Mecanism dietetic din spatele costurilor asociate rezistenței la Bacillus thuringiensis în

Departamentul de Științe Biologice de Afiliere, Universitatea Simon Fraser, Burnaby, Columbia Britanică, Canada

Cifre

Abstract

Citare: Shikano I, Cory JS (2014) Mecanismul dietetic din spatele costurilor asociate cu rezistența la Bacillus thuringiensis în colierul de varză, Trichoplusia ni. PLOS ONE 9 (8): e105864. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105864

Editor: Guy Smagghe, Universitatea din Gent, Belgia

Primit: 11 decembrie 2013; Admis: 28 iulie 2014; Publicat: 29 august 2014

Finanțarea: Sprijinul financiar a fost oferit de către Grantul pentru descoperire în științele naturii și ingineria din Canada (NSERC) pentru descoperirea J.S.C. și o bursă doctorală NSERC Alexander Graham Bell Canada, o bursă de admitere absolventă a secolului Pacific de la guvernul BC și o bursă specială de admitere specială țintă de la SFU la I.S. Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Utilizarea repetată a insecticidelor chimice, precum și a mai multor insecticide microbiene, a dus la evoluția rezistenței la numeroase specii de insecte [1] - [5]. Cu toate acestea, mutațiile care conferă rezistență reduc adesea condiția fizică în absența insecticidului [6] - [10]. Prin urmare, evoluția și stabilitatea rezistenței la insecticide microbiene și chimice este considerată a fi puternic influențată de costurile de fitness [11], .

Bacteria producătoare de toxine Bacillus thuringiensis (Bt) este insecticidul microbian cu cel mai mare succes comercial, iar plantele de cultură modificate genetic pentru a exprima toxinele Bt au fost plantate în 66 de milioane de hectare în întreaga lume [13]. Expunerea repetată la Bt a pus o presiune puternică de selecție asupra erbivorelor țintă, rezultând în unele cazuri evoluția rezistenței [3], [5], [14]. Rezistența la majoritatea speciilor scade rapid în absența expunerii la Bt, sugerând un compromis în care alelele pentru rezistența la Bt cresc condiția fizică în prezența Bt, dar provoacă costuri de fitness în absența acesteia [15]. Costurile de fitness asociate cu rezistența la spray-urile Bt sau toxinele Bt au fost găsite la reprezentanții dintr-o familie de Coleoptera (Chrysomelidae [16]) și Diptera (Culicidae [17]) și patru familii de Lepidoptera (Noctuidae [18], [19], Plutellidae [20], [21], Pyralidae [22] și Gelechiidae [23]).

Costurile de fitness asociate cu rezistența la Bt sunt puternic influențate de variația ecologică, cum ar fi plantele pe care insectele se hrănesc [21], [33] - [38], și sunt mărite de fitochimicale defensive care reduc performanța hrănirii prin efecte toxice directe sau prin reducerea disponibilitatea nutrienților [15]. În tulpina noastră de T. ni rezistentă la Bt, gradul costurilor de fitness asociate rezistenței (greutate mai mică a pupei și o rată de dezvoltare mai lentă) a crescut odată cu scăderea adecvării plantelor gazdă [33], [39]. Am emis ipoteza că aceste costuri ar putea fi cauzate de o capacitate afectată de a transforma substanțele nutritive ingerate în creșterea corpului. De asemenea, am arătat recent că tulpina rezistentă la Bt selectează un raport mai mare de proteine la carbohidrați decât tulpina susceptibilă atunci când li se permite să compună propria proteină în dieta carbohidraților [40]. Aportul mai multor proteine ar putea indica hrănirea compensatorie pentru a depăși conversia afectată a proteinei ingerate în azot corporal sau necesitățile crescute de proteine pentru a menține un răspuns imun crescut [41], [42].

