersom sjukdomar och mögel kan spridas i koppar med hög larvdensitet.
  3. Lägg kopparna i en plastbehållare på sidorna så att frass faller till botten av kopparna och bort från kosten, vilket minskar mögel och sjukdomsrisk.
    1. Hus dietkopparna i kontrollerade temperaturförhållanden med låga till måttliga ljusnivåer. Övervaka kopparna för mögel och sjukdom var 1-2: e dag genom att kika genom de klara kopplocken.
    2. Koppar med mögel eller sjukdom kan sättas i karantän eller frysas för att förhindra spridning till andra koppar.

4. Uppkomst och hantering av vuxna

  1. Låt larverna förpuppas och dyka upp i dietkopparna. När vuxna dyker upp, ge dem några timmar för sina vingar att härda innan du tar bort dem för märkning. Ta bort vuxna fjärilar från kopparna med rena händer genom att försiktigt ta tag i vingarna och notera att det är ett stabilare grepp att ta tag i alla fyra vingarna närmare kroppen.
  2. För att markera fjärilarna, håll torra individer i huvudet och bröstkorgen och använd en finspetsad sharpie för att lätt markera ett nummer på bakvingen.
    1. Sex individer som använder en kombination av vingmarkeringar och könsorgan; Honorna har i allmänhet två svarta fläckar på ryggframvingen och mörkare, mer gulaktiga bakvingar, medan hanarna i allmänhet har en mindre svart fläck på ryggframvingen på en ljusare vit bakgrund54.
    2. Med tanke på att denna färg visar individuell och säsongsvariation, bekräfta könet med hjälp av bukegenskaper - män har två klämmor i den distala änden av buken och en smalare buk i allmänhet, medan kvinnor har en enda könsöppning.
  3. Överför de vuxna till vaxglaskuvert genom att öppna kuvertet med ena handen, hålla fjärilen i huvudet och bröstkorgen, skjuta in den i kuvertet och ta tag i vingarna genom kuvertet med den andra handen.
    1. Se till att alla fyra vingarna är stängda normalt i kuvertet.
    2. Håll fjärilarna kalla (5-6 ° C) i upp till 1 vecka före experiment, men låt minst 1 dag acklimatisera sig när de tas ut ur kylen.

5. Resultatmått

  1. För att mäta vingegenskaper på döda individer, ta bort fjärilens vingar genom att hålla bröstkorgen i ena handen och använda pincett för att ta bort varje vinge vid basen. Placera vingarna platt i en ljuslåda och ta fotografier för senare mätningar.
  2. För att få uppskattningar av fecundity, hysa de vuxna i parningsburar, vilket möjliggör minst 1 dag för reproduktiv mognad av män och 1 dag för parning. Offra honor vid bestämda tidpunkter för äggräkning genom dissektion, eller samla ägg varje dag på värdväxter.
  3. För att uppskatta äggbelastningar, ta bort kvinnans buk, placera den i 1x PBS-buffert och skär en slits längs den ventrala sidan.
    1. Använd pincett för att separera inre från nagelbandet, dra sedan äggstockarna bort från tarmen, trachau och annat innehåll i buken.
    2. Uncurl de fyra krullade ovarioles i var och en av de två äggstockarna, notera var mogna, gula och skalade ägg övergår till omogna folliklar. Använd en räknare för att hjälpa till att räkna de totala mogna äggen, i allmänhet från 0-200 ägg.
  4. För att bestämma parningsstatus för en dissekerad kvinna, öppna bursa copulatrix och separera spermatoforerna inuti. När spermatoforer smälts utvecklar de i allmänhet en "svans" och är kapslade i varandra.

6. Fallstudie

OBS: Vuxna kvinnliga kålvita fjärilar samlades in från naturen 2014 för att hitta experimentpopulationerna. Vuxna honor härstammar från nära Davis, Kalifornien (N = 8 grundande honor).

  1. Bostäder fjärilarna
    1. Hus honorna i "BugDorm" nätburar (61 cm x 61 cm x 61 cm) under naturligt ljus i ett växthus. Ge ett organiskt blad av värdväxtkålen (Brassica oleracea) för ovipositionering.
    2. För att bibehålla fuktigheten i burarna, inkludera en liten krukväxt (Cosmos), vattnas dagligen, placerad ovanpå en handduk i varje bur.
    3. Samla ägg dagligen genom att överföra löv med nya ägg till 473 ml plastkoppar med hål i locket och placera i en klimatkammare.
    4. Ge fjärilar ad libitum tillgång till en 10% honungsvattenlösning (gjord genom att späda ekologisk honung med destillerat vatten), tillgänglig genom en gul svamp i en liten petriskål som byts dagligen.
  2. Förbereda konstgjorda dieter
    1. Förbered konstgjorda dieter för kålvita larver med modifieringar av tidigare utvecklade Lepidoptera-dieter4. En sats diet innehöll 50 g vetegroddar, 27 g kasein, 10 g cellulosa, 24 g sackaros, 15 g kålmjöl, 9 g Wesson saltblandning, 12 g Torula-jäst, 3,6 g kolesterol, 10,5 g Vanderzant-vitaminblandning, 1,1 g metylparaben, 1,5 g sorbinsyra, 3 g askorbinsyra och 0,175 g streptomycin (se materialförteckning).
    2. Väg de torra ingredienserna för flera dietsatser (tabell 1) och blanda noggrant för att öka homogeniteten mellan diettyper innan de delas upp i separata satser för blandning med metalllösningar.
    3. Lägg de torra ingredienserna i en mixer med linolja och motsvarande metallblandning.
      OBS: Linolja användes i det aktuella experimentet eftersom det såldes av en tidigare leverantör av insektsdieter. Nu används ekologisk linfröolja uteslutande, som är tillverkad av samma växt, men är mindre benägna att innehålla några tillsatser som kommersiella leverantörer av linolja.
    4. Häll den beredda kosten i 118 ml (4 oz) plast deli koppar. Använd lösliga metallsalter för att tillsätta fokalmetaller till konstgjorda dieter. Sikta på metallkoncentrationer baserade på tidigare observationer av metallinnehållet i växter (t.ex. nickelackumulering 55,56,57 eller vägkontaminering av växter 58,59,60) och tolerans för metaller i andra Lepidoptera 49,50,51.
    5. Lös metallsalter i 500-1000 ml destillerat vatten innan du tar motsvarande mängder för att lägga till konstgjorda dieter. Till exempel, för att göra 100 ppm nickeldiet, tillsätt 317,6 ml 1 M NiCl2-lösning till den konstgjorda dieten före blandning för att ge en slutlig dietkoncentration på 100 mg / g Ni torrvikt (cirka 53 mg / g våtvikt). Denna mängd översätts till en genomsnittlig uppmätt koncentration på 109,6 ppm (tabell 2) baserat på induktivt kopplad plasmaatomemissionsspektroskopi.
      OBS: Nivåerna av metaller uppskattades av University of Minnesotas Research Analytical Labs med sex prover.
  3. Underhåll
    1. Håll äggen som skördats på värdväxter i klimatkammare vid 23 °C på 14:10 fotoperioder i 7 dagar. Därefter överför de tidiga andra instarlarverna till den konstgjorda kosten.
    2. Vid överföring delar du larverna jämnt från en given växt över de fyra diettyperna för att undvika förvirrande partier av larver med diettyp. Överför larverna (N = 346 totalt) som två individer per 118 ml dietkopp för att minska sjukdomsincidensen från överbeläggning och möjliggöra gott om utrymme för vuxna att så småningom stänga.
    3. Stanshål (tre per lock) i locken på uppfödningskopparna. Placera kopparna i plastbehållare i skokartongstorlek för uppfödning, med de olika dieterna insprängda för att undvika systematiska effekter av placering i uppfödningskammaren.
    4. Placera larvkopparna i klimatkammare vid 23 ° C på 14:10 fotoperioder (med vattenbehållare i botten av kammaren för att hålla luftfuktigheten runt 50% -60%, övervakad med en hemfuktighetssensor). I händelse av att kopparna blev mögliga (cirka åtta totala koppar i denna fallstudie), ta bort kopparna från kammaren och ta bort dessa individer från experimentet.
    5. Låt larverna förpuppas och dyka upp i uppfödningskopparna (N = 162 totalt).
      OBS: För uppfödningsförhållandena i denna studie var utvecklingstiden från äggsamling till vuxen uppkomst i genomsnitt cirka 25-30 dagar (från 20-40 dagar, t.ex. 25,28).
    6. När popparna närmar sig vuxen uppkomst, kontrollera kopparna dagligen för nyligen slutna individer och ta bort vuxna med torkade vingar. Märk de vuxna på bakvingarna med motsvarande individuella nummer (tilldelas vid larvöverföring) med en finspetsad svart sharpie. Bestäm varje individs kön och markera på ett glassinkuvert tillsammans med deras antal och uppkomstdatum. Lägg de vuxna fjärilarna i glassinkuvert och förvara vid -20 ° C tills vidare bearbetning.
      OBS: En liten del av nya vuxna visar vingdeformiteter som skulle störa flygning och vuxenöverlevnad (5% -8%); Dessa individer exkluderas från överlevnadsanalyser för dessa experiment.
  4. Mätning och dataanalys
    1. Mät överlevnaden som överlevnad från andra instar (när larverna placerades på diet) till vuxen uppkomst.
      OBS: Den aktuella studien fokuserade på överlevnad och utvecklingstid som mått på prestanda på de olika dieterna.
    2. Mät utvecklingstiden som antalet dagar mellan överföring till dieter och vuxen uppkomst i klimatkammaren.
    3. För dataanalys kör du två uppsättningar modeller som inkluderade interaktioner mellan metallen och koncentrationen.
      OBS: Eftersom båda interaktionerna var signifikanta (F 2194 = 4,56, p = 0,01 för utvecklingstid och X2 = 12,1, p = 0,002 för överlevnad), fortsatte studien med separat analys av varje metall.
    4. För att analysera överlevnad, kör chi-kvadrattester för varje metall för att testa effekterna av metalldos (behandlad som fyra kategorier) på överlevnad till vuxen ålder med vingarna helt intakta.
    5. När en signifikant effekt av dosen detekteras, utför en uppföljande chi-kvadrat för att jämföra varje nivå med kontrolldieten. För att analysera utvecklingstiden (från tidpunkten för överföring till uppkomst som vuxen), testa för effekter av kön på utvecklingstiden.
      OBS: Eftersom det inte fanns någon effekt av kön på utvecklingstiden, (p > 0,10) för någon metall i detta experiment, tappade vi det från övervägande i modellen.
    6. Kör en separat ANOVA för varje metall för att testa effekten av de fyra koncentrationerna på utvecklingstiden. Kör dessutom t-test för varje koncentration i förhållande till kontrollen för att bestämma den lägsta koncentration där en prestandaeffekt ses.
      OBS: I denna studie användes JMP v16 för alla analyser. All rådata finns tillgänglig på Mendeley61.

Representative Results

Överblick
Konstgjord diet kan användas för att höja kålvita fjärilar under standardförhållanden för att testa effekterna av vissa dietingredienser på fjärilsprestanda. I det aktuella arbetet användes konstgjorda dieter för att studera toxiciteten hos olika metaller som finns i värdväxter som växer i förorenade områden (figur 1). Larver uppföddes på dieter som innehöll ökande koncentrationer av tre olika metaller (figur 2; specifika metodologiska detaljer presenteras i avsnitt 6 i protokollet). Fjärilens överlevnad och utveckling påverkades mer av koppar och zink och påverkades minst av nickel (figur 3 och figur 4), med en känslighet jämförbar med andra studier med fjärilar och malar uppfödda på konstgjorda dieter (figur 5).

Överlevnad
Fjärilslarver överfördes till konstgjorda dieter innehållande koppar, nickel, zink eller kontroll, där varje metalltyp varierade i koncentration på tre nivåer (tabell 3). En representativ bild av larver vid en ökande dos av toxin visas i figur 2. Det fanns ingen effekt av metallkoncentration på överlevnad för nickel, men det fanns en signifikant effekt för både koppar och zink (tabell 3 och figur 3). Post-hoc chi-kvadratjämförelser visade att zink visade en minskning av överlevnaden i förhållande till kontrolldieten vid endast den högsta nivån av zink (1,000 ppm, post-hoc jämförelse X12 = 8,41, p = 0,004; Figur 1). Koppar visade också en signifikant minskning av överlevnaden endast vid de högsta nivåerna som användes (500 ppm, X12 = 7,00, p = 0,008), även om det fanns en icke-signifikant fördelaktig ökning av överlevnaden vid de två lägsta nivåerna (50 ppm och 100 ppm; Figur 3).

Utvecklingstid
Det fanns en signifikant effekt av koppar- och zinkkoncentration på utvecklingstiden (tabell 4 och figur 4). När kopparkoncentrationen ökade ökade utvecklingstiden, med en signifikant avvikelse från kontrollen som började vid 50 ppm (p = 0,027; Figur 3). När zinkkoncentrationen ökade ökade utvecklingstiden, med en signifikant avvikelse från kontrollen som började vid 100 ppm (p = 0,03; Figur 4). Det fanns en trend att ökande nickel resulterade i längre utvecklingstider (p = 0,08; Tabell 4), och jämförelser av varje diet med kontrollen visade signifikanta effekter som började vid 100 ppm (p = 0,022; Figur 4).

Figure 1
Figur 1: Observerade nivåer av fokalmetaller i fjärilsvävnad och värdväxter. (Data från62.) Nivåer av koppar, nickel och zink visas för Pieris fjärilsvävnad (uppfödd på bok choy i labbet) och vildinsamlade senap (Bertorea sp.). Bilar anger nivåerna som ses i växtblad längs högtrafikerade vägar53. Halterna av metaller i konstgjorda dieter som används i denna studie rapporteras i tabell 1; Poäng representerar medel och felstaplar representerar standardfel. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: Bild av kålvita larver överförda samma dag till konstgjorda dieter med ökande koncentration av ett toxin. Denna bild visar larver från en dosresponsstudie (presenterad i 28 med torkat växtmaterial för den giftiga växten Aristolochia). Foto av ESR. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Variation i överlevnad mellan metalldieter med ökande koncentrationer. Asterisker indikerar signifikant avvikelse i överlevnad i förhållande till kontrolldieten. De exakta metallkoncentrationerna i dieterna anges i tabell 2. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Effekter av metallkoncentration på utvecklingstid. Asteriskerna indikerar den lägsta metallkoncentrationen för vilken det finns en signifikant skillnad i förhållande till kontrollen (med hjälp av ett t-test). De exakta metallkoncentrationerna i dieterna anges i tabell 2. Poäng representerar medel och felstaplar representerar standardfel. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 5
Figur 5: Sammanfattning av metalltolerans i andra Lepidoptera. Här visas sammansatta överlevnadsdata från 11 befintliga studier: 49,50,51,56,63,64,65,66,67,68. Responsvariabeln är nivån (i ppm) av metallkoncentrationen där negativa effekter på överlevnad först ses. Fjärilar indikerar resultat från denna studie och noterar att toleransvärdena för nickel var högre än de som uppmättes i denna studie. Poäng representerar medel och felstaplar representerar standardfel. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Ingrediens Väg som g Ml
Vetegroddar Torra ingredienser 50
Cellulosa Torra ingredienser 10
Kålmjöl Torra ingredienser 15
Kasein Torra ingredienser 27
Sackaros Torra ingredienser 24
Wesson Salt Mix Torra ingredienser 9
Torula jäst Torra ingredienser 12
Kolesterol Torra ingredienser 3.6
Vitamin Mix Torra ingredienser 10.5
Metylparaben Torra ingredienser 0.75
Sorbinsyra Torra ingredienser 1.5
Askorbinsyra Torra ingredienser 3
Streptomycin Torra ingredienser 0.175
Linfröolja våta ingredienser 5
Agar agar 15

Tabell 1: Recept för konstgjord diet. Visas är vikterna (och volymerna) av ingredienser i en sats kålvit fjärildiet. De torra ingredienserna (och linfröolja) framställs separat från agarblandningen (upplöst i 400 ml kokande vatten och bringas sedan till en svalare temperatur med 400 ml rumstemperaturvatten).

Typ av diet Koppar (ppm) Nickel (ppm) Zink (ppm)
Koppar-"100 ppm" 96.1 1.75 69.9
Nickel-"100 ppm" 7.29 109.6 68.9
Zink-"100 ppm" 7.96 1.06 186.2
Zink-"500 ppm" 6.51 1.16 708
Kontroll 5.89 0.59 59.3

Tabell 2: Mått på metaller i dieter. Visade är de genomsnittliga nivåerna av koppar, nickel och zink i en delmängd av de konstgjorda dieter som användes i studien. Dietnamnet ("typ" i analysen) visas till vänster, med värden i citat som den beräknade nivån. Målkoncentrationen visas inom citattecken. En delmängd av dieter som användes i studien analyserades för att säkerställa att de beräknade värdena var i mål med realiserade värden; Det bör noteras att det ofta finns en viss grad av variation i sammansättningen av dietkomponenter, och varje rad som rapporteras representerar endast en replikat.

Metal Pearson X32 P
Koppar (n = 118) 17.82 0.0005
Nickel (n = 152) 3.45 0.33
Zink (n = 152) 12.52 0.006

Tabell 3: Effekter av metallkoncentration på överlevnad. Visas är resultaten av ett chi-kvadrattest för varje metall, kontrasterande tre koncentrationer av metall i förhållande till en kontrolldiet.

Metall F P
Koppar (n = 61) F3,57 = 9,84 <0,0001
Nickel (n = 75) F3,71 = 2,35 0.079
Zink (n = 64) F3,60= 3,79 0.015

Tabell 4: Effekter av metallkoncentration på utvecklingstid. Visade är resultaten av enskilda ANOVA för varje metall.

Tillgänglighet för data:

Alla data finns tillgängliga på Mendeley61.

Discussion

I denna forskning höjdes kålvita fjärilar (Pieris rapae) på en konstgjord diet för att undersöka skillnader i tungmetalltoxicitet. På så sätt ger denna studie allmänna metoder för uppfödning och laboratoriestudier av detta lättmanipulerade fjärilssystem. Denna diskussion behandlar först mer allmänna frågor om de metoder som granskas här, sedan granskar våra vetenskapliga resultat innan de avslutas med reflektioner om komponenterna i den konstgjorda kosten.

Protokollet som granskas här ger steg i en allmän uppfödningsmetod för kålvita fjärilar, men det finns många punkter inom detta protokoll som kan justeras. Till exempel, medan fallstudien som presenteras här använder svampar för utfodring, har andra forskare haft tur med tandvekar och silkeblommor fyllda med honungsvatten5. Medan den aktuella studien använder honungsvatten som mat har andra forskare använt sockerlösningar och till och med Gatorade. Om puppor behöver vägas eller flyttas till andra förhållanden för uppkomst (t.ex. inducerande diapaus och behov av kylförvaring i 1 månad) kan forskaren enkelt ta bort dem från kopparna genom att spruta dem med vatten för att fukta sina silkefästen och ta tag i dem med fjäderpincett och sedan hänga dem igen med dubbelhäftande tejp. Om forskare behöver mer flexibilitet när det gäller när vuxna fjärilar flyttas in i burar för vuxenbeteende, kan de hållas i kylskåpet i flera veckor, men de måste matas. Varje dag ska fjärilarna tas ut för att matas med en utspädd honungsvattenlösning. Under inomhusbelysning kan detta göras genom att använda en stift för att rulla ut sin proboscis i maten. I slutet av vuxenprestationen kan ett brett utbud av träningsåtgärder vidtas på kålvita fjärilar. Kroppsstorlek kan mätas som den våta eller torra massan av larver i vissa stadier, puppor eller vuxna (offrade eller hållna i glasinhöljen), eller genom mätning av vinglängd i programmet ImageJ (se 12,24,25,28). Honornas livstidsfruktsamhet kan mätas genom dagliga äggsamlingar på värdväxter 25,69,70, och storleken på specifika egenskaper kan mätas som ett mått på prestanda; Till exempel massan eller volymen i hjärnan eller enskilda hjärnregioner 62,71,72, eller massan eller proteininnehållet i bröstkorgen eller flygmuskeln 62,70. Slutligen kan vuxna användas i beteendestudier för att testa ett antal frågor som undersöker effekten av dietmanipulation på födosök eller ovipositionsval27,73.

Om uppfödningsprotokollet inte fungerar som förväntat finns det några aspekter att felsöka. Först kan man fråga sig om ljusnivåerna är tillräckligt höga för att framkalla normalt vuxenbeteende. Medan laboratorieanpassade linjer av Pieris kommer att lägga ägg under fluorescerande ljus, är det enda konstgjorda ljuset som fungerar för vildtypslinjer kraftfulla bredspektrum växthusljus. Naturligt ljus i växthus, fönsterbrädor eller utomhus fungerar bäst för att framkalla parning och äggläggningsbeteende. För det andra, om ägg inte kläcks eller om larver dör tidigt i utvecklingen, finns det några saker att tänka på. Värdväxtmaterialet måste vara organiskt och notera att "organiska" växter från butiker ibland behandlas med kemikalier som kan döda larver, så att höja sina egna värdväxter är ofta bäst. Om värdens acceptans är lägre kan yngre blad med högre kvävehalt försökas, presentera krukväxter istället för enskilda blad och se till att honor paras. Kvinnor accepterar sådd Brassica, även små groddar som är 2 veckors ålder. Paraffinmetoden fungerar bra för att överföra ägg till olika förhållanden, men det bör noteras att acceptansgraden tenderar att vara lägre än hela växter. För det tredje måste alla komponenter i kosten vara av hög kvalitet och inte löpt ut. Linfröolja bör bytas ut årligen och förvaras i kylen24,25. Vetegroddar, vitaminblandningen och antibiotika bör också hållas svala. För det fjärde kan man överväga att justera dietkoppinställningen. Valfritt antal engångsplastkopptyper kan användas för uppfödning, från 1 oz till 15 oz. Vi har funnit att 4 oz är en bra storlek för att möjliggöra vuxen uppkomst och packar snyggt in i våra klimatkammare. Hål i locken möjliggör luftflöde, men för många hål kan torka kosten vid låg luftfuktighet, så detta antal kan behöva justeras. För det femte kan förhållandena i klimatkammaren behöva justeras i kombination med koppförhållandena. Om förhållandena är för torra kan värdväxter med ägg torka ut innan larver kan överföras, och koppar med diet kan torka ut innan fjärilar dyker upp. Å andra sidan, om förhållandena är för våta, kan kopparna hysa mögel och sjukdom. Forskare kan behöva justera luftflödet i koppar genom att använda nätlock eller mer eller mindre hål i locken. En annan vanlig fråga är kammarlampor som är tillräckligt ljusa för att orsaka temperatursvängningar i kopparna och en uppbyggnad av kondens; Att använda dimmerljus är ett enkelt alternativ för larvuppfödning.

När det gäller forskningsfrågorna i denna uppsats fann denna studie att kålvita var relativt känsligare för koppar än för nickel eller zink. Koppar hade betydande negativa effekter på utvecklingstiden vid koncentrationer så låga som 50 ppm (figur 3 och tabell 3) och på överlevnad vid 500 ppm (figur 4, tabell 4). Däremot fanns det inga negativa effekter av nickel på överlevnad (upp till 500 ppm; Figur 3) eller negativa effekter på utvecklingstiden vid 100 ppm (figur 4). Kålvita var ganska toleranta mot zink, med överlevnadseffekter endast vid 1,000 ppm (Figur 3) och negativa effekter på utvecklingstiden som börjar vid 100 ppm (Figur 4). Baserat på de relativt större koncentrationerna av zink i fjärilsvävnad och senap (deras värdväxt; Figur 1) förväntades en relativt större tolerans mot zink ses. Känsligheten för koppar och toleransen för nickel var dock något oväntade med tanke på de mycket låga nivåerna av nickel i fjärilsvävnad (figur 1) och nödvändigheten av koppar som mikronäringsämne. Dessa oväntade fynd diskuteras nedan efter att ha beaktat toleransen för dessa metaller i andra fjärilar och malar.

För att jämföra nuvarande data med metallkänslighet uppmätt i andra Lepidoptera sammanställdes data från befintliga studier om minimikoncentrationen, där tungmetaller påverkade överlevnaden negativt 49,50,51,56,63,64,65,66,67,68; dessa studier fokuserade på malar, särskilt skadedjursarter (Galleria mellonella, Lymantria dispar, Plutella xylostella, Spodoptera sp.). Alla uppmätta känslighetsvärden i denna studie ligger nära det intervall som uppmätts för dessa andra arter (figur 5). Måttet på nickeltolerans i denna studie verkar dock vara högre än förväntat - medan det inte fanns någon signifikant effekt av överlevnad vid 500 ppm, fann den tidigare studien på Pieris rapae också en mycket hög tolerans för nickel (signifikanta effekter som börjar vid 1,000 ppm56), trots låga nivåer i deras vävnad naturligt (Figur 1). Måttet på kopparkänslighet i denna studie verkar också vara i den låga änden för studier av Lepidoptera. Medan användningen av en konstgjord diet möjliggör en bekväm och kontrollerad jämförelse av relativ metallkänslighet är det viktigt att notera att komponenter i kosten kan förändra mätningen av absolut metallkänslighet. Till exempel kan C-vitamin i kosten kompensera metallinducerad oxidativ stress74, eller antibiotika i kosten kan förändra eventuella effekter av mikrober på bearbetning av metaller75. En intressant linje för framtida forskning skulle vara att systematiskt manipulera sådana dietkomponenter för att testa effekter på metalltoxicitet, särskilt med tanke på frågor om den funktionella rollen av lepidopteran tarmmikrober 76,77 och nektarkomponenter som kan ha antioxidantegenskaper78. Dessutom kan variationer i kostbehov mellan arter göra interspecifika jämförelser utmanande, och artificiella dietbaserade metoder bör kompletteras med manipulation av värdväxter.

Dessa fjärilar är särskilt toleranta mot nickel och känsliga för koppar. Tidigare forskning har noterat att många växter i senapsfamiljen, som inkluderar växter som gynnas av Pieridae, hyperackumulerar nickel som en defensiv mekanism mot växtätare 55,56,63,79,80,81. Denna hyperackumulering är över 1,000 ppm i växtvävnad, vilket är storleksordningar större än vad som ses i de flesta växter (figur 1). Det är möjligt att Pieris har en särskilt hög tolerans för nickel på grund av tidigare selektion av sådana nickelackumulatorer, som tidigare spekulerats26. Medan koppar har studerats mindre ofta som ett mikronäringsämne i insektsdieter, finns det vissa bevis för att det spelar en liten roll i reproduktion och immunitet, men främst hos blodmatande insekter (t.ex. 82,83). Det är möjligt att koppar spelar en mindre viktig fysiologisk roll i fjärilar än hos andra djur 84,85,86, i överensstämmelse med det senaste arbetet som belyser hur koppar kan vara lika oroande för ett förorenande ämne för insekter som bly, kadmium och kvicksilver (t.ex. 87,88,89). Medan Pieris har visat sig undvika kopparförorening vid låga nivåer90, har rörligheten för koppar i växter (t.ex. flyttar in i löv och blommor) också flaggat det som en metallförorening av oro91.

