Adaptare rapidă la disponibilitatea alimentelor prin răspuns morfogenetic mediat de dopamină
subiecte
abstract
introducere
Interacțiunile prădător-pradă pot duce la răspunsuri morfologice și de dezvoltare cu efecte ecologice și evolutive semnificative 1, 2, 3, 4, 5. Apărările declanșate de prădători reduc riscul de consum al prăzii, în timp ce infracțiunile declanșate de prădători îmbunătățesc consumul sau competitivitatea prădătorilor 1, 2, 3, 6, 7, 8. Aceste schimbări fenotipice pot afecta astfel interacțiunile trofice, dinamica populației de prădători și pradă și dinamica comunității și pot promova speciația 1, 2, 6. Este necesară o înțelegere mecanicistă a acestor răspunsuri pentru a înțelege evoluția, limitările, valoarea adaptativă și consecințele funcționale. Al 12-lea .
Pentru a distinge dacă brațele lungi sunt induse la o densitate scăzută a alimentelor sau, dimpotrivă, dacă brațele scurte sunt induse la o densitate ridicată a alimentelor, este necesar să se determine mecanismul de bază pentru reacția la alimente. Cu larvele Strongylocentrotus purpuratus înainte de hrănire, această reacție de dezvoltare are loc în câteva zile și necesită chimiosensarea directă a algelor 15; Prin urmare, este posibil să apară printr-un mecanism neurosenzorial. Raportăm că dopamina este calea de semnalizare neurologică prin care senzația de alge schimbă dezvoltarea. Semnalizarea dopaminică promovează scurtarea lungimii brațului larval de la un maxim de dezvoltare. Prin urmare, în mod neașteptat, această plasticitate indusă de pradă nu este un răspuns ofensator la îmbunătățirea procurării resurselor. Prin manipularea experimentală a semnalelor dopaminei și a lungimii brațului, evaluăm costurile, beneficiile și limitările acestui răspuns fenotipic și oferim dovezi că larvele de arici de mare ar fi putut alege o cale de ingestie utilizată pe scară largă pentru răspunsurile de dezvoltare.
Rezultate
Semnalul dopaminergic indus de alge inhibă extensia brațelor
Imagini de contrast diferențiale ale larvelor la sfârșitul perioadei de pre-hrănire, ziua 5, cultivate fără ( A ) si cu ( ) Algele, începând din stadiul gastrulei. Lungimile elementelor scheletice după ingestie și ale corpului sunt indicate de liniile negre. Cuantificarea ( c ) lungimea brațului postoral, care reprezintă o schimbare de 20,2% (± 3,9%) și ( d Lungimea tijei corpului, care reprezintă o schimbare de 3,9% (± 1,5%) pentru larvele care au fost cultivate cu (verde, n = 20) și fără alge (albastre, n = 18). T-test pe două fețe pentru elevi, *** P
( A ) Modificarea lungimii brațului postoral și a corpului la larvele de 5 zile tratate cu chinpirol agonist DRD2 la concentrațiile specificate comparativ cu martorul. ANOVA de unică folosință pentru lungimea brațului postoral, F 3.463 = 30.586, P
( A ) Modificarea lungimii brațului postoral și a corpului pentru larvele de 4 zile care au fost cultivate cu sau fără alge ca martor (albastru) și un blocaj translațional MASO la tratamente de 0,4 mM (TH MASO1, gri deschis). ANOVA (Tabel suplimentar S2), Tratament × Alge pentru brațe postorale, F 1.286 = 19, 604, P 18 (suplimentar Fig. S2) și extind procesele de-a lungul ligamentului ciliar (Fig. 4e) care ar putea fi implicate în senzația de alge. Aceste date sunt de acord cu distribuția celulelor dopamine-pozitive în larvele S. droebachiensis 19 și cu o funcție neurosenzorială. Mărirea mai mare (× 40) a embrionilor dublu colorată pentru dopamină și un marker PMC a indicat faptul că celulele dopaminare pozitive erau imediat adiacente PMC (4g-j). Deși un semnal endocrin secundar 9 este adesea neurostimulat în răspunsuri fenotipice plastice, proximitatea celulelor pozitive cu dopamină la PMC și ectodermul suprapus în brațele postorale crește posibilitatea ca dopamina să semnaleze direct către unul sau ambele tipuri de celule pentru a inhiba creșterea brațelor.
