La manipolazione sperimentale di Dimensione Corpo di Stima Relazioni scala morfologica in Drosophila

Rapporti di scala morfologica catturare e descrivere la forma degli organismi. Vi presentiamo un metodo per misurare i rapporti di scala morfologica tutta la gamma naturale delle dimensioni del corpo degli insetti completamente metamorfica. Utilizzando un semplice manipolazione dieta aumentiamo la distribuzione delle dimensioni tratto, permettendo la descrizione accurata di come forma e dimensione co-variano.

Il ridimensionamento di parti del corpo è un elemento centrale della morfologia animale ^1-7. All'interno delle specie, caratteristiche morfologiche devono essere correttamente proporzionata al corpo per l'organismo a funzionare, gli individui più grandi hanno in genere parti del corpo più grandi e più piccoli gli individui hanno in genere parti del corpo più piccolo, in modo tale che la forma generale del corpo è mantenuto in una vasta gamma di formati corpo adulto. Il requisito di giuste proporzioni significa che gli individui all'interno delle specie di solito mostrano bassa variazione di dimensione caratteristica relativa. Al contrario, la dimensione caratteristica relativa può variare enormemente tra le specie ed è un meccanismo primario attraverso il quale viene prodotta la diversità morfologica. Oltre un secolo di lavoro comparativo ha stabilito questi modelli intra-e interspecifica ^3,4.

Forse l'approccio più utilizzato per descrivere questa variante è quello di calcolare il rapporto di scala tra le dimensioni di due caratteri morfologici mediante l'equazione y = allometrica bxα, dove x e y sono le dimensioni dei due tratti, come organo e dimensioni del corpo ^{8 , 9.} Questa equazione descrive le all'interno del gruppo (ad esempio, specie, popolazione) rapporto di scala tra due tratti sia come dimensioni variabili. Log-trasformazione di questa equazione produce una semplice equazione lineare, log (y) = log (b) + αlog (x) e log-log trame della dimensione dei caratteri differenti tra individui della stessa specie tipicamente rivelare scala lineare con un'intercetta di log (b) e una pendenza di α, chiamato il 'allometrica coefficiente di' ^9,10. Variazioni morfologiche tra i gruppi è descritto da differenze di intercettazioni rapporto di scala o di piste per un paio tratto dato. Di conseguenza, la variazione dei parametri dell'equazione allometrica (b e α) descrive con eleganza la variazione di forma catturato nel rapporto tra organo e dimensioni del corpo all'interno e tra i gruppi biologici (vedi ^11,12).

Non tutti i tratti di scala in modo lineare con loro o con dimensioni del corpo (ad esempio, ^13,14) Quindi, i rapporti di scala morfologiche sono più informativa quando i dati sono presi dalla gamma completa dei formati tratto. Qui si descrivono come semplice manipolazione sperimentale di dieta può essere utilizzato per produrre l'intera gamma di dimensioni del corpo degli insetti. Questo permette una stima del rapporto di scala completa per qualsiasi coppia di caratteri, permettendo una descrizione completa di come covaries forma con dimensioni e un confronto robusta di parametri di scalatura rapporto tra i gruppi biologici. Anche se ci concentriamo sulla Drosophila, la nostra metodologia dovrebbe essere applicabile a quasi tutti gli insetti completamente metamorfica.

1. Allevamento e la manipolazione della dieta di produrre variazioni nelle dimensioni del corpo e ali dimensioni

Razionale e panoramica. L'espressione dei rapporti di scala dipende in ultima analisi, sui processi di sviluppo normativo che producono variazione di organo finale e dimensioni del corpo. Questi processi sono meglio descritti dal lavoro di insetti completamente metamorfiche (cioè olometaboli) come D. melanogaster, dove gli organi crescere come indifferenziato 'dischi immaginali' all'interno del grub-come larve ^11,15-17. In Drosophila, organo finale e dimensioni del corpo sono regolati da una crescita durante gli stadi larvali, larve di crescere attraverso il instar prima e la seconda larvale fino a raggiungere un peso minimo vitale per eclosion (MVW _E) verso l'inizio del terzo larve instar ^18. La fame prima di raggiungimento di MVW _E impedisce eclosion adulti. Tuttavia, le larve che sono affamati di MVW _E generare adulti praticabile, anche se a una dimensione molto piccola. Questo perché riduce la nutrizione durante lo sviluppo del corpo riduce finale e le dimensioni degli organi, non solo le mosche ma in quasi tutti gli animali ^19-21. Manipolando la disponibilità di cibo dopo MVW _E è raggiunto, ma prima di impupamento si verifica, è possibile indurre estrema plasticità fenotipica nella dimensione corporea che supera notevolmente altre fonti di variazione (ad esempio, singole variazioni genetiche).

1. Le uova sono raccolti dalla popolazione per essere fenotipizzati, suddiviso in lotti di 50 e collocati in fiale contenenti 10 ml di cibo volare standard. Perché deposizione delle uova avviene di continuo, le uova vengono raccolti ogni 24 ore per tre giorni, producendo tre coorti di età.
2. Quando la più antica coorte raggiunge la fase erranti o ha appena iniziato a pupate, la manipolazione dieta è applicata. A questo punto, la più antica coorte è ben oltre la _E MVW, il più giovane di coorte è molto vicino alla _E MVW e la coorte rimanente è a metà strada tra questi due estremi. Così, l'eliminazione degli alimenti, a questo punto produrrà adulti molto grande dal più antico coorte, gli adulti molto piccolo dal più giovane di coorte e di dimensioni intermedie adulti della coorte rimanenti. Per rimuovere le larve dai flaconi, circa 5 ml di soluzione di saccarosio 40% si aggiunge a tutte le fiale. Per liberare le larve, il cibo è agitato per 15-20 minuti su un tavolo shaker insieme a una velocità intermedia.
3. Larve galleggianti vengono rimosse dalla soluzione di saccarosio con una multa (00) pennello, collocati in fiale contenenti un tappo di cotone bagnato e lasciato pupate. In alternativa, le larve possono essere immessi in un non-digeribile additivo alimentare come metilcellulosa ^22.

2. Stima della dimensione del corpo

Razionale e panoramica. Precedenti studi indicano che la lunghezza del torace è a meno di delega ideale per il formato generale del corpo ^22. Invece, usiamo dimensioni pupa come misura della dimensione corporea. Dimensioni corporee massimo è fissato a la cessazione della alimentazione che precede impupamento. Di conseguenza, vi è una stretta correlazione tra le dimensioni pupa e il corpo formato adulto ^23.

1. Pupe sono disposti lato ventrale su vetrini da microscopio vetro e ripreso con una telecamera digitale collegata ad un microscopio da dissezione. Ogni immagine viene catturata, assegnato un codice univoco di identificazione e trasferito su un computer tramite un live feed di collegare la fotocamera digitale al computer.
2. Ripreso pupe vengono spostati a singoli epitubes 2 ml contenente 1 ml di cibo volare, etichettati con il codice unico per l'individuo, e forato con prese d'aria per permettere lo scambio di gas.
3. Dimensioni pupa è stimato come il numero di pixel della silhouette pupa. Metriche altro formato potrebbe essere utilizzato anche.

3. Trait (ala) dimensioni stima

Razionale e panoramica. Per ali immagine, usiamo un 'ala grabber' ^24, che tira e tiene l'ala di un live, perpendicolare volare anestetizzato al suo corpo. Pressato tra due pezzi di vetro, questo permette l'ala di essere ripreso come un oggetto bidimensionale.

1. Le mosche sono leggermente anestetizzati con CO ₂ e collocati in posizione nel grabber ala di un microscopio da dissezione dotato di una fotocamera digitale che è collegato a un computer.
2. L'ala è ripreso e salvato sotto il codice unico per l'individuo.
3. Dimensioni ala può essere stimato utilizzando il minimo poligono convesso che circoscrive marginale punti di riferimento fissi o come il numero di pixel del profilo alare.

4. Scaling rapporto di stima

1. I dati sono aggregati con coorti, ma separati per sesso e trasformati in logaritmo.
2. Rapporti di scala sono adatti ai dati utilizzando dimensioni di tipo II (cioè ridotto principale asse) di regressione (vedi recensione in ¹²⁾ e dei parametri stimati per ogni gruppo.

5. Rappresentante dei risultati:

Figura 1. Pupa dagli estremi della distribuzione delle dimensioni prodotta attraverso la manipolazione dieta dopo le persone a realizzare la _E MVW. Le immagini sono reali pupa mostrato a sinistra con le loro sagome corrispondenti per la misurazione delle dimensioni pupa a destra. Barra di scala è 1 mm.

Ali Figura 2. Tratti da estremi della distribuzione delle dimensioni del corpo prodotta attraverso la manipolazione dieta dopo le persone a realizzare la _E MVW. Immagini ala reale vengono visualizzati sulla sinistra con le loro sagome corrispondenti per la misurazione delle dimensioni ala mostrato a destra. Barra di scala è 1 mm.

Figura 3. Wing-corpo scala dimensioni per Drosophila melanogaster per sesso. I dati del log-trasformati per gli individui di ogni sesso, che sono stati completamente alimentato (occhiaie), affamati uno (cerchi grigi) o due giorni (cerchi aperti), come larve. Tipo di linea di regressione II è indicato per ciascun sesso. Tra ogni fascia di età, declina in superficie alare media di ~ 0,1 mm (~ 7%) e ~ 0.2mm (~ 8%) si verifica, aumento del numero totale dei fenotipi osservati. Le regressioni mostrano che le femmine sono leggermente hypoallometric per questo rapporto di scala (pendenza di 0,96) mentre i maschi sono leggermente hyperallometric (pendenza 1,06).

Scaling morfologico è stato oggetto di intensi studi in biologia evolutiva per quasi un secolo. Più di recente, la base prossima della regolazione della crescita e scalabilità è diventato sempre più importante nello sviluppo, fisiologia e genetica (ad esempio, visualizzare le recensioni in ^{12,15,23-25).} La nostra metodologia consente la valutazione dei rapporti di scala morfologica su tutta la gamma dei caratteri e dimensioni del corpo. Questo può essere importante, come la dimensione caratteristica potrebbe non scala linearmente con la dimensione del corpo (ad esempio, ^13,14). Tuttavia, questo può non essere evidente se gli animali sono allevati solo in condizioni ideali di laboratorio.

Anche se il nostro protocollo è stato sviluppato esplicitamente per poter valutare l'ala-corpo scala dimensioni in Drosophila, può essere utilizzato con trait-specifica modifica per stimare il rapporto di scala per ogni caratteristica morfologica di mosche. Allo stesso modo, la manipolazione dieta può probabilmente essere usato per produrre l'intera gamma di dimensioni di tratto e corpo in altri insetti completamente metamorfica; tali applicazioni richiedono semplicemente sapere quando _l'E MVW si ottiene applicando la manipolazione e in quel momento della ontogenesi.

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

La ricerca descritta in questo studio è stato sostenuto da una borsa della National Science Foundation (DEB-0805818) per WAF, AWS e ID Questo studio è stato supportato anche da borse di IOS-0845847 per AWS, IOS-0919855 per AWS e ID e IOS-0920720 per WAF