Manipulation expérimentale de la taille corporelle d'estimer les relations d'échelle morphologiques Drosophile

Biology
 

Summary

Relations d'échelle morphologiques saisir et décrire la forme des organismes. Nous présentons une méthode pour mesurer les relations d'échelle morphologiques à travers la gamme naturelle de tailles de corps chez les insectes totalement métamorphiques. En utilisant une manipulation simple régime alimentaire nous augmentons la distribution des tailles de caractères, permettant la description précise de la façon dont la forme et la taille de la co-varier.

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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

La mise à l'échelle des parties du corps est un élément central de 1-7 morphologie animale. Au sein des espèces, des traits morphologiques doivent être correctement proportionné au corps pour l'organisme de fonctionner; grands individus ont généralement des parties du corps plus grands et les petits individus ont généralement des parties du corps plus petits, tels que la forme générale du corps est maintenu dans un éventail de tailles de corps d'adulte. L'exigence de proportions correctes signifie que les individus au sein des espèces présentent généralement une faible variation dans la taille caractéristique relative. En revanche, la taille caractéristique relative peut varier considérablement selon les espèces et est un principal mécanisme par lequel la diversité morphologique est produite. Plus d'un siècle de travaux comparatifs ont établi ces intra et interspécifiques motifs 3,4.

Peut-être l'approche la plus largement utilisée pour décrire cette variation est de calculer la relation d'échelle entre la taille de deux traits morphologiques en utilisant l'équation allométrique y = bxα, où x et y sont de la taille des deux traits, comme organe de la taille du corps et 8 , 9. Cette équation décrit la relation au sein du groupe d'échelle (par exemple, espèce, population) entre deux traits à la fois comme varient en taille. Transformation logarithmique de cette équation donne une équation linéaire simple, connectez-vous (y) = log (b) + αlog (x) et log-log des parcelles de la taille des caractères différents chez les individus de la même espèce typiquement révéler échelle linéaire avec une interception de log (b) et une pente de α, appelé le «allométriques coefficient» 9,10. La variation morphologique entre les groupes est décrit par les différences dans intercepte relation d'échelle ou de pentes pour une paire trait donné. Par conséquent, les variations dans les paramètres de l'équation allométrique (b et α) décrit élégamment la variation de la forme capturée dans la relation entre les organes et la taille du corps à l'intérieur et entre les groupes biologiques (voir 11,12).

Pas tous les traits d'échelle linéaire avec eux ou avec la taille du corps (par exemple, 13,14) Ainsi, les relations d'échelle morphologiques sont plus informatifs lorsque les données sont extraites de la gamme complète des tailles trait. Nous décrivons ici comment de simples manipulations expérimentales de l'alimentation peuvent être utilisés pour produire la gamme complète de la taille du corps chez les insectes. Cela permet une estimation de la relation d'échelle entière de toute paire de traits, ce qui permet une description complète de covarie façonnent la manière dont la taille et une comparaison robuste de paramètres relation d'échelle entre les groupes biologiques. Bien que nous nous concentrons sur la drosophile, notre méthodologie doit être applicable à presque tous les insectes totalement métamorphiques.

Protocol

1. L'élevage et la manipulation de l'alimentation pour produire des variations dans la taille du corps et l'aile de taille

Rationnelle et Aperçu. L'expression de relations d'échelle finalement charnières sur le processus de développement réglementaire qui produisent des variations dans les organes et la taille finale du corps. Ces processus sont mieux décrites par le travail sur les insectes totalement métamorphiques (ie, holométaboles) comme D. melanogaster, où les organes grandir comme indifférencié "disques imaginaux» dans le grub-comme la larve 11,15-17. Chez la drosophile, l'orgue et la taille finale du corps sont régis par la croissance pendant les stades larvaires; larves se développent à travers le premier et le deuxième stade larvaire larve jusqu'à ce qu'ils atteignent un poids minimal viable pour Eclosion (MVW E) vers le début du troisième stade larvaire 18. La famine avant la réalisation de MVW E prévient l'éclosion adulte. Cependant, les larves qui sont morts de faim au MVW E générer des adultes viables, quoique à une très petite taille. C'est parce que réduite nutrition pendant le développement du corps diminue et la taille finale d'orgue, et pas seulement chez les mouches, mais dans presque tous les 19 à 21 animaux. En manipulant la disponibilité des aliments après la MVW E est atteint, mais avant la nymphose a lieu, il est possible d'induire une extrême plasticité phénotypique de la taille du corps qui l'emportent largement sur ​​les autres sources de variation (par exemple, la variation génétique individuelle).