Detectarea imunohistochimică fluorescentă a enzimei TH de biosinteză a dopaminei care limitează rata și a unui marker PMC (SM30) ca referință, la 54 ore după fertilizare (hpf) ( A ) și 60 CPF ( ). Săgețile albe din aceste câmpuri și din cele următoare indică vârful brațului postoral. ( c ) Lungimea brațului postoral în comparație cu hpf, care arată începutul simultan al prelungirii brațului și prima detectare a celulelor TH-pozitive (săgeată neagră). Linia punctată gri indică lungimea aproximativă a unui triradiat inițial. Bară de eroare ± sem Detectarea imunohistochimică fluorescentă a dopaminei ( d ) și TH ( e ) și markeri PMC, Msp130 ( d ) și SM30 ( e ), în etapa plutei (92 hpf). Hibridizare fluorescentă in situ full mount pentru detectarea ARNm ddc ( f ) în vârful brațului postoral și în ganglionii serotoninergici (deasupra în imagine) pe pluteul timpuriu (72 hpf, vedere orală). ( g - j ) Imagini cu mărire mai mare a dopaminelor și a petelor imune ale PMC (Msp130) pe vârful brațului. Miezul colorat cu DAPI (albastru). DA, dopamină DC, dopa decarboxilază. Bara de scalare ( a - f ) 50 μm, ( g - j ) 10 μm.
Experimente privind reglarea descendentă a genelor (Fig. 3) și despre întreruperea medicamentelor (Fig. 2 și 3) care vizează două puncte independente din calea de semnalizare, precum și modelele de exprimare temporală și spațială a dopaminei și enzimelor biosintetice dopaminice (Fig. 4) identificați dopamina ca un semnal cheie care mediază răspunsul fenotipic la disponibilitatea alimentelor. Fără un semnal de dopamină, se pierde plasticitatea până la braț. Astfel, direcția plasticității fenotipice este clară: brațele scurte sunt induse în densitate mare de alimente atunci când semnalele dopaminei inhibă întinderea scheletului și astfel promovează creșterea structurală.
Consecințe pentru ingestia și depozitarea lipidelor mame
Arătând că implicarea semnalizării dopaminei vizează reducerea dimensiunii brațelor alimentare, am putut, de asemenea, să manipulăm artificial dimensiunea structurii alimentelor pentru a determina capacitatea de adaptare. Am testat consecințele funcționale pentru hrănire și consumul de energie de dimensiuni ale dispozitivelor de hrănire variabile din punct de vedere farmaceutic. Această metodă a fost avantajoasă față de concentrațiile variate de alge, deoarece larvele de arici de mare pot conține materiale organice dizolvate exogen 20, 21 care ar putea schimba starea lor metabolică, chiar dacă nu sunt încă hrănite.
Studiile anterioare au arătat că mărimea aparatului de hrănire se corelează bine cu rata maximă de eliminare a alimentelor în timpul timpului de dezvoltare 13, 22 și între diferite specii 23 de larve de echinoderm. Diferențele de mărime între specii sau etape de dezvoltare (de exemplu Echinoplutei cu 4 brațe versus 8 brațe) sunt mai mari decât am observat aici într-un singur stadiu de dezvoltare la o singură specie. Pentru a determina dacă modificările relativ mici ale structurii de hrănire ar putea afecta în mod semnificativ ratele de captare a algelor, am manipulat farmaceutic dimensiunea structurii de hrănire și apoi am permis larvelor să se hrănească cu o suspensie de mimetice ale algelor. Variația lungimii brațului postoral s-a corelat semnificativ cu P
( A ) Regresia ratei de degajare pe lungimea brațului postoral după 5 zile în încercări repetate (cercuri, triunghiuri și diamante) la 1.500 de perle per ml. Ambele variabile au fost normalizate în raport cu maximele observate. Regresie model I combinată, R 2 = 0, 197, β 1 = 0, 866, P 2 = 0, 877, β 1 = 0, 287 ± 0, 14 (95% CI), n = 6 bare de eroare ± sem
discuţie
Răspunsul la hrănirea larvelor de arici de mare, la fel ca multe trăsături induse de pradă, a fost considerat ofensator și mărește căutarea prădătorilor 2, 15. În schimb, datele noastre arată că mecanismul molecular reduce de fapt dimensiunea structurii de hrănire atunci când sunt detectate alge. Semnalizarea dopaminei indusă de alge suprimă programul de dezvoltare standard utilizat în pre-hrănirea larvelor pentru a produce brațe mai scurte cu potențial de hrănire mai scăzut.
Pentru a menține plasticitatea fenotipică, schimbările fenotipice ar trebui să maximizeze adecvarea pentru mediul dat. Arătăm că fenotipul cu armă lungă maximizează condiția fizică atunci când alimentele sunt rare, prin creșterea potențialului de achiziție de alimente în detrimentul lipidelor materne. În timp ce fenotipul cu armă scurtă maximizează condiția fizică atunci când alimentele sunt abundente prin conservarea lipidelor materne în detrimentul potențialului maxim de aprovizionare cu alimente. Pot exista compromisuri suplimentare de fitness, de exemplu între lungimea brațului și dimensiunea stomacului 26 și/sau performanța de înot 27, care sunt asociate cu acest răspuns de dezvoltare.
