Experimentelle Manipulation von Körpergröße zu morphologischen Scaling Relationships in Estimate Drosophila

Biology
 

Summary

Morphologische Skalierung Zusammenhänge erfassen und beschreiben organismal Form. Wir präsentieren eine Methode zur morphologischen Skalierung Beziehungen über das natürliche Verbreitungsgebiet der Körpergrößen in vollem Umfang metamorphen Insekten zu messen. Mit einer einfachen Diät Manipulation erhöhen wir die Verteilung der Zug Größen ermöglichen die genaue Beschreibung der Form und Größe co-variieren.

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Stillwell, R. C., Dworkin, I., Shingleton, A. W., Frankino, W. A. Experimental Manipulation of Body Size to Estimate Morphological Scaling Relationships in Drosophila. J. Vis. Exp. (56), e3162, doi:10.3791/3162 (2011).

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Abstract

Die Skalierung von Körperteilen ist ein zentrales Merkmal der tierischen Morphologie 1-7. Innerhalb der Arten und morphologischen Merkmale richtig, um den Körper für den Organismus zu funktionieren proportioniert müssen, größere Personen haben in der Regel größeren Körperteile und kleinere Individuen haben in der Regel kleineren Körperteilen, ist so dass sich insgesamt der Körperform einer ganzen Reihe von erwachsenen Körper Größen beibehalten. Die Forderung nach richtigen Proportionen bedeutet, dass Individuen innerhalb der Arten in der Regel eine geringe Variation der relativen Eigenschaft size. Im Gegensatz dazu relativ Merkmal Größe stark variieren zwischen den Arten und ist eine primäre Mechanismus, durch den morphologischen Vielfalt entsteht. Über ein Jahrhundert vergleichende Arbeit hat diese intra-und interspezifische Muster 3,4 etabliert.

Vielleicht ist die am weitesten verbreitete Ansatz dieser Variation zu beschreiben, ist die Skalierung Beziehung zwischen der Größe von zwei morphologischen Merkmale mit der allometrischen Gleichung berechnen y = bxα, wobei x und y sind die Größe der beiden Merkmale, wie Orgel und Körper Größe 8 , 9. Diese Gleichung beschreibt die innerhalb der Gruppe (zB Arten, Bevölkerung) Skalierung Beziehung zwischen zwei Eigenschaften, da beide in der Größe variieren. Log-Transformation dieser Gleichung ergibt sich eine einfache lineare Gleichung, log (y) = log (b) + αlog (x) und log-log Parzellen von der Größe der verschiedenen Merkmale von Individuen der gleichen Art in der Regel zeigen lineare Skalierung mit einem Intercept von log (b) und einer Neigung von α, die so genannte "allometrischen Koeffizient" 9,10. Morphologische Unterschiede zwischen den Gruppen ist durch Unterschiede in der Skalierung Beziehung fängt oder Hängen für ein bestimmtes Merkmal Paar beschrieben. Folglich Variation der Parameter der allometrischen Gleichung (b und α) elegant beschreibt die Form Veränderung der Beziehung zwischen Orgel und Körpergröße innerhalb und zwischen biologischen Gruppen (siehe 11,12) erfasst.

Nicht alle Züge linear mit einander oder mit der Körpergröße (zB 13,14) sind also morphologische Skalierung Beziehungen sehr informativ, wenn die Daten aus dem gesamten Spektrum von trait Größen getroffen werden. Hier beschreiben wir, wie einfach experimentelle Manipulation der Ernährung verwendet werden, um das gesamte Spektrum der Körpergröße bei Insekten produzieren. Dies erlaubt eine Abschätzung der vollen Skalierung Beziehung für einen bestimmten Paar von Merkmalen, so dass eine vollständige Beschreibung der Form covaries mit einer Größe und einer robusten Vergleich der Skalierung Beziehung Parameter unter biologischen Gruppen. Obwohl wir uns auf Drosophila, sollte unsere Methodik werden für nahezu alle voll metamorphen Insekten.

Protocol

1. Aufzucht und Manipulation von Diät, um Unterschiede in Körpergröße und Flügel Größe produzieren

Rational und Überblick. Der Ausdruck der Skalierung Beziehungen letztlich hängt die Entwicklung regulatorischen Prozesse, die Abweichungen zu produzieren in der letzten Orgel und Körpergröße. Diese Prozesse lassen sich am besten von der Arbeit aus ganz metamorphen (dh holometabolen) Insekten wie D. beschrieben melanogaster, wo Organe wachsen als undifferenzierte 'Imaginalscheiben "im grub-like Larve 11,15-17. In Drosophila, sind endgültig Orgel und Körpergröße durch das Wachstum während der Larvenstadien geregelt; Larven durch die ersten und zweiten Larvenstadium wachsen, bis sie eine minimale lebensfähige Gewicht für eclosion (MVW E) erreichen gegenüber dem Beginn des dritten Larvenstadium 18. Hunger vor Erreichen des MVW E verhindert Erwachsenen Schlüpfen. Allerdings erzeugen Larven, die bei MVW E verhungert sind lebensfähig Erwachsenen, wenn auch auf eine sehr kleine Größe. Dies liegt daran, Ernährung während der Entwicklung reduziert reduziert endgültigen Körper und Orgel Größe, nicht nur in Fliegen, sondern in fast allen Tieren 19-21. Durch die Manipulation Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln nach MVW E erreicht ist, aber vor der Verpuppung eintritt, ist es möglich, extreme phänotypische Plastizität in der Körpergröße, die sich stark überwiegt anderen Quellen der Variation (z. B. individuelle genetische Variation) zu induzieren.

  1. Die Eier werden von der Bevölkerung phänotypisiert werden gesammelt, eingeteilt in Partien von 50 und in Fläschchen mit 10ml von Standard-fly Essen. Da die Eiablage erfolgt kontinuierlich, sind Eier alle 24 Stunden für 3 Tage gesammelt und produziert drei Alterskohorten.
  2. Als die älteste Kohorte der wandernden Stufe erreicht oder hat gerade erst begonnen sich zu verpuppen, ist die Ernährung Manipulation angewendet. An diesem Punkt, der ältesten Kohorte weit über die MVW E ist, ist die jüngste Kohorte sehr nahe an den MVW E schließen und die verbleibenden Kohorte ist irgendwo zwischen diesen Extremen. So wird Abnehmen von an dieser Stelle sehr große Erwachsene aus der ältesten Kohorte zu produzieren, sehr kleine Erwachsene aus der jüngsten Kohorte und mittelgroßen Erwachsenen aus den verbleibenden Kohorte. Zum Entfernen der Larven aus dem Fläschchen, ca. 5 ml 40% Saccharose-Lösung ist es, alle Fläschchen aufgenommen. Um kostenlos den Larven, das Essen ist für 15-20 Minuten auf einem Schüttler Tabelle zu einer mittleren Geschwindigkeit bewegt.
  3. Schwimmende Larven sind aus der Saccharose-Lösung mit einer Geldstrafe (00) Pinsel, platziert in Fläschchen mit einem feuchten Wattebausch und erlaubte sich zu verpuppen entfernt. Alternativ könnte Larven auf einem unverdaulichen Lebensmittelzusatzstoff wie Methylcellulose 22 platziert werden.

2. Abschätzung der Körpergröße

Rational und Übersicht. Frühere Studien zeigen, dass Thorax Länge weniger als ideal Proxy für die gesamte Körpergröße 22 ist. Stattdessen verwenden wir Puppenstadium Größe als Maß für die Körpergröße. Maximale Körpergröße ist bei der Einstellung der Fütterung, die Verpuppung vorausgeht fixiert. Als Ergebnis gibt es eine enge Korrelation zwischen Puppenstadium Größe und erwachsenen Körper Größe 23.

  1. Puppen sind Bauchseite angeordnet auf Objektträger aus Glas und aufgenommen mit einer digitalen Kamera, die an einem Binokular. Jedes Bild wird erfasst, eine eindeutige Identifizierung Code und übertragen auf einem Computer über einen Live-Feed Anschließen der Digitalkamera an den Computer.
  2. Abgebildet Puppen sind auf die individuellen 2 ml epitubes enthält 1 ml essen fliegen, mit dem einzigartigen Code für die einzelnen markierten bewegt, und durchstach mit Luftlöchern, um den Gasaustausch zu ermöglichen.
  3. Puppenstadium Größe ist als die Anzahl der Pixel des Puppenstadium Silhouette geschätzt. Andere Größen Metriken können auch verwendet werden.

3. Trait (Flügel) Größenabschätzung

Rational und Übersicht. Um Bild-Flügel, verwenden wir ein "Flügel-Grabber" 24, die und zieht hält den Flügel eines leben, betäubt fliegen senkrecht zu ihrer Körper. Pressed zwischen zwei Glasscheiben, ermöglicht dies dem Flügel als ein zweidimensionales Objekt abgebildet werden.

  1. Fliegen sind betäubt leicht mit CO 2 und in Position gebracht in den Flügel-Grabber auf einem Binokular mit einer digitalen Kamera, die an einen Computer angeschlossen ist eingebaut.
  2. Der Flügel ist abgebildet und unter dem einzigartigen Code für die einzelnen gespeichert.
  3. Flügel Größe kann anhand der minimalen konvexen Polygon, das marginal festen Landmarken umschreibt oder als die Pixelzahl des Flügels Silhouette werden.