  1. Les oeufs sont recueillis auprès de la population d'être phénotypés, divisées en lots de 50 et placés dans des flacons contenant 10 ml de nourriture volée standard. Parce que la ponte a lieu en permanence, les oeufs sont collectés toutes les 24 heures pendant trois jours, la production de trois cohortes d'âge.
  2. Quand la cohorte la plus âgée atteint le stade errance ou a tout juste commencé à se nymphoser, la manipulation régime est appliqué. À ce stade, la cohorte la plus âgée est bien au-delà des E MVW, la plus jeune cohorte est très proche de la MVW E et de la cohorte qui reste est quelque part entre ces extrêmes. Ainsi, la suppression de la nourriture à ce moment va produire des adultes très grande de la cohorte la plus âgée, les adultes très faible de la cohorte la plus jeune et de taille intermédiaire adultes à partir de la cohorte qui restent. Pour supprimer les larves des flacons, environ 5 ml de solution de saccharose à 40% est ajoutée à tous les flacons. Pour libérer les larves, la nourriture est agité pendant 15-20 minutes sur une table vibrante définie à une vitesse intermédiaire.
  3. Larves flottantes sont retirés de la solution de saccharose avec une amende (00) pinceau, placés dans des flacons contenant un tampon de coton humide et autorisés à se nymphoser. Alternativement, les larves pourraient être placés sur un additif alimentaire non digestible comme la méthylcellulose 22.

2. Estimation de la taille du corps

Rationnelle et Aperçu. Des études antérieures indiquent que la longueur du thorax est un peu moins de proxy idéal pour la taille globale du corps 22. Au lieu de cela, nous utilisons la taille nymphe comme une mesure de la taille du corps. Taille maximale est fixée à l'arrêt de l'alimentation qui précède la nymphose. En conséquence, il ya une corrélation étroite entre la taille de nymphe et la taille du corps adulte 23.

  1. Les chrysalides sont disposées face ventrale sur des lames de microscope en verre et imagée en utilisant un appareil photo numérique relié à un microscope à dissection. Chaque image est capturée, attribué un code d'identification unique et transférés sur un ordinateur via un flux en direct reliant l'appareil photo numérique à l'ordinateur.
  2. Imagée pupes sont déplacés à chaque 2 ml contenant 1 ml epitubes de la nourriture volée, étiquetés avec le code unique pour cette personne, et percé avec des trous d'aération pour permettre l'échange gazeux.
  3. Taille nymphe est estimée comme le nombre de pixels de la silhouette chrysalide. Métriques Autre taille pourrait également être utilisé.

3. Estimation de la taille du Trait (aile)

Rationnelle et Aperçu. Pour les ailes d'image, nous utilisons une «aile de grabber" 24, qui tire et détient l'aile d'un live, perpendiculaire volée anesthésiés à son corps. Pressé entre deux morceaux de verre, ce qui permet l'aile à imager comme un objet à deux dimensions.

  1. Les mouches sont anesthésiés légèrement avec le CO 2 et mis en place dans la carte d'acquisition d'aile sur un microscope à dissection équipé d'un appareil photo numérique qui est connecté à un ordinateur.
  2. L'aile est imagé et enregistré sous le code unique pour cette personne.
  3. La taille des ailes peut être estimée en utilisant le polygone convexe minimum qui circonscrit marginale repères fixes ou comme le nombre de pixels de la silhouette des ailes.

