A trágyabogarak makkot fogyasztanak, hogy növeljék petefészkük fejlődését és hőtoleranciájukat

Tartozás I. U. CIBIO, Alicante Egyetem, Alicante, Spanyolország

Hovatartozás Museo Nacional de Ciencias Naturales, CSIC, Madrid, Spanyolország

Tartozás I. U. CIBIO, Alicante Egyetem, Alicante, Spanyolország

José R. Verdú,
José L. Casas,
Jorge M. Lobo,
Catherine Numa

Ábrák

Absztrakt

Az állatok különböző ételeket fogyasztanak olyan arányban, amely kedvezőbb tápanyagegyensúlyt eredményez. Annak ellenére, hogy ismertek ezekre a viselkedésekre a különböző taxonokban, ökológiai és fiziológiai előnyeik továbbra sem tisztázottak. Meglepő táplálkozási elmozdulást azonosítottunk, amely ökofiziológiai előnyökkel jár egy trágyabogárfaj esetében. A Thorectes lusitanicus, a mediterrán ökoszisztéma faj, amely félig száraz és száraz trágya (trágyarost fogyasztók) fogyasztására alkalmas, szintén aktívan vonzza a tölgy makkokat, elfogyasztja és eltemeti őket. A makkfogyasztás potenciális előnyöket kínál a makkot nem fogyasztó bogarakkal szemben: a makk táplált bogarak fontos javulást mutattak a zsír testtömegében, a hemolimfa összetételében és a petefészek fejlődésében. A szaporodási időszakban (október-december) a makkokat étrendjükbe bevont bogaraknak nagymértékben javítaniuk kell az alacsony hőmérsékleti viszonyokkal szembeni ellenállást és a petefészek fejlődését. Amellett, hogy jobban megértik az étrendi plaszticitás jelentőségét a trágyabogarak evolúciós biológiájában, ezek az eredmények megnyitják az utat a differenciális étrendi szelekció ökofiziológiai következményeinek e rovarok ökológiájára és biogeográfiájára vonatkozó általánosabb megértéséhez.

Idézet: Verdú JR, Casas JL, Lobo JM, Numa C (2010) A trágyabogarak makkot fogyasztanak, hogy növeljék petefészkük fejlõdését és hõtoleranciáját. PLoS ONE 5 (4): e10114. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0010114

Szerkesztő: Ryan L. Earley, Alabamai Egyetem, Amerikai Egyesült Államok

Fogadott: 2009. szeptember 7 .; Elfogadott: 2010. március 22 .; Közzétett: 2010. április 9

Finanszírozás: Ezt a kutatást a Ministerio de Ciencia e Innovacion-Spain (CGL2008-03878) támogatta. A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Bevezetés

A táplálkozási változások megváltoztathatják a hőtűrést azáltal, hogy befolyásolják a fagyálló fehérjék termelését [12], [13]. Bár az energia összegyűjtésén kívül más táplálkozási igények kritikusak lehetnek, az optimális takarmányozási elmélet általános előrejelzései szerint az organizmusok arra törekszenek, hogy a lehető legkisebb időveszteség mellett maximalizálják a nettó energiafogyasztás mértékét; az állat növeli alkalmasságát olyan etetési szokások alkalmazásával, amelyek maximalizálják bizonyos kritikus étrendi pénznem, általában az energia egységenkénti bevitelét [14]. Ennek az elméletnek néhány gyakori jóslata szerint „a nagy ételeket kell előnyben részesíteni a kicsi, foltos ételek helyett az elosztott ételek helyett; kalóriatartalmú ételek kalóriatartalmú ételek ”. Az állatok azonban különböző ételeket fogyaszthatnak olyan arányban, amelyek kedvezőbb tápanyag-egyensúlyt eredményeznek, mint önmagában ezen élelmiszerek bármelyikéből, ez a viselkedési stratégia az úgynevezett étrendi önkiválasztás [14], [15], [16], [17]. Itt mutatjuk be először, hogy a trágyabogár fajok étrendjének diverzifikálása a makk fogyasztása érdekében hogyan lehet laboratóriumi körülmények között javítani a hőtűrést és a szaporodási képességet. Ez pedig segíthet elmagyarázni e faj egyes ökológiai és elterjedési adatait.

Szaporodási időszakukban a T. lusitanicus Quercus makkjait temeti el és táplálkozik, fontos ökológiai vonatkozásokkal.

