Швидка адаптація до доступності їжі завдяки опосередкованій дофаміном морфогенетичній відповіді

предметів

реферат

вступ

Взаємодія хижака та здобичі може призвести до розвитку та морфологічних реакцій із значними екологічними та еволюційними ефектами 1, 2, 3, 4, 5. Захист, спричинений хижаками, знижує ризик споживання здобичі, тоді як злочини, спричинені хижаками, покращують споживання або конкурентоспроможність хижаків 1, 2, 3, 6, 7, 8. Таким чином, ці фенотипічні зміни можуть впливати на трофічні взаємодії, динаміку популяцій хижих і здобичних груп, динаміку спільноти та сприяти видоутворенням 1, 2, 6. Механістичне розуміння цих реакцій потрібно, щоб зрозуміти їх еволюцію, їх обмеження, їх адаптивне значення та їх функціональні наслідки. 12-й .

Для того щоб розрізнити, чи індукуються довгі руки при низькій щільності їжі, або навпаки, чи індукуються короткі руки при високій щільності їжі, необхідно визначити основний механізм реакції на їжу. У личинок Strongylocentrotus purpuratus перед годуванням ця реакція розвитку відбувається протягом декількох днів і вимагає безпосереднього хіміосенсибування водоростей 15; Отже, це може відбуватися через нейросенсорний механізм. Ми повідомляємо, що дофамін - це неврологічний сигнальний шлях, через який відчуття водоростей змінює розвиток. Сигналізація дофаміну сприяє скороченню довжини плеча личинки з максимуму розвитку. Отже, несподівано ця пластичність, спричинена здобиччю, не є образливою реакцією на покращення закупівель ресурсів. Шляхом експериментальних маніпуляцій із сигналами дофаміну та довжиною руки ми оцінюємо витрати, переваги та обмеження цієї фенотипової відповіді та надаємо докази того, що личинки морського їжака, можливо, обрали широко використовуваний шлях прийому всередину для реакцій розвитку.

Результати

Індукований водоростями сигнал дофаміну гальмує розгинання руки

доступності

Диференціальні інтерференційні контрастні зображення личинок в кінці періоду перед годуванням, день 5, культивованих без a ) та за допомогою ( ) Водорості, починаючи з стадії гаструли. Довжини скелетних елементів після прийому всередину і тіла позначаються чорними лініями. Кількісна оцінка ( c ) довжина післяоральної руки, яка представляє зміну на 20,2% (± 3,9%), і ( d Довжина стрижня тіла, що представляє зміну на 3,9% (± 1,5%) для личинок, які культивувались із (зеленими, n = 20) та без (синіх, n = 18) водоростей. Студентський двосторонній t-тест, *** P

завдяки

( a ) Зміна довжини післяоральної руки та палиці тіла у 5-денних личинок, які отримували агоніст DRD2 хінпірол у зазначених концентраціях, порівняно з контролем. Одноразовий ANOVA для довжини післяоральної руки, F 3,463 = 30,586, P

завдяки

( a ) Зміна довжини післяоральної руки та тіла для 4-денних личинок, які культивували з водоростями або без них як контроль (синій) та поступальний блокуючий MASO при 0,4 мМ (TH MASO1, світло-сірий). ANOVA (додаткова таблиця S2), лікування × водоростями для післяоральних рук, F 1,286 = 19, 604, P 18 (додаткова рис. S2) та подовження процесів по довжині циліарної зв’язки (рис. 4e), які можуть брати участь у відчутті водоростей. Ці дані узгоджуються з розподілом дофамін-позитивних клітин у личинках S. droebachiensis 19 та з нейросенсорною функцією. Більше збільшення (× 40) ембріонів, подвійно забарвлених на дофамін та маркер РМС, вказувало на те, що дофамінові позитивні клітини були безпосередньо поруч з РМС (4g-j). Хоча вторинний ендокринний сигнал 9 часто нейростимулюється при пластичних фенотипових відповідях, близькість дофамін-позитивних клітин до ПМК та вищележачої ектодерми в посторальних відділах збільшує можливість того, що дофамін подає сигнал безпосередньо до одного або обох типів клітин, щоб затримати ріст руки.

завдяки

Флуоресцентне імуногістохімічне виявлення ферменту біосинтезу дофаміну, що обмежує швидкість, та маркера РМС (SM30) в якості еталону, через 54 год після запліднення (hpf) ( a ) і 60 к.с. ( ). Білі стрілки в цих і наступних полях вказують на кінчик післяоральної руки. ( c ) Довжина післяоральної руки в порівнянні з hpf, яка показує одночасний початок розгинання руки і перше виявлення TH-позитивних клітин (чорна стрілка). Сіра пунктирна лінія вказує приблизну довжину початкового тривипромінювання. Похибка бар ± sem Флуоресцентне імуногістохімічне виявлення дофаміну ( d ) і TH ( e ) та маркери PMC, Msp130 ( d ) та SM30 ( e ), на плюсовій стадії (92 к.с.). Флуоресцентна in situ повна гібридизація для виявлення мРНК ddc ( f ) у постірному кінчику руки та в серотонінергічних гангліях (вгорі на малюнку) на ранньому плютеї (72 к.с., оральний вигляд). ( g - j ) Збільшені зображення дофаміну та імунних плям ПМК (Msp130) на кінчику руки. Ядра, пофарбовані DAPI (синій). DA, дофамін DC, допа декарбоксилаза. Шкала шкали ( a - f ) 50 мкм, ( g - j ) 10 мкм.

Експерименти зі зниження регуляції генів (рис. 3) та з руйнуванням наркотиків (рис. 2 та 3), які націлені на дві незалежні точки в сигнальному шляху, а також на часові та просторові моделі експресії ферментів допаміну та біосинтезу дофаміну (рис. 4) визначити дофамін як ключовий сигнал, що опосередковує фенотипову відповідь на доступність їжі. Без сигналу дофаміну втрачається пластичність на відстані витягнутої руки. Таким чином, напрямок фенотипової пластичності зрозумілий: короткі руки індукуються високою щільністю їжі, коли сигнали дофаміну пригнічують розтягнення скелета і, таким чином, сприяють структурному зростанню.

Наслідки прийому та зберігання материнських ліпідів

Показавши, що участь сигналів дофаміну спрямована на зменшення розмірів харчових озброєнь, ми також змогли штучно маніпулювати розміром харчової структури, щоб визначити адаптаційні можливості. Ми перевірили функціональні наслідки для годування та енергоспоживання фармацевтично різних розмірів пристроїв для годування. Цей метод був вигідним у порівнянні з різною концентрацією водоростей, оскільки личинки морського їжака можуть містити екзогенно розчинений органічний матеріал 20, 21, який може змінити свій метаболічний стан, навіть якщо вони ще не годуються.

Попередні дослідження показали, що розмір апарата для годівлі добре корелює з максимальною швидкістю очищення їжі протягом часу розвитку 13, 22 та між різними видами 23 личинок голкошкірих. Різниця в розмірі між видами або стадіями розвитку (наприклад, 4-плечовий проти 8-плечового Echinoplutei) більша, ніж ми спостерігали тут на одній стадії розвитку у одного виду. Щоб визначити, чи порівняно невеликі зміни в структурі живлення можуть суттєво вплинути на швидкість захоплення водоростей, ми фармацевтично маніпулювали розміром структури живлення, а потім дозволили личинкам харчуватися суспензією міметиків водоростей. Варіація довжини післяоральної руки суттєво корелювала з Р

адаптація

( a ) Регресія швидкості кліренсу на довжині післяоральної руки через 5 днів при повторних спробах (круги, трикутники та ромби) при 1500 перлах на мл. Обидві змінні були нормалізовані щодо спостережуваних максимумів. Зведена регресія Моделі I, R 2 = 0, 197, β 1 = 0, 866, P 2 = 0, 877, β 1 = 0, 287 ± 0, 14 (95% ДІ), n = 6-й стовпчик помилок ± sem

обговорення

Відповідь годування личинок морського їжака, як і багатьох ознак, спричинених здобиччю, вважається образливим і посилює вигодовування хижаків 2, 15. На противагу цьому, наші дані показують, що молекулярний механізм насправді зменшує розмір структури живлення при виявленні водоростей. Індукована водоростями передача сигналів допаміну пригнічує стандартну програму розвитку, яка застосовується у попередньо годуючих личинок для отримання коротших рук із меншим потенціалом пошуку корму.

Для того, щоб зберегти фенотипову пластичність, фенотипічні зміни повинні максимізувати придатність для даного середовища. Ми показуємо, що довгоозброєний фенотип максимізує фізичну форму при недостатній кількості їжі, збільшуючи потенціал засвоєння їжі за рахунок материнських ліпідів. Тоді як короткорукий фенотип максимізує придатність, коли їжі достатньо, зберігаючи материнські ліпіди за рахунок максимального потенціалу продовольства. Можуть бути додаткові компроміси у формі, наприклад, між довжиною руки та розміром живота 26 та/або плавними показниками 27, які пов’язані з цією реакцією розвитку.