Materiale și metode

Studiați animalele

Colonia T. ni rezistentă la Bt a fost menținută la 25 ° C și fotoperiodă 16∶8 (L∶D) pe o dietă standard pe bază de germeni de grâu, de la colecția sa originală dintr-o seră comercială de tomate din Columbia Britanică, Canada în 2001 (etichetat T2c în [19]). Rezistența la Bt a fost menținută prin expunerea larvelor la 40 KIU ml -1 dietă Bt subsp. kurstaki (DiPel 2x DF, Valent Biosciences, Libertyville, IL, SUA) în fiecare generație. Colonia susceptibilă la Bt derivă din linia rezistentă la Bt, dar a fost crescută fără expunere la Btk [19]. Aproximativ 200 de molii au fost împerecheate în fiecare generație pentru a minimiza consangvinizarea. Încrucișările dintre coloniile rezistente și susceptibile au fost efectuate pentru a omogeniza fondul genetic al acestora, apoi au fost selectate din nou cu Bt, astfel încât diferența genetică majoră dintre cele două colonii ar fi probabil rezistența la Bt [49]. În scopul acestui studiu, am folosit larve din linia susceptibilă la Bt (Bt-S) și larve din linia rezistentă la Bt care nu au fost selectate cu Bt pentru o generație (Bt-RU) înainte de experimentele pentru a reduce efecte transgeneraționale din selecțiile Bt [33].

Dietele artificiale

Experiment de hrănire

Conținutul de lipide și azot al pupelor a fost măsurat pentru a determina diferențele în utilizarea nutrienților asociate cu rezistența la Bt. Pentru a măsura conținutul de lipide pupale, pupele uscate au fost extrase cu lipide în trei modificări de cloroform la fiecare 24 de ore, apoi re-uscate și re-cântărite. Doar subseturile de pupe lipidice au fost analizate pentru conținutul de azot din cauza constrângerilor logistice. O submostă selectată aleatoriu din zece pupe uscate lipidice din fiecare tratament dietetic per colonie a fost măcinată individual timp de 10 secunde într-o pulbere omogenă folosind un Mini-BeadBeater (BioSpec Products, Bartlesville, OK, SUA). O probă de pulbere de aproximativ 2 mg din fiecare pupă a fost cântărită la 0,001 mg și încărcată pe un analizor elementar (Vario Micro Cube CHNS Analyzer, Elementar Americas Inc.). Conținutul de azot al fiecărei probe determinat de analizorul elementar a fost utilizat pentru a calcula înapoi și a estima conținutul de azot în fiecare pupă.

Experiment Bt-provocare

Larvele din al patrulea stadiu proaspăt năpârlite au fost hrănite în mod individual cu unul din cele cinci tratamente dietetice în celule ale plăcilor de cultură tisulară cu 48 de godeuri până la năpârlirea până la al cincilea stadiu. Cel de-al cincilea instar proaspăt năpârlit a fost transferat în celule individuale ale plăcilor de cultură tisulară cu 12 godeuri care conțin dietă de colonie tratate cu una dintre cele cinci concentrații de Bt (DiPel) (0, 0,25, 0,5, 1, 2, 4 KIU ml -1 dieta pentru Bt- S; dieta 0, 10, 20, 40, 80, 160 KIU ml -1 pentru Bt-RU). Larvele au fost provocate cu Bt pe dieta coloniei pentru a egaliza expunerea la Bt între tratamentele dietetice. Au existat 48 de larve pe concentrație de Bt pe dietă de tratament pe colonie. Mortalitatea larvară a fost înregistrată după trei zile în dieta tratată cu Bt.

Analize statistice

Rezultate

Performanţă

Indivizii Bt-RU au avut o masă pupală semnificativ mai mică decât insectele Bt-S; cu toate acestea, acest lucru a variat cu raportul P∶C dietetic, linia Bt-RU fiind mai puțin afectată de raportul nutrienților (Figura 1A; Tabelul 1). Pupele Bt-S au cântărit mai mult decât Bt-RU pe cele trei raporturi P dietC dietetice cele mai echilibrate, dar masa pupelor Bt-S a scăzut pe cele două diete cu un raport P∶C extrem, rezultând mase similare pentru ambele linii. Rata relativă de creștere (RGR) a Bt-S a fost, de asemenea, semnificativ mai rapidă decât Bt-RU, dar aceasta a variat, de asemenea, în funcție de dietă și a atins semnificația doar pentru dieta echilibrată (30p∶30c) (Figura 1B; Tabelul 1). Pentru Bt-RU, RGR a fost semnificativ mai scăzut în dieta cea mai bogată în carbohidrați față de alte diete. Pentru Bt-S, RGR a fost semnificativ mai scăzut la ambele diete extreme, comparativ cu cele trei cele mai echilibrate diete. Cele două tulpini T. ni au luat același timp pentru a ajunge la stadiul pupal (Figura 1C; Tabelul 1), iar timpul până la pupație a fost întârziat doar în dieta cea mai bogată în carbohidrați pentru ambele tulpini.