4. Scaling Beziehung Schätzung

  1. Die Daten werden über die Kohorten zusammengefasst, sondern getrennt nach Geschlecht und transformierten anmelden.
  2. Scaling Beziehungen sind, um die Größe von Daten mit Typ II (dh reduzierte Hauptachse) Regression (siehe eine Übersicht in 12) und die Parameter für jede Gruppe geschätzt fit.

5. Repräsentative Ergebnisse:

Zelt "> Unsere Ernährung Manipulation produziert ein breites Spektrum an Körpergrößen (Abbildung 1) und Trait Größen (Abbildung 2). Trägt man die Log-transformierten Merkmale gegeneinander verrät ihre Muster von Kovariation innerhalb einer bestimmten biologischen Gruppe und ermöglicht Montage der Skalierung Beziehung der Gruppe (Abbildung 3). Extraktion der Skalierung Beziehung Parameter, die beschreiben, wie Form Waagen mit Körpergröße ermöglicht den Vergleich, wie Form covaries mit einer Größe zwischen den Gruppen.

Abbildung 1
Abbildung 1. Pupa von Extremen der Größenverteilung über Ernährung Manipulation hergestellt nach Personen erreichen die MVW E. Actual Puppenstadium Bilder sind auf der linken Seite mit den entsprechenden Silhouetten für die Messung von Puppenstadium Größe auf der rechten Seite angezeigt. Skala bar beträgt 1mm.

Abbildung 2
Abbildung 2. Flügel von den Extremen des Körpers Größenverteilung über Ernährung Manipulation hergestellt wurde, nach Personen zu erreichen die MVW E. Actual Flügel Bilder sind auf der linken Seite mit den entsprechenden Silhouetten für die Messung der Flügel Größe auf der rechten Seite gezeigten. Skala bar beträgt 1mm.

Abbildung 3
Abbildung 3. Wing-Körpergröße-Skalierung für Drosophila melanogaster nach Geschlecht. Transformierten Login-Daten für Einzelpersonen beiderlei Geschlechts, die voll-fed (dunkle Kreise), verhungert ein (graue Kreise) oder zwei Tage (offene Kreise) als Larven wurden. Typ II Regressionsgerade ist für jedes Geschlecht dargestellt. Zwischen jeder Altersgruppe, Rückgang der durchschnittlichen Flügelfläche von ~ 0,1 mm (~ 7%) und ~ 0,2 mm (~ 8%) auf, die Erhöhung der Gesamtreichweite von Phänotypen beobachtet. Die Regressionen zeigen, dass Frauen etwas hypoallometric für diese Skalierung Beziehung (Steigung 0,96) sind, während Männer etwas hyperallometric (Steigung 1,06) sind.

Discussion

Morphologische Skalierung ist Gegenstand intensiver Untersuchungen in der Evolutionsbiologie seit fast einem Jahrhundert. In jüngerer Zeit hat die unmittelbare Grundlage der Regulation des Wachstums und Skalierung zunehmend an Bedeutung in der Entwicklung, Physiologie und Genetik (siehe zB Beiträge in 12,15,23-25). Unsere Methodik ermöglicht Abschätzung der morphologischen Skalierung Beziehungen über das gesamte Spektrum der Zug-und Körpergrößen. Dies kann wichtig sein, wie trait Größe kann nicht linear mit der Körpergröße (zB 13,14). Dies kann jedoch nicht sichtbar sein, wenn die Tiere nur unter idealen Laborbedingungen aufgezogen werden.

Obwohl unser Protokoll wurde ausdrücklich Schätzung der Flügel-Körper-Größe Skalierung Beziehung in Drosophila erlauben entwickelt, kann es mit Trait-spezifische Modifikation verwendet werden, um die Skalierung Beziehung für alle morphologischen Merkmals in Fliegen zu schätzen. Ebenso kann die Ernährung Manipulation wahrscheinlich benutzt, um das gesamte Spektrum der Zug-und Körpergrößen in anderen voll metamorphen Insekten produzieren; solche Anwendungen erfordern einfach wissen, wann der MVW E erreicht wird und die Anwendung der Manipulation an diesem Punkt in der Ontogenese.

Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgements

Die Forschung in dieser Studie beschrieben durch einen National Science Foundation Grant (DEB-0805818), um WAF unterstützt wurde, AWS und ID Diese Studie wurde auch durch Zuschüsse IOS-0845847 bis AWS, IOS-0919855 bis AWS und ID-und IOS-0920720 unterstützt WAF

Materials

None.

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References

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Comments

3 Comments

  1. 40% sucrose as in weight or volume?

    Reply
    Posted by: Anonymous
    March 20, 2012 - 3:39 PM
  2. Weight.

    Reply
    Posted by: R. Craig S.
    March 5, 2014 - 8:16 AM
  3. Actually it's volume not weight.

    Reply
    Posted by: R. Craig S.
    March 5, 2014 - 8:19 AM

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