Posibilitatea de a aloca depozitele de energie maternă în alte scopuri ar putea avea consecințe semnificative pentru supraviețuire și succesul performanței în mai multe faze ale vieții prin efecte latente 28, 29, 30. De exemplu, prin creșterea alocării lor pentru dezvoltarea juvenilă, larvele pot fi capabile să scurteze perioada de timp în care sunt expuse la prădători în plancton sau calitatea puilor 29, 30 care au fost eliberați poate fi crescută. Deoarece S. purpuratus are o rată ridicată a mortalității post-așezare, cu rare evenimente de recrutare de succes 31, 32, starea la așezare ar putea fi un factor important de control al dinamicii populațiilor de bici de arici de mare, care are implicații la nivelul comunității 33, 34 Pe măsură ce crește incidența sau severitatea incidenței larvelor și a nepotrivirii disponibilității alimentelor, scăderea incidenței algelor în timpul fazei de pre-hrănire duce la o incidență crescută a larvelor cu brațe lungi și la pierderea oricăror beneficii ale larvelor cu brațe scurte, cum ar fi realocarea depozitelor de energie maternă.
Datele noastre demonstrează utilizarea adaptivă a semnalelor dopaminei pentru a schimba rapid dezvoltarea structurilor furajere în așteptarea hranei. Numai printr-o înțelegere mecanicistă această schimbare de formă declanșată de pradă ar putea fi plasată în contextul ecologic și evolutiv corespunzător. Diverse organisme, de la viermi la oameni, utilizează semnalizarea dopaminei 35, 36 prin receptorii dopaminei tip D 2, în special 37, 38, pentru a anticipa consumul de alimente. În C. elegans 35, 38, insecte 39, 40, arici de mare adulți 41 și mamifere, inclusiv oameni 36, semnalul dopaminei schimbă comportamentul în așteptarea ingestiei, în timp ce larvele de arici de mare își schimbă dezvoltarea și forma înainte de ingestie. Prin urmare, semnalizarea dopaminei, care este implicată în reglarea dezvoltării larvelor, poate reprezenta o opțiune sau o schimbare de la utilizarea foarte conservată a semnalizării dopaminei în comportamentul de mediere în așteptarea hranei.
Metode
Cultura embrionilor și larvelor
Arici de mare adulți, Strongylocentrotus purpuratus, de la Laboratorul Cultivat de Abalone și Point Loma Marine Invertebrate, CalTech, au fost menținuți în apa de mare la 10 ° C. Gametii au fost recoltați prin injecții intracoelomice de 0,55 M KCl. Embrionii au fost cultivați folosind metode standard la densități de 1-5 embrioni pe ml în apă de mare artificială (ASW) la 15 ° C cu sau fără alge (5.000 de celule pe ml Dunaliella sp.) .
Cuantificarea lungimilor scheletice
Lungimile brațului postor și ale tijei corpului (fiecare n ≥ 20) au fost determinate dintr-o probă aleatorie care a fost prelevată imediat înainte de începerea hrănirii timp de 5 zile pf, cu excepția embrionilor care au fost injectați cu morfolino și care au fost luați după 4 zile pf, pentru a asigura această defalcare morfolin a sintezei proteinelor TH a fost încă eficientă. Pentru a poziționa elementele scheletice în același plan, larvele au fost strânse pe lamele microscopului și apoi au fost imaginate cu un microscop Zeiss Axiovert 200 M inversat la 20 × sub contrast diferențial de inferență, prin care elementele scheletice birefringente pot fi ușor identificate. Lungimile scheletului au fost cuantificate din imaginile digitale cu ajutorul software-ului AxioVision (Carl Zeiss MicroImaging). În unele cazuri (42, amisulprida, un antagonist 43 extrem de selectiv al receptorului dopaminei D2/D3 43 și clorhidratul de ester metilic al α-metil-DL-tirozinei, un inhibitor selectiv, perturbat de TH 44, direct prin diluare în mediul de cultură (ASW) administrat larvelor frate întregi în stadiul gastrulei târzii (48-52 hpf), cu excepția cazului în care se specifică altfel în text Experimentele farmaceutice au fost efectuate în duplicat cu diferite perechi femeie-bărbat.