Az erdő regenerálódásának lehetséges ökológiai következményei mellett nagy az érdeklődés annak megértése érdekében, hogy milyen előnyökkel jár a trágyabogarak étrendi váltása a trágyától a makkig, valamint ennek a diverzifikációnak a trofikus fülkében rejlő lehetséges fiziológiai és reproduktív következményei. Ebben a munkában olyan kísérleti bizonyítékokat mutatunk be, amelyek segítenek megmagyarázni e feltűnő magatartás lehetséges előnyeit [19]. Tekintettel a makokban jelenlévő magas többszörösen telítetlen zsírsavak, trigliceridek és szterinek tartalmára [25], bebizonyítjuk, hogy ez az étrend-bővítés jelentősen befolyásolja a zsír testének fejlődését, a hemolimfa összetételét, a hidegállóságot és a petefészek fejlődését laboratóriumi körülmények között. Ezenkívül néhány terepi adatot, valamint ökológiai és természettudományi bizonyítékokat is tartalmaz, amelyek alátámasztják a makkfogyasztás relevanciáját természetes körülmények között, ami azt sugallja, hogy egyes rovarok valószínűleg képesek fokozni környezeti és szaporodási képességüket a trofikus viselkedés megváltoztatásával.

Eredmények

A makkkal táplált bogarak zsírtartalma 4,6-szor nehezebb volt, mint a tehéntrágyával (1. táblázat). Az a lenyűgöző méret, amelyet ez a szövet elért a makkot tápláló bogarakban, szabad szemmel is nyilvánvaló volt (2A. Ábra).

A makkon (A és C), valamint a tehéntrágyán (B és D) alapuló étrendek. FB: kövér test; Oo (m): érett petesejt; Oo (u): fejletlen petesejt.

A hemolimfa összetételét az étrend is nagymértékben megváltoztatta, különös tekintettel a zsírsavtípusra és -tartalomra, valamint a fehérjetartalomra. A tehéntrágyával táplált bogarak hemolimfájában található összes zsírsav (palmitin, 16: 0; palmitolein, 9-cisz 16: 1; oleinsav, 9-cisz 18: 1; és linolsav, 9,12-cisz 18: 2 ) kétszer-háromszorosára nőtt a makkkal táplált bogár hemolimfában (1. táblázat). A makkdiéta meghatározta a sztearin (18: 0) és a linolénsav (9,12,15-cis 18: 3) hemolimfában való jelenlétét is, amelyek mind a tehéntrágyatartalom alatt nem voltak kimutathatók (1. táblázat).

Valószínűleg a makkkal táplált bogarak hemolimfájának legkiemelkedőbb tulajdonsága a fehérjetartalommal volt összefüggésben, amely 4,6-szor magasabb volt, mint a tehén trágyával táplált bogarak hemolimfájában (1. táblázat). Noha ezeknek a fehérjéknek a típusát és azonosságát jelenleg laboratóriumunkban vizsgálják, az étrendből származó fehérjetartalom e nagy különbségének első következménye a hemolimfa egyes biofizikai jellemzőinek eltérése volt (1. táblázat). A túlhűtési pont (SCP) -8,50 ± 2,17 ° C (átlag ± sd) csökkenését találtuk a tehén trágyával táplált bogarak hemolimfáján a makkkal táplált bogaraké -13,48 ± 1,15 ° C-ra. A hemolimma SCP módosítása mellett az étrend a hemolimfában észlelt termikus hiszterézis aktivitás (THA) változását is eredményezte, amely a tehén trágyával táplált bogarak 0,41 ± 0,02 ° C-ról 0,64 ± 0,04 ° C-ra emelkedett a makkot tápláló bogarak. A glicerint az étrendtől függetlenül hasonló koncentrációban találtuk a hemolimfában (1. táblázat).

A T. lusitanicus laboratóriumi körülmények közötti aktivitására vonatkozó viselkedési adatok azt mutatták, hogy a makkkal táplálkozó egyedek a két vizsgált környezeti hőmérsékleten szignifikánsan aktívabbak voltak. A makkkal táplálkozó egyedek 91 és 85,5% -a továbbra is aktív marad 20 ° C-on és 10 ° C-on, míg a tehéntrágyával táplálkozó egyedek 43,6% -a és 17,2% -a mindkét hőmérsékleten aktív volt (1. táblázat).

Végül a makkkal táplált bogaraknál petefészkeik fejlődése nagyobb volt, petefészkénként nagyobb volt az érett petesejtek száma, és nagyobb volt a tehéntrágyával táplált bogarak petesejtjeinek átlagos súlya. Továbbá a fejletlen petefészkek száma nagyobb volt a tehéntrágyával táplált bogarakban (2. táblázat), mint a makkkal etetett bogarakban.

Vita

Az olyan fagyhatatlan és áttelelő fajokban, mint a T. lusitanicus, az SCP és a THA két olyan jellemző, amelyek ősszel fokozódnak, hogy elősegítsék a téli túlélést. A T. lusitanicus esetében az SCP és a THA szintjének télen történő módosítása fontos mechanizmus lehet az inokulatív fagyás kialakulásának megakadályozásában (jéggel érintkezve) fagyok idején. A T. lusitanicus elterjedési területén kevés a hó és a fagy, bár egyes esetekben a télen regisztrált környezeti hőmérséklet elérheti a −5 ° C-ot. Azonban egy mérsékelten hidegtűrő faj, mint például a T. lusitanicus, természetes körülmények között kihasználhatja az előnyöket, amikor az SCP csökken, mivel az alacsony hőmérsékleten a túlélