Dimensiunile conductelor de la nivelul gurii ale insectelor care alimentează lichid determină capacitatea de a se hrăni din pori
Matthew S. Lehnert
1 Departamentul de Științe Biologice, Universitatea de Stat Kent din Stark, North Canton, OH 44720, SUA
Andrew Bennett
1 Departamentul de Științe Biologice, Universitatea de Stat Kent din Stark, North Canton, OH 44720, SUA
Kristen E. Reiter
1 Departamentul de Științe Biologice, Universitatea de Stat Kent din Stark, North Canton, OH 44720, SUA
Patrick D. Gerard
2 Departamentul de Științe Matematice, Universitatea Clemson, Clemson, SC 29634, SUA
Qi-Huo Wei
3 Liquid Crystal Institute, Kent State University, Kent, OH 44242, SUA
Miranda Byler
1 Departamentul de Științe Biologice, Universitatea de Stat Kent din Stark, North Canton, OH 44720, SUA
Huan Yan
3 Liquid Crystal Institute, Kent State University, Kent, OH 44242, SUA
Wah-Keat Lee
4 Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973, SUA
Date asociate
Setul de date care susține acest document poate fi găsit la Dryad Digital Repository: http://dx.doi.org/10.5061/dryad.b167g [46].
Abstract
1. Introducere
Lichidele nutritive, cum ar fi fluxurile de sapă și nectarul, sunt o resursă limitativă; competiția, seceta și alți factori de mediu pot reduce aceste lichide din bazine până la umplerea numai a porilor mici de pe suprafețe [1-3]. Insectele care sunt capabile să extragă lichide de pe suprafețe poroase în condiții de mediu nefavorabile, cum ar fi seceta, ar avea un avantaj adaptativ față de alte insecte. În ciuda provocărilor asociate cu extragerea fluidelor limitate în porii mici de pe suprafețe, muște (Diptera, peste 150.000 de specii) și fluturi și molii (Lepidoptera, peste 160.000 de specii), alimentatoarele de lichid de premieră (70% din toate insectele care alimentează lichide) [4, 5], sunt adesea observate hrănindu-se de pe suprafețe poroase. Capacitatea lor de a se hrăni cu o mare varietate de fluide, cum ar fi nectarul, sângele, fluxurile de seve, mierea și sucurile de pe carios, fructe putrezite și balegă [6-10], au contribuit probabil la radiația lor masivă oferind oportunități de a intra în noi zone adaptive [11]. Ambele grupuri au piese bucale (proboscise) care sunt conceptual o conductă cu părți distale modificate care susțin absorbția fluidelor [12-15].
Deși Diptera și Lepidoptera au în cap o pompă de aspirare care este utilizată pentru transferul fluidelor prin canalele lor alimentare [16,17], acțiunea pompei singure nu poate depăși presiunea capilară necesară pentru a extrage fluidele din porii mici ai substratului [12,18 ]. Imaginea cu contrast de fază cu raze X a relevat că fluturele monarh (Danaus plexippus L.) depășește această provocare având o proboză poroasă care sprijină îndepărtarea fluidului din porii substratului prin acțiunea capilară pentru a construi punți lichide, prin instabilitatea Platoului [12,19], în interiorul canalului alimentar al proboscisului. Odată formată, pompa de aspirare poate genera presiunea diferențială pentru a transporta punțile de lichid către intestin [12]. Formarea podului lichid în D. plexippus depinde totuși de o relație între dimensiunea porilor substratului și diametrul canalului alimentar al pieselor bucale - punțile lichide nu se pot forma în conductele părții bucale cu diametru mai mare decât porii substratului, deci există un por limitativ. dimensiune din care se poate hrăni D. plexippus. Dovezile experimentale care indică importanța acțiunii capilare în hrana lichidă de către insecte lipsesc, iar ipoteza limită a mărimii porilor nu a fost testată la alte specii de hrănire cu lichide.
Având în vedere că insectele care hrănesc cu lichide diferă în ceea ce privește dimensiunile pieselor bucale [20], am emis ipoteza că există dimensiuni diferite ale porilor substratului substrat din care speciile se pot hrăni. În plus, un model răspândit de limitare a dimensiunilor porilor ar sugera că aceste insecte utilizează capilaritatea și punțile lichide ca principii de unire pentru absorbția fluidelor. O provocare centrală în evaluarea dimensiunii limită a porilor este determinarea dacă o insectă a dobândit în mod pozitiv fluide din porii mici de pe suprafețe. Monaenkova și colab. [12], de exemplu, a evaluat abilitățile de hrănire a D. plexippus pe baza comportamentelor de sondare a proboscisului, care se referă la hrănire, dar nu confirmă achiziția de lichid. Aici, folosim o soluție de zaharoză 20% amestecată cu nanoparticule magnetice fluorescente ca indicator al capacității de hrănire.
2. Metode
(o specie
(b) Soluție de alimentare
O nanoparticulă de 1 mg ml -1 dH2O (fluorescent, oxid de fier magnetic cu un strat de acid poliacrilic, cu aproximativ 20 nm în diametru [22]) a fost amestecată cu o soluție de zaharoză 20% și colorant alimentar roșu (4,75: 4,75: 0,5, respectiv) pentru a produce o soluție de nanoparticule care a fost utilizată pentru a determina abilitățile de absorbție a fluidelor.
(c) Încercări experimentale de instalare și hrănire
(d) Disecții și observații cu nanoparticule
Imediat după hrănire, insectele au fost disecate sub un stereoscop (stereomicroscop Leica M205 C), iar cultura a fost îndepărtată folosind forceps și foarfece de disecție. Recolta a fost plasată pe un diapozitiv cu o lamă de acoperire și imaginată cu un filtru CY3 pe un microscop confocal Olympus IX81 (Center Valley, PA) la 20 ×. Un magnet a fost fluturat de culturi pentru a verifica prezența nanoparticulelor; dacă este prezent, aceasta indica capacitatea de a se alimenta dintr-o dimensiune specificată a porilor filtrului (figura 2).
(e) Microscopie electronică de scanare, tomografie și imagistică cu contrast de fază cu raze X.
Insectele au fost pregătite pentru microscopie electronică de scanare prin plasarea acestora printr-o serie de deshidratare a etanolului (70%, 80%, 90%, 100% EtOH timp de 24 de ore fiecare) urmată de uscare chimică folosind hexametildisalizan. Insectele au fost apoi poziționate pe tijele de aluminiu cu microscop electronic cu scanare (SEM) folosind bandă de grafit carbon și acoperite cu pulverizare cu platină timp de 1-2 minute. Exemplarele au fost realizate la 20 kV cu un Hitachi TM3000 SEM. Hârtiile de filtru neutilizate au fost așezate pe un butuc SEM de aluminiu și acoperite cu pulverizare cu un strat de platină de 7 nm. Hârtia de filtru a fost fotografiată la vid înalt la 15 kV într-un JEOL 6010LA-SEM. Tomografia și imaginile cu contrast de fază cu raze X au fost achiziționate la Laboratorul Național Argonne în urma unor protocoale și intensități ale fasciculului stabilite anterior [12].
(f) Statistici
Măsurătorile părții bucale proximale și distale au fost comparate în cadrul speciilor folosind un test t asociat. Analiza varianței (ANOVA, p 2 = 0,9341; F85,05; p 2 = 0,3110; F2,71; p = 0,151) din cauza regiunilor mari ale părții bucale proximale a muștelor. Piesele bucale distale au fost semnificativ mai mici decât regiunile proximale pentru toate speciile testate (teste t asociate, p 2 = 0,8380; p = 0,0029; părțile bucale proximale R 2 = 0,8841, p = 0,0477; figura 3). Muștele de la tratamentul pre-alimentat au reușit să dobândească soluția de nanoparticule din toate dimensiunile testate ale porilor filtrului, împiedicându-ne să determinăm dimensiunea pragului substratului porilor. Insectele au exprimat, de asemenea, o serie de comportamente de hrănire legate de dimensiunile porilor substratului din care au fost prezentate; cele prezentate cu dimensiuni mai mici ale porilor au exprimat comportamente sporite de spongare sau sondare [13,29]. Lichidele expulzate au fost observate de la unii fluturi în timpul hrănirii (n = 16) și doar unul dintre acești fluturi nu a avut ulterior soluția de nanoparticule din cultura lor (a se vedea materialul suplimentar electronic, tabelul S2).