Rezistența fluturilor de lapte la toxinele plantelor este legată de sechestrare, fără a face față unui toxic
Date asociate
Datele brute raportate în această lucrare au fost depuse în Dryad: http://dx.doi.org/10.5061/dryad.3jm4q.
Abstract
1. Introducere
Modelul de lungă durată al coevoluției susține că adaptarea reciprocă în interacțiunile speciilor poate duce la o cursă a înarmărilor de fenotipuri în creștere [1,2]. În consecință, adaptările insectelor erbivore pentru a găzdui toxinele plantelor sunt de obicei interpretate ca un răspuns evolutiv la apărarea plantelor, crucial pentru utilizarea anumitor specii de plante ca resursă dietetică [3-8]. În schimb, evoluția adaptărilor specifice pentru a facilita sechestrarea toxinelor plantelor (adică absorbția toxinelor prin intestin și reținerea lor în organism [9]) implică prădători și parazitoizi (al treilea nivel trofic) sau control de sus în jos, ca forță motrice în coevoluția plantă - erbivor. În ciuda aprecierii pe scară largă a sechestrării ca componentă extremă a specializării și adaptării plantelor gazdă împotriva prădării [9,10], mecanismele modului în care sechestrarea se integrează în teoria coevolutivă [3,11] sunt abia înțelese. Pentru a testa importanța relativă de a face față unei diete toxice față de sechestrarea toxinelor în modelarea adaptărilor insectelor, aici evaluăm consecințele funcționale ale unei caracteristici de rezistență care escaladează evolutiv pe fluturii de lapte [12,13].
Cardenolidele (glicozide cardiace) sunt toxine vegetale foarte puternice care inhibă în mod specific Na +/K + -ATPaza, un transportator esențial de cationi animale [14,15]. În mod remarcabil, adaptarea moleculară la cardenolide prin Na +/K + -ATPaze modificate (insensibilitate la ținta țintă) a evoluat convergent în cel puțin cinci ordine de insecte erbivore [16-18]. Rezistența insectelor la Na +/K + -ATPaza se bazează pe substituții specifice de aminoacizi care modifică proprietățile de legare a cardenolidelor Na +/K + -ATPaza și a fost descrisă pentru prima dată în fluturele monarh (Danaus plexippus) [19,20].
Fluturele monarh reprezintă, de asemenea, un caz clasic de apărare dobândită, în care omizele nu numai că tolerează, ci și sechestrează cardenolidele din plantele lor gazdă de lapte (Asclepias spp., Apocynaceae) și transferă aceste toxine în stadiul de fluture pentru propria lor apărare împotriva prădătorilor și paraziților. [21-23]. Practic, toți cei 60160 de fluturi de lapte din tribul Danaini (Nymphalidae) sunt specializați pe plantele gazdă din Apocynaceae, care deseori produc cardenolide [15], sugerând o istorie evolutivă lungă și comună. Cu toate acestea, în Danaini, rezistența la Na +/K + -ATPază a evoluat treptat, rezultând trei forme de Na +/K + -ATPază cu creșterea rezistenței cardenolidelor. Dintre cele 16 specii de Danaini ale căror gene Na +/K + -ATPase au fost secvențiate și testate fiziologic Na +/K + -ATPase, rezistența la cardenolide a fost determinată de trei forme moleculare discrete [12].
În ciuda acceptării generale a interacțiunilor tritrofice ca un important contribuitor la interacțiunile plante - insecte [25,26], nu se știe cum al treilea nivel trofic poate influența adaptarea reciprocă între plante și insecte [3]. Este bine stabilit că cardenolidele protejează fluturii monarhi de atacurile păsărilor [21], iar fluturii monarhi și regina sunt modele de mimică pentru vicerege (Limenitis archippus) [27,28], subliniind eficacitatea sechestrării cardenolidelor ca apărare. Mai mult decât atât, s-a arătat că, între speciile de fluturi de lapte (D. plexippus, tigrul simplu, D. chrysippus și E. core), puterea emetică care acționează asupra prădătorilor este legată de cantitatea de cardenolide stocate [29]. Studiul nostru sugerează astfel un mecanism al modului în care cel de-al treilea nivel trofic se poate implica în coevoluția dintre plante și plante, favorizând toleranța modificată și utilizarea toxinelor de către erbivori. Într-adevăr, fluturii de lapte sunt un model pentru a ne avansa cunoștințele despre modul în care interacțiunile comunitare complexe au modelat evoluția speciilor la nivel molecular și fiziologic.
2. Material și metode
(a) Insecte
Miezul Euploea a fost menținut într-o cușcă de plasă într-o seră pentru a obține ouă. Ouăle Danaus gilippus și D. plexippus au fost achiziționate de la crescătorii comerciali. Lucrul cu E. core și D. gilippus a fost permis sub permisul USDA numărul P526P-12-05106. Ouăle de fluture au fost igienizate la suprafață cu o soluție de oxină de 100 ppm (Bio-Cide, International Inc., Norman, OK, SUA) în apă (0,01% ClO2) timp de 10 minute pentru a preveni transferul potențial de paraziți [30].
(b) Plante
Semințele de Asclepias (asperula, curassavica, cordifolia, hallii, linaria, incarnata, syriaca și viridis) au fost obținute comercial sau colectate în câmp. Semințele au fost tratate cu înălbitor de uz casnic (5%) timp de 5 minute, tăiate și stratificate la rece timp de 7 zile. După germinare la 28 ° C, răsadurile au fost plantate în ghivece de 500 ml umplute cu sol de ghiveci (Metro-Mix; Sun Gro Horticulture, Canada CM Ltd, Vancouver, Canada). Plantele au fost fertilizate (NPK 21: 5: 20, 150 ppm N) după 10 și după 20 de zile și udate după cum este necesar. Plantele (fără înflorire) au fost folosite pentru experimente după patru până la șapte săptămâni de creștere într-o cameră de intrare în mediu controlat (14: 10 h ciclu zi/noapte, 400 microeineine m −2 s −1 de lumină, 27 ° C/24 ° C). Locațiile spațiale ale plantelor au fost randomizate în cameră.
(c) Experiment de creștere Caterpillar
Pentru a testa efectele cardenolidelor asupra creșterii omidelor, omizi nou-născuți din cele trei specii au fost transferate individual către plantele Asclepias (adică o plantă a primit o singură omidă). După 3 și 5 zile în camera de mediu în aceleași condiții ca și cele utilizate pentru creșterea plantelor, greutățile corpului omidă au fost înregistrate folosind un microechilibru (AT21 Comparator, Mettler Toledo, Columbus, OH, SUA). După cântărire, omizile au fost reaplicate la plantele originale. De asemenea, în ziua a cincea, au fost prelevate probe de frunze pentru analiza cardenolidelor și omizi de pe plante au fost plasate în cuști într-un manșon de plasă. Omizile au rămas pe plante până când au ajuns la a patra sau a cincea etapă. Pentru evaluarea creșterii omidelor (5 zile), omizile au fost ținute pe o singură plantă și în niciun caz nu s-a consumat mai mult de 50% din frunziș. Ulterior, plantele au fost înlocuite cu plante proaspete din aceeași specie, dacă este necesar. În total, au fost efectuate cinci blocuri ale experimentului de creștere a omidelor. În fiecare bloc, au fost utilizate toate cele opt specii de Asclepias. Consultați materialul suplimentar electronic, tabelul S1, pentru numărul de greutăți pe șenile obținute pe bloc. Mărimile probelor pentru fiecare combinație de specii de insecte și plante sunt enumerate în materialul suplimentar electronic, tabelul S2.