4. Estimation de la relation d'échelle

  1. Les données sont mises en commun entre les cohortes, mais séparés par sexe et log-transformées.
  2. Relations d'échelle sont adaptées à la taille des données à l'aide de type II (ie, Réduction Axe Majeur) régression (voir la revue dans 12) et les paramètres estimés pour chaque groupe.

5. Les résultats représentatifs:

tente "> Nos manipulations alimentation va produire un large éventail de tailles de corps (figure 1) et la taille caractéristique (figure 2). Traçage des traits transformation logarithmique uns contre les autres révèlent leur modèle de covariation dans un groupe donné biologique et permet l'ajustement relation d'échelle pour le groupe (Figure 3). Extraction des paramètres relation d'échelle qui décrivent comment les échelles forme avec la taille du corps permet de comparer covarie façonnent la manière dont la taille entre les groupes.

Figure 1
Figure 1. Pupa des extrêmes de la distribution de taille produite par manipulation régime après les individus à atteindre l'E MVW. Réelle des images nymphales sont affichés à gauche avec leurs silhouettes correspondant à la mesure de la taille de nymphe à droite. La barre d'échelle est de 1 mm.

Figure 2
Ailes Figure 2. Proviennent des extrêmes de la distribution de taille du corps produit par la manipulation des individus régime après la réalisation des E MVW. Images réelles sont montré l'aile gauche avec leurs silhouettes correspondant à la mesure de la taille des ailes montré sur la droite. La barre d'échelle est de 1 mm.

Figure 3
Figure 3. Échelle de taille Wing-corps pour Drosophila melanogaster par sexe. Des données log-transformées pour les individus de chaque sexe qui ont été entièrement nourris (cernes), affamés un (cercles gris) ou de deux jours (cercles ouverts) que les larves. La ligne de régression de type II est indiqué pour chaque sexe. Entre chaque cohorte d'âge, la baisse de la surface alaire moyenne de 0.1mm ~ (~ 7%) et ~ 0,2 (~ 8%) se produit, en augmentant l'éventail des phénotypes observés. Les régressions révèlent que les femmes sont légèrement hypoallometric pour cette relation d'échelle (pente de 0,96) tandis que les mâles sont légèrement hyperallometric (pente 1,06).

Discussion

Mise à l'échelle morphologique a été l'objet d'études approfondies en biologie évolutive depuis près d'un siècle. Plus récemment, la base immédiate de la régulation de la croissance et l'échelle est devenue de plus en plus important dans le développement, la physiologie et la génétique (par exemple, voir les commentaires dans 12,15,23-25). Notre méthodologie permet d'estimer les relations d'échelle morphologiques sur toute la gamme des caractères et des tailles de corps. Cela peut être important, comme la taille caractéristique peut ne pas l'échelle linéairement avec la taille du corps (par exemple, 13,14). Toutefois, cela peut ne pas être évident si les animaux sont élevés que dans des conditions de laboratoire idéal.

Bien que notre protocole a été développé explicitement pour permettre une estimation de la relation corps-aile de taille mise à l'échelle de la drosophile, il peut être utilisé avec le trait spécifique de modification d'estimer la relation d'échelle pour un trait morphologique chez les mouches. De même, la manipulation alimentation peut vraisemblablement être utilisée pour produire la gamme complète des tailles de caractères et d'autres corps dans tout les insectes métamorphiques; applications telles exigent simplement de savoir quand le E MVW est atteint et l'application de la manipulation à ce point dans l'ontogenèse.

Disclosures

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Acknowledgements

La recherche décrite dans cette étude a été soutenue par une subvention de la National Science Foundation (DEB-0805818) pour WAF, AWS et ID Cette étude a également été soutenue par des subventions IOS 0.845.847 à AWS, IOS-0919855 à AWS et ID-0920720 et IOS pour 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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