Medan dessa resultat ger intressanta data om den relativa toxiciteten hos dessa metaller för kålvita fjärilar, syftar detta dokument också till att vara av allmänt bruk som en detaljerad visuell illustration av metoder för uppfödning av detta kraftfulla system. Kålvita är lätta att baka och manipulera i kontrollerade laboratorieexperiment 4,5 underlätta studier av värdsökning 6,7,8, födosök9,10,11 och sexuellt urval12,13,14. Förmågan att föda upp dessa fjärilar på en konstgjord diet är nyckeln till att skapa gemensamma trädgårdsförhållanden för jämförelser och att manipulera näringsämnen, toxiner och till och med nya värdväxter. Det är dock viktigt att notera att denna konstgjorda diet inte nödvändigtvis är den optimala konstgjorda kosten för denna art, och kan sannolikt förbättras med framtida manipulationer. Till exempel utvecklades saltblandningen i denna diet (och andra lepidopterandieter) ursprungligen för ryggradsdjur och har högre kalciumnivåer än vad de flesta insekter behöver92,93. Således har några av våra uppfödningsinsatser gjort anpassade saltblandningar med lägre kalciumnivåer (t.ex. 62), och andra använder "Becks saltblandning", vilket kan vara mer lämpligt för många insektsarter94. I våra egna manipulationer fann vi också att fjärilar presterade bättre med relativt mindre vetegroddar och relativt mer cellulosa jämfört med ursprungliga koncentrationer4. Ett område som behöver ytterligare uppmärksamhet är lipidkällan och koncentrationen i kosten. Till exempel har tidigare arbete visat att övergången från linolja (används i denna studie) till fosfolipider ökade parningshastigheten och tillväxthastigheten för Pieris på konstgjorda dieter95. Tillskott av specifika fettsyror i konstgjorda dieter kan ha ytterligare positiva effekter96,97. Optimering av den artificiella kosten för Pieris98,99 skapar möjligheter att ta itu med intressanta frågor om näringsekologi 100,101,102, evolutionär ekologi och ekotoxikologi. Dessa konstgjorda dietmetoder gör det möjligt för forskare att ta itu med frågor om specifika lipiders roll i kognitiv evolution 103, föranpassning till toxiner28, kostkomponenter som minskar toxiciteten hos föroreningar 104 eller stökiometriska interaktioner mellan näringsämnen105.

Disclosures

Författarna har inga intressekonflikter att deklarera.

Acknowledgments

Vi är tacksamma för stödet från assistenter under uppfödningen för detta arbete, särskilt Regina Kurandina och Rhea Smykalski. Carolyn Kalinowski hjälpte till att sammanställa litteratur om metalltoxicitet i andra Lepidoptera. Detta arbete möjliggjordes av ett sommarforskningsbidrag från University of Minnesota Department of Ecology, Evolution and Behavior.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1-L Pyrex beaker Fisher Scientific 07-250-059
500 mL graduated cylinder Fisher Scientific 03-007-43
60-mm plastic petri dish lid Fisher Scientific 08-757-100B
Ascorbic Acid Frontier 6015
Blender Amazon - Ninja Store BL610 Professional
Cabbage Flour Frontier 1086
Casein Frontier 1100
Celluose Frontier 3425
Cholsterol Sigma C3045
Cups for rearing (4 oz) Wasserstrom 6094583 purchase with matching lids
Fine Mesh Agar Sigma
Flaxseed Oil amazon B004R63VI6
Floral water tubes, 2.8 x 0.8inch Amazon - Yimaa Direct B08BZ969DK
Glassine envelopes (1 3/4 x 2 7/8 INCHES) Amazon - Wizard Coin Supply B0045FG90G
Mesh Cages (15.7 x 15.7 x 23.6") Amazon B07SK6P94S
Methyl Paraben Frontier 7685
Ohaus Portable Scale Fisher Scientific 02-112-228
Organic Honey Amazon B07DHQQFGM
Photo studio portable lightbox Amazon B07T6TNYJ1
Plastic bin, shoebox size Amazon B09L3B3V1R
Plastic disposable transfer pipets Fisher Scientific 13-680-50
Sorbic Acid Sigma S1626
Spatulas Fisher Scientific 14-357Q
Streptomycin Sigma S9137
Sucrose Target
Torula Yeast Frontier 1720
Vanderzant vitamin mix Frontier F8045
Weigh boats Fisher Scientific 01-549-750
Wesson Salt Mix Frontier F8680
Wheat Germ Frontier G1659
Wooden handled butterfly net, 12" hoop Amazon - Educational Science B00O5JDLVC
Yellow sponges Amazon-Celox B0B8HTHY5B