Можливість призначення запасів енергії матері для інших цілей може мати суттєві наслідки для виживання та успіху в роботі на декількох етапах життя через приховані ефекти 28, 29, 30. Наприклад, збільшуючи їх виділення для розвитку неповнолітніх, личинки можуть скоротити час, коли вони піддаються дії хижаків у планктоні, або може відбутися підвищення якості неповнолітніх 29,30. Оскільки S. purpuratus має високий рівень смертності після поселення з рідкісними успішними вербувальними подіями 31, 32, стан на момент заселення може бути важливим фактором, що контролює динаміку популяцій донного морського їжака, що має наслідки на рівні громади 33, 34. Зі збільшенням частоти або тяжкості випадків личинок та невідповідності доступності їжі зменшення захворюваності водоростями на фазі попереднього вигодовування призводить до збільшення захворюваності довголапими личинками та втрати будь-яких переваг короткоруких личинок, таких як перерозподіл запасів енергії матері.

Наші дані демонструють адаптивне використання дофамінових сигналів для швидкого зміни розвитку кормових структур в очікуванні їжі. Тільки завдяки механістичному розумінню цю форму, спричинену здобиччю, можна було б помістити у відповідний екологічний та еволюційний контекст. Різні організми, від глистів до людей, використовують сигнали дофаміну 35, 36 через рецептори дофаміну типу D 2, зокрема 37, 38, для передбачення споживання їжі. У C. elegans 35, 38, комах 39, 40, дорослих морських їжаків 41 та ссавців, включаючи людей 36, сигнал дофаміну змінює поведінку в очікуванні прийому всередину, тоді як личинки морських їжаків змінюють свій розвиток та форму перед вживанням. Отже, передача сигналів дофаміну, яка бере участь у регулюванні розвитку личинок, може представляти собою варіант або перехід від дуже консервативного використання сигналів дофаміну при посередницькій поведінці в очікуванні їжі.

Методи

Культура ембріонів та личинок

Дорослих морських їжаків, Strongylocentrotus purpuratus, із Культурного Абалону та Морської Безхребетної Лабораторії Пойнт Лома, CalTech, утримували в морській воді при температурі 10 ° C. Гамети збирали внутрішньоцеломічними ін’єкціями 0,55 М KCl. Ембріони культивували стандартними методами при щільності 1-5 ембріонів на мл у штучній морській воді (ASW) при 15 ° C з водоростями або без них (5000 клітин на мл Dunaliella sp.) .

Кількісне визначення довжини скелета

Довжини післяоральної руки і тіла (кожна n ≥ 20) визначали на основі випадкової проби, яку відбирали безпосередньо перед початком годування через 5 днів pf, за винятком ембріонів, яким було введено морфоліно та які були взяті через 4 дні pf, щоб забезпечити цей морфоліновий розпад синтезу білка TH все ще був ефективним. Щоб розташувати скелетні елементи в одній площині, личинок видавлювали на предметні стекла мікроскопа, а потім зображали за допомогою перевернутого мікроскопа Zeiss Axiovert 200 М при 20 × при диференційному контрастному висновку, завдяки чому двопроменезаломлюючі скелетні елементи можна легко ідентифікувати. Довжини скелета визначали кількісно з цифрових зображень за допомогою програмного забезпечення AxioVision (Carl Zeiss MicroImaging). У деяких випадках (42, амісульприд, високоселективний антагоніст дофамінових рецепторів D 2/D 3 43 і гідрохлорид метилового ефіру α-метил-DL-тирозину, селективний інгібітор, порушений TH 44, безпосередньо шляхом розведення в живильному середовищі (ASW), що вводиться повним личинкам братів або сестер на пізній стадії гаструли (48-52 к.с.), якщо в тексті не зазначено інше. Фармацевтичні експерименти проводились у двох примірниках з різними парами жінок-чоловіків.

Мікроін’єкції

Запліднені яйця поповнювали відфільтрованими розчинами, що містять 20% гліцерину та родаміну-декстрану без морфоліносів (контроль гліцерину), 0,4 мМ TH MASO1 або 0,15 мМ TH MASO2, використовуючи мікроманіпулятор Eppendorf Femtojet-Injectman NI2, Підключений інвертований флуоресцентний мікроскоп Leica, який вводиться в мікроін’єкції (посилання 45). Ін'єкції TH MASO1 були повторені з двома різними парами жінок-чоловіків. Порівнювали гліцерин та неін’єкційні ембріони, і не спостерігали суттєвих змін довжини скелета, імунозабарвлення TH або реакції на водорості. Тому деякі пізніші експерименти використовували неін'єктовані ембріони в якості контролю. Блокування перекладу TH MASO1 було розроблено на основі передбачуваного TH (GLEAN 00836) 5'UTR, що було підтверджено RACE. TH MASO1: 5'-GCGTCCTGCTGTAGAAGATACTTGA-3 '. TH MASO2 націлений на межу інтрон 8/екзон 9, щоб порушити каталітичний домен ферменту 46. TH MASO2: 5'-GCCTACGATGAACAAGAACAAATGT-3 '.

Статистичний аналіз на порушення дофаміну

Реакцію дози післяоральної довжини плеча на лікування квінпіролом оцінювали за допомогою одностороннього дисперсійного аналізу (ANOVA) з подальшим корекційним Бонферроні попарним порівнянням з контролем, щоб визначити, чи є ця зміна значущою від контролю. Відповідь на водорості оцінювали у фармацевтичних та TH MASO1 розладах за допомогою тристоронньої ANOVA, при якій лікування розладів, лікування водоростей (проти та проти водоростей) та експериментальна реплікація визначали ефекти та середню квадратичну похибку як знаменник коефіцієнта f 47 . Оскільки всі експерименти показали значну (Р> 0,05) взаємодію між порушенням та лікуванням водоростей щодо довжини післяоральної руки, було проведено подальше парне порівняння, скориговане Бонферроні, щоб визначити, чи була зміна, спричинена водоростями. TH MASO2 не реплікували і тому оцінювали його за допомогою двосторонніх t-тестів Стьюдента. Всі статистичні оцінки проводились у системі SYSTAT v10 з виходом до трьох знаків після коми, саме тому точні значення P вказуються для P> 0,001.

Імунозабарвлення та флуоресценція in situ гібридизація

Спроба годування

Ми обробляли личинок напівбратів від трьох самок ASW (контроль), агоністом DRD2 (квінпірол) та антагоністом DRD2 (амісульпридом), щоб максимально збільшити діапазон розмірів годуючих структур. Личинок кожного з цих обробок об'єднували у трьох повторюваних культурах, переносили на АСВ протягом 4 годин, а потім обробляли м'яко розмитою суспензією імітації водоростей 10 мкм. м. Мікросфери Polybead (Polysciences, Inc), покриті BSA при 1500 або 4000, подані кульки на мл протягом 45 хв. Кількість зібраних куль і довжина скелета вимірювали принаймні для 30 личинок з кожної копії, як зазначено вище. Не було суттєвої різниці між повторними зразками, які годували 1500 кульками на мл (двофакторний ANOVA, двохвостий P = 0,950, SYSTAT v.10), тому репліки об'єднували та аналізували за допомогою регресії Моделі I.

Аналізи ліпідів

Повторювані культури, кожна з яких складається з напівбратів та сестер трьох жіночих тварин, вирощували в обережно перемішуваних мензурках об’ємом 500 мл в інкубаторі при 15 ° С. На початку розгинання руки (

Нормалізовані середні значення довжини післяоральної руки та тригліцеридів оцінювали за допомогою середньої геометричної регресії Моделі 52, щоб врахувати помилку, пов’язану з обома змінними. Довжина післяоральної руки була нормалізована до максимуму. Концентрацію тригліцеридів нормалізували до початкової концентрації в запліднених яйцеклітинах (день 0, перед розщепленням). Процедури в повторній культурі мали однакові початкові концентрації тригліцеридів, що дозволяло проводити пряме порівняння між лікуваннями. Оскільки взаємодії з культурами не було (двофакторний ANOVA, двосторонній P = 0,478, SYSTAT v.10), дві культури об'єднали для регресії.

Додаткова інформація

Файли PDF

Додаткова інформація

Додаткові рисунки S1-S4 та додаткові таблиці S1-S3

Зауваження

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь з нашими умовами використання та правилами спільноти. Якщо ви виявите щось образливе або не відповідає нашим умовам чи інструкціям, позначте це як неприйнятне.