Microinjecții
Ouăle fertilizate au fost completate cu soluții filtrate care conțin 20% glicerină și rodamină-dextran fără morfolini (control glicerină), cu 0,4 mM TH MASO1 sau cu 0,15 mM TH MASO2 utilizând un micromanipulator Eppendorf Femtojet-Injectman NI2, a fost conectat un microscop Leica cu fluorescență inversată, microinjectat în (Ref. 45). Injecțiile TH MASO1 au fost reproduse cu două cupluri diferite femei-bărbați. Glicerolul și embrionii neinjecționați au fost comparați și nu s-au observat modificări semnificative ale lungimii scheletului, imunomarcării TH sau răspunsului la alge. De aceea, unele experimente ulterioare au folosit embrioni neinjectați ca martori. Blocarea traducerii TH MASO1 a fost dezvoltată pe baza TH-ului prevăzut (GLEAN 00836) 5'UTR, care a fost confirmat de RACE. TH MASO1: 5'-GCGTCCTGCTGTAGAAGATACTTGA-3 '. TH MASO2 a vizat limita intronului 8/exonul 9 pentru a perturba domeniul catalitic al enzimei 46. TH MASO2: 5'-GCCTACGATGAACAAGAACAAATGT-3 '.
Analize statistice pentru tulburările de dopamină
Răspunsul la doză al lungimii brațului postoral la tratamentul cu chinpirol a fost evaluat utilizând o analiză unidirecțională a varianței (ANOVA) urmată de comparații corelate Bonferroni în perechi cu controlul pentru a determina dacă modificarea a fost semnificativă din control. Răspunsul la alge a fost evaluat în tulburările farmaceutice și TH MASO1 printr-un ANOVA cu trei căi, în care tratamentul tulburărilor, tratamentul algelor (cu versus fără alge) și replicarea experimentală au fost efecte specificate și eroarea pătrată medie ca numitor al raportului f 47 . Deoarece toate experimentele au arătat o interacțiune semnificativă (P> 0,05) între perturbarea și tratamentul algelor pentru lungimea brațului postoral, au fost efectuate comparații ulterioare corelate Bonferroni în perechi pentru a determina dacă schimbarea indusă de alge a fost semnificativă. TH MASO2 nu a fost replicat și astfel a fost evaluat folosind testele t cu două cozi ale lui Student. Toate evaluările statistice au fost efectuate în SYSTAT v10 cu ieșire la trei zecimale, motiv pentru care valorile exacte ale P sunt date pentru P> 0,001.
Hibridizare in situ cu imunomarcare și fluorescență
Încercare de hrănire
Am tratat larvele de jumătate de frate de la trei femele cu ASW (martor), agonist DRD2 (chinpirol) și antagonist DRD2 (amisulprid) pentru a maximiza gama de dimensiuni a structurilor de hrănire. Larvele din fiecare dintre aceste tratamente au fost combinate în trei culturi replicate, transferate în ASW timp de 4 ore și apoi tratate cu o suspensie ușor agitată de imitație de alge, 10 um. m Microsfere Polybead (Polysciences, Inc), acoperite cu BSA la 1.500 sau 4.000, alimentate cu margele pe ml, timp de 45 de minute. Numărul de perle ridicate și lungimile scheletului au fost măsurate pentru cel puțin 30 de larve din fiecare replică ca mai sus. Nu a existat nicio diferență semnificativă între probele replicate hrănite cu 1.500 margele pe ml (ANOVA cu doi factori, P cu două cozi = 0.950, SYSTAT v.10), astfel încât replicatele au fost combinate și analizate folosind regresia Model I.
Analize lipidice
Culturile duplicate, fiecare constând din frați vitregi de trei femele, au fost crescute în pahare de 500 ml agitate ușor într-un incubator la 15 ° C. La începutul extensiei brațului (
Valoarea medie normalizată a lungimii brațului postoral și a valorilor trigliceridelor au fost punctate utilizând Regresia Mediană Geometrică Modelul II 52 pentru a explica eroarea asociată ambelor variabile. Lungimea brațului postoral a fost normalizată la maxim. Concentrația de trigliceride a fost normalizată la concentrația inițială în ouă fertilizate (ziua 0, înainte de decolteu). Tratamentele dintr-o cultură replicată au avut aceleași concentrații inițiale de trigliceride, permițând comparații directe între tratamente. Din moment ce nu a existat nicio interacțiune cu culturile (ANOVA cu doi factori, P cu două fețe = 0,478, SYSTAT v.10), cele două culturi au fost reunite pentru regresie.
Informatii suplimentare
Fișiere PDF
Informatii suplimentare
Figurile suplimentare S1-S4 și tabelele suplimentare S1-S3
Observații
Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord cu termenii noștri de utilizare și cu regulile comunității. Dacă găsiți ceva abuziv sau care nu respectă termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind inadecvat.