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Snyder, L. D., Gomez, M. I., Mudrak, E. L., Power, A. G. Landscape-dependent effects of varietal mixtures on insect pest control and implications for farmer profits. Ecological Applications. 31 (2), 2246 (2021).
  2. Shelton, A., Andaloro, J. T., Barnards, J. Effects of cabbage looper, imported cabbageworm, and diamondback moth on fresh market and processing cabbage. Journal of Economic Entomology. 75 (4), 742-745 (1982).
  3. Cartea, M. E., Padilla, G., Vilar, M., Velasco, P. Incidence of the major Brassica pests in northwestern Spain. Journal of Economic Entomology. 102 (2), 767-773 (2009).
  4. Troetschler, R. G., Malone, C. M., Bucago, E. R., Johnston, M. R. System for rearing Pieris rapae (Lepidoptera: Pieridae) on a noncruciferous artificial diet developed for Manduca sexta (Lepidoptera: Sphingidae). Journal of Economic Entomology. 78 (6), 1521-1523 (1985).
  5. Webb, S., Shelton, A. Laboratory rearing of the imported cabbageworm. New Yorks Food and Life Sciences Bulletin. 122, 1-6 (1988).
  6. Root, R. B., Kareiva, P. M. The search for resources by cabbage butterflies (Pieris rapae): ecological consequences and adaptive significance of Markovian movements in a patchy environment. Ecology. 65 (1), 147-165 (1984).
  7. Hern, A., Edwards-Jones, G., McKinlay, R. G. A review of the pre-oviposition behaviour of the small cabbage white butterfly, Pieris rapae (Lepidoptera: Pieridae). Annals of Applied Biology. 128 (2), 349-371 (1996).
  8. Renwick, J. A. A., Radke, C. D. Sensory cues in host selection for oviposition by the cabbage butterfly, Pieris-Rapae. Journal of Insect Physiology. 34 (3), 251-257 (1988).
  9. Lewis, A. C. Memory constraints and flower choice in Pieris rapae. Science. 232 (4752), 863-865 (1986).
  10. Kandori, I., Ohsaki, N. The learning abilities of the white cabbage butterfly, Pieris rapae, foraging for flowers. Researches on Population Ecology. 38, 111-117 (1996).
  11. Alm, J., Ohmeiss, T. E., Lanza, J., Vriesenga, L. Preference of cabbage white butterflies and honey-bees for nectar that contains amino-acids. Oecologia. 84 (1), 53-57 (1990).
  12. Espeset, A., et al. Anthropogenic increases in nutrients alter sexual selection dynamics: a case study in butterflies. Behavioral Ecology. 30 (3), 598-608 (2019).
  13. Tigreros, N. Linking nutrition and sexual selection across life stages in a model butterfly system. Functional Ecology. 27 (1), 145-154 (2013).
  14. Morehouse, N. I., Rutowski, R. L. In the eyes of the beholders: female choice and avian predation risk associated with an exaggerated male butterfly color. American Naturalist. 176 (6), 768-784 (2010).
  15. Stoehr, A. M., Goux, H. Seasonal phenotypic plasticity of wing melanisation in the cabbage white butterfly, Pieris rapae L. (Lepidoptera: Pieridae). Ecological Entomology. 33 (1), 137-143 (2008).
  16. Stoehr, A. M., Walker, J. F., Monteiro, A. Spalt expression and the development of melanic color patterns in pierid butterflies. Evodevo. 4 (1), 6 (2013).
  17. Stoehr, A. M., Wojan, E. M. Multiple cues influence multiple traits in the phenotypically plastic melanization of the cabbage white butterfly. Oecologia. 182 (3), 691-701 (2016).
  18. Ryan, S. F., et al. Global invasion history of the agricultural pest butterfly Pieris rapae revealed with genomics and citizen science. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (40), 20015-20024 (2019).
  19. Snell-Rood, E. C., Papaj, D. R. Patterns of phenotypic plasticity in common and rare environments: a study of host use and color learning in the cabbage white butterfly Pieris rapae. American Naturalist. 173 (5), 615-631 (2009).
  20. Kono, Y. Rearing Pieris rapae crucivora Boisduval (Lepidoptera: Pieridae) on artificial diets. Applied Entomology and Zoology. 3 (2), 96-98 (1968).
  21. Parra, J. R. The Evolution of Artificial Diets and their Interactions in Science and Technology. Insect Bioecology and Nutrition for Integrated Pest Management. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2012).
  22. Morehouse, N. I., Rutowski, R. L. Developmental responses to variable diet composition in a butterfly: the role of nitrogen, carbohydrates and genotype. Oikos. 119 (4), 636-645 (2010).
  23. Rotem, K., Agrawal, A. A., Kott, L. Parental effects in Pieris rapae in response to variation in food quality: adaptive plasticity across generations. Ecological Entomology. 28 (2), 211-218 (2003).
  24. Shephard, A. M., et al. Assessing zinc tolerance in two butterfly species: consequences for conservation in polluted environments. Insect Conservation and Diversity. 13 (2), 201-210 (2020).
  25. Shephard, A. M., Zambre, A. M., Snell-Rood, E. C. Evaluating costs of heavy metal tolerance in a widely distributed, invasive butterfly. Evolutionary Applications. 14 (5), 1390-1402 (2021).
  26. Kobiela, M. E., Snell-Rood, E. C. Nickel exposure has complex transgenerational effects in a butterfly. Integrative and Comparative Biology. 58 (5), 1008-1017 (2018).
  27. Philips, K. H., Kobiela, M. E., Snell-Rood, E. C. Developmental lead exposure has mixed effects on butterfly cognitive processes. Animal Cognition. 20 (1), 87-96 (2017).
  28. Sikkink, K. L., et al. Tolerance of novel toxins through generalized mechanism simulating gradual host shifts of butterflies. American Naturalist. 195 (3), 485-503 (2020).
  29. Pentzold, S., et al. excretion and avoidance of cyanogenic glucosides in insects with different feeding specialisations. Insect Biochemistry and Molecular Biology. 66, 119-128 (2015).
  30. Lampert, E. C., Dyer, L. A., Bowers, M. D. Dietary specialization and the effects of plant species on potential multitrophic interactions of three species of nymphaline caterpillars. Entomologia Experimentalis et Applicata. 153 (3), 207-216 (2014).
  31. Genc, H., Nation, J. L. An artificial diet for the butterfly Phyciodes phaon (Lepidoptera: Nymphalidae). Florida Entomologist. 87 (2), 194-198 (2004).
  32. Brinton, F., Proverbs, M., Carty, B. Artificial diet for mass production of the codling moth, Carpocapsa Pomonella (Lepidoptera: Olethreutidae)1. The Canadian Entomologist. 101 (6), 577-584 (1969).
  33. Metwally, H. M., et al. Low cost artificial diet for rearing the greater wax moth, Galleria mellonella L. (Lepidoptera: Pyralidae) as a host for entomopathogenic nematodes. Egyptian Journal of Biological Pest Control. 22 (1), 15 (2012).
  34. Carpenter, J. E., Bloem, S. Interaction between insect strain and artificial diet in diamondback moth development and reproduction. Entomologia Experimentalis et Applicata. 102 (3), 283-294 (2002).
  35. Jaiswal, A., Verma, A., Jaiswal, P. Detrimental effects of heavy metals in soil, plants, and aquatic ecosystems and in humans. Journal of Environmental Pathology Toxicology and Oncology. 37 (3), 183-197 (2018).
  36. Kumar, A., et al. Lead toxicity: Health hazards, influence on food chain, and sustainable remediation approaches. International Journal of Environmental Research and Public Health. 17 (7), 2179 (2020).
  37. Gall, J. E., Boyd, R. S., Rajakaruna, N. Transfer of heavy metals through terrestrial food webs: a review. Environmental Monitoring and Assessment. 187, 201 (2015).
  38. Mohammed, A. S., Kapri, A., Goel, R. Heavy Metal Pollution: Source, Impact, and Remedies. Biomanagement of Metal-Contaminated Soils. , Springer. 1-28 (2011).
  39. Mitra, A., Chatterjee, S., Voronina, A. V., Walther, C., Gupta, D. K. Lead toxicity in plants: a review. Lead in Plants and the Environment. , Springer. 99-116 (2020).
  40. Perugini, M., et al. Heavy metal (Hg, Cr, Cd, and Pb) contamination in urban areas and wildlife reserves: Honeybees as bioindicators. Biological Trace Element Research. 140 (2), 170-176 (2011).
  41. Rycewicz-Borecki, M., McLean, J. E., Dupont, R. R. Bioaccumulation of copper, lead, and zinc in six macrophyte species grown in simulated stormwater bioretention systems. Journal of Environmental Management. 166, 267-275 (2016).
  42. Zulfiqar, U., et al. Lead toxicity in plants: Impacts and remediation. Journal of Environmental Management. 250, 109557 (2019).
  43. Spliethoff, H. M., et al. Estimated lead (Pb) exposures for a population of urban community gardeners. Environmental Geochemistry and Health. 38, 955-971 (2016).
  44. Li, C. C., et al. Foliar dust as a reliable environmental monitor of heavy metal pollution in comparison to plant leaves and soil in urban areas. Chemosphere. 287, 132341 (2022).
  45. Ram, S. S., et al. Plant canopies: bio-monitor and trap for re-suspended dust particulates contaminated with heavy metals. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 19, 499-508 (2014).
  46. Karri, V., Schuhmacher, M., Kumar, V. Heavy metals (Pb, Cd, As and MeHg) as risk factors for cognitive dysfunction: A general review of metal mixture mechanism in brain. Environmental Toxicology and Pharmacology. 48, 203-213 (2016).
  47. Tong, S., von Schirnding, Y. E., Prapamontol, T. Environmental lead exposure: a public health problem of global dimensions. Bulletin of the World Health Organization. 78 (9), 1068-1077 (2000).
  48. Liu, J. H., Lewis, G. Environmental toxicity and poor cognitive outcomes in children and adults. Journal of Environmental Health. 76 (6), 130-138 (2014).
  49. Gintenreiter, S., Ortel, J., Nopp, H. J. Effects of different dietary levels of cadmium, lead, copper, and zinc on the vitality of the forest pest insect Lymantria-Dispar L (Lymantriidae, Lepid). Archives of Environmental Contamination and Toxicology. 25, 62-66 (1993).
  50. Cheruiyot, D. J., Boyd, R. S., Moar, W. Testing the joint effects hypothesis of elemental defense using Spodoptera exigua. Journal of Chemical Ecology. 41 (2), 168-177 (2015).
  51. Coleman, C. M., Boyd, R. S., Eubanks, M. D. Extending the elemental defense hypothesis: Dietary metal concentrations below hyperaccumulator levels could harm herbivores. Journal of Chemical Ecology. 31 (8), 1669-1681 (2005).
  52. Kaushal, S. S., et al. Making 'chemical cocktails'-Evolution of urban geochemical processes across the periodic table of elements. Applied Geochemistry. 119, 104632 (2020).
  53. Shephard, A. M., et al. Traffic patterns, more than adjacent land use, influence element content of roadside forbs for insect pollinators. Ecological Solutions and Evidence. 3 (4), 12195 (2022).
  54. Scott, J. A. The Butterflies of North America: A Natural History and Field Guide. , Stanford University Press. (1992).
  55. Boyd, R. S. High-nickel insects and nickel hyperaccumulator plants: A review. Insect Science. 16 (1), 19-31 (2009).
  56. Boyd, R. S., Martens, S. N. Nickel hyperaccumulated by thlaspi-montanum var montanum is acutely toxic to an insect herbivore. Oikos. 70 (1), 21-25 (1994).
  57. Cempel, M., Nickel, G. A review of its sources and environmental toxicology. Polish Journal of Environmental Studies. 15 (3), 375-382 (2006).
  58. Aslam, J., Khan, S. A., Khan, S. H. Heavy metals contamination in roadside soil near different traffic signals in Dubai, United Arab Emirates. Journal of Saudi Chemical Society. 17 (3), 315-319 (2013).
  59. Mitchell, T. S., et al. Traffic influences nutritional quality of roadside plants for monarch caterpillars. Science of the Total Environment. 724, 138045 (2020).
  60. Voegborlo, R., Chirgawi, M. Heavy metals accumulation in roadside soil and vegetation along a major highway in Libya. Journal of Science and Technology. 27 (3), 86-97 (2007).
  61. Snell-Rood, E., Kobiela, M. Data for: Rearing the Cabbage White Butterfly (Pieris rapae) in Controlled Conditions: A Case Study with Heavy Metal Tolerance. , Mendeley Data. (2023).
  62. Snell-Rood, E. C., Espeset, A., Boser, C. J., White, W. A., Smykalski, R. Anthropogenic changes in sodium affect neural and muscle development in butterflies. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (28), 10221-10226 (2014).
  63. Boyd, R. S., Moar, W. J. The defensive function of Ni in plants: response of the polyphagous herbivore Spodoptera exigua (Lepidoptera: Noctuidae) to hyperaccumulator and accumulator species of Streptanthus (Brassicaceae). Oecologia. 118 (2), 218-224 (1999).
  64. Cheruiyot, D. J., Boyd, R. S., Moar, W. J. Exploring lower limits of plant elemental defense by cobalt, copper, nickel, and zinc. Journal of Chemical Ecology. 39 (5), 666-674 (2013).
  65. Davis, M. A., Boyd, R. S., Cane, J. H. Host-switching does not circumvent the Ni-based defence of the Ni hyperaccumulator Streptanthus polygaloides (Brassicaceae). South African Journal of Science. 97 (11-12), 554-557 (2001).
  66. Dubovskiy, I. M., Grizanova, E. V., Ershova, N. S., Rantala, M. J., Glupov, V. V. The effects of dietary nickel on the detoxification enzymes, innate immunity and resistance to the fungus Beauveria bassiana in the larvae of the greater wax moth Galleria mellonella. Chemosphere. 85 (1), 92-96 (2011).
  67. Jhee, E. M., Boyd, R. S., Eubanks, M. D. Nickel hyperaccumulation as an elemental defense of Streptanthus polygaloides (Brassicaceae): influence of herbivore feeding mode. New Phytologist. 168 (2), 331-343 (2005).
  68. Zhou, J. L., Shu, Y. H., Zhang, G. R., Zhou, Q. Lead exposure improves the tolerance of Spodoptera litura (Lepidoptera: Noctuidae) to cypermethrin. Chemosphere. 88 (4), 507-513 (2012).
  69. Snell-Rood, E. C., Davidowitz, G., Papaj, D. R. Reproductive tradeoffs of learning in a butterfly. Behavioral Ecology. 22 (2), 291-302 (2011).
  70. Snell-Rood, E. C., Davidowitz, G., Papaj, D. R. Plasticity in learning causes immediate and trans-generational changes in allocation of resources. Integrative and Comparative Biology. 53 (2), 329-339 (2013).
  71. Snell-Rood, E. C., Papaj, D. R., Brain Gronenberg, W. size: A global or induced cost of learning. Brain Behavior and Evolution. 73 (2), 111-128 (2009).
  72. Snell-Rood, E. C., et al. Nutritional constraints on brain evolution: Sodium and nitrogen limit brain size. Evolution. 74 (10), 2304-2319 (2020).
  73. Jaumann, S., Snell-Rood, E. C. Adult nutritional stress decreases oviposition choosiness and fecundity in female butterflies. Behavioral Ecology. 30 (3), 852-863 (2019).
  74. Sahiti, H., Bislimi, K., Bajgora, A., Rexhepi, A., Dalo, E. Protective effect of vitamin C against oxidative stress in common carp (Cyprinus carpio) induced by heavy metals. International Journal of Agriculture and Biosciences. 7 (2), 71-75 (2018).
  75. Rothman, J. A., Leger, L., Graystock, P., Russell, K., McFrederick, Q. S. The bumble bee microbiome increases survival of bees exposed to selenate toxicity. Environmental Microbiology. 21 (9), 3417-3429 (2019).
  76. Hammer, T. J., Janzen, D. H., Hallwachs, W., Jaffe, S. P., Fierer, N. Caterpillars lack a resident gut microbiome. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (36), 9641-9646 (2017).
  77. Hammer, T. J., Sanders, J. G., Fierer, N. Not all animals need a microbiome. FEMS Microbiology Letters. 366 (10), (2019).
  78. Baker, H. G., Baker, I. Coevolution of Animals and Plants. , University of Texas Press. 100-140 (1975).
  79. Boyd, R. S., Davis, M. A., Wall, M. A., Balkwill, K. Metal concentrations of insects associated with the South African Ni hyperaccumulator Berkheya coddii (Asteraceae). Insect Science. 13 (2), 85-102 (2006).
  80. Boyd, R. S., Wall, M. A., Jaffre, T. Nickel levels in arthropods associated with Ni hyperaccumulator plants from an ultramafic site in New Caledonia. Insect Science. 13 (4), 271-277 (2006).
  81. Kramer, U. Metal hyperaccumulation in plants. Annual Review of Plant Biology. 61, 517-534 (2010).
  82. Cardoso-Jaime, V., Broderick, N. A., Maya-Maldonado, K. Metal ions in insect reproduction: a crosstalk between reproductive physiology and immunity. Current Opinion in Insect Science. 52, 100924 (2022).
  83. Rivera-Perez, C., Clifton, M. E., Noriega, F. G. How micronutrients influence the physiology of mosquitoes. Current Opinion in Insect Science. 23, 112-117 (2017).
  84. Lee, J. H. Micronutrient deficiency syndrome: zinc, copper and selenium. Pediatric Gastroenterology, Hepatology & Nutrition. 15 (3), 145-150 (2012).
  85. Nube, M., Voortman, R. L. Human micronutrient deficiencies: linkages with micronutrient deficiencies in soils, crops and animal nutrition. Combating Micronutrient Deficiencies: Food-Based Approaches. , CABI International. Wallingford, UK. 289-311 (2011).
  86. Wysocka, D., Snarska, A., Sobiech, P. Copper-An essential micronutrient for calves and adult cattle. Journal of Elementology. 24 (1), 101-110 (2019).
  87. Oliveira, C. S., et al. Toxic metals that interact with thiol groups and alteration in insect behavior. Current Opinion in Insect Science. 52, 100923 (2022).
  88. Mogren, C. L., Trumble, J. T. The impacts of metals and metalloids on insect behavior. Entomologia Experimentalis et Applicata. 135 (1), 1-17 (2010).
  89. Hladun, K. R., Di, N., Liu, T. X., Trumble, J. T. Metal contaminant accumulation in the hive: Consequences for whole-colony health and brood production in the honey bee (Apis mellifera L.). Environmental Toxicology and Chemistry. 35 (2), 322-329 (2016).
  90. Elbassiouny, S. A. Changes in food-related behavioral-patterns of some phytophagous insect species following exposures to an antifeedant. Acta Phytopathologica et Entomologica Hungarica. 26 (3-4), 483-496 (1991).
  91. Hladun, K. R., Parker, D. R., Trumble, J. T. Cadmium, copper, and lead accumulation and bioconcentration in the vegetative and reproductive organs of Raphanus sativus: Implications for plant performance and pollination. Journal of Chemical Ecology. 41, 386-395 (2015).
  92. Nation, J., Robinson, F. Concentration of some major and trace elements in honeybees, royal jelly and pollens, determined by atomic absorption spectrophotometry. Journal of Apicultural Research. 10 (1), 35-43 (1971).
  93. Herbert Jr, E. W., Shimanuki, H. Mineral requirements for brood-rearing by honeybees fed a synthetic diet. Journal of Apicultural Research. 17 (3), 118-122 (1978).
  94. Beck, S. D., Chippendale, G., Swinton, D. Nutrition of the European corn borer, Ostrinia nubilalis. VI. A larval rearing medium without crude plant fractions. Annals of the Entomological Society of America. 61 (2), 459-462 (1968).
  95. Junnikkala, E. Rearing Pieris-Brassicae (L.) on a phospholipid and vitamin-supplemented semi-artificial diet. Annales Zoologici Fennici. 17 (1), 39-42 (1980).
  96. Hixson, S. M., et al. Long-chain omega-3 polyunsaturated fatty acids have developmental effects on the crop pest, the Cabbage White Butterfly Pieris rapae. PLoS One. 11 (3), e0152264 (2016).
  97. Turunen, S. Lipid utilization in adult Pieris brassicae with special reference to the role of linolenic acid. Journal of Insect Physiology. 20 (7), 1257-1269 (1974).
  98. Vanderzant, E. S. Development, significance, and application of artificial diets for insects. Annual Review of Entomology. 19, 139-160 (1974).
  99. Cohen, A. C. Insect Diets: Science and Technology. , CRC Press. (2003).
  100. Balluffi-Fry, J., Leroux, S. J., Champagne, E., Vander Wal, E. In defense of elemental currencies: can ecological stoichiometry stand as a framework for terrestrial herbivore nutritional ecology. Oecologia. 199 (1), 27-38 (2022).
  101. Coogan, S. C. P., Raubenheimer, D., Zantis, S. P., Machovsky-Capuska, G. E. Multidimensional nutritional ecology and urban birds. Ecosphere. 9 (4), 02177 (2018).
  102. Raubenheimer, D., Simpson, S. J., Mayntz, D. Nutrition, ecology and nutritional ecology: toward an integrated framework. Functional Ecology. 23 (1), 4-16 (2009).
  103. Arien, Y., Dag, A., Zarchin, S., Masci, T., Shafir, S. Omega-3 deficiency impairs honey bee learning. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (51), 15761-15766 (2015).
  104. Man, K. Y., et al. Use of biochar as feed supplements for animal farming. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 51 (2), 187-217 (2021).
  105. Shephard, A. M., Knudsen, K., Snell-Rood, E. C. Anthropogenic sodium influences butterfly responses to nitrogen-enriched resources: implications for the nitrogen limitation hypothesis. Oecologia. 201 (4), 941-952 (2023).

Tags

Biologi nummer 198
Uppfödning av kålvit fjäril (<em>Pieris rapae</em>) under kontrollerade förhållanden: En fallstudie med tungmetalltolerans
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Snell-Rood, E. C., Kobiela, M. E.… More

Snell-Rood, E. C., Kobiela, M. E. Rearing the Cabbage White Butterfly (Pieris rapae) in Controlled Conditions: A Case Study with Heavy Metal Tolerance. J. Vis. Exp. (198), e65383, doi:10.3791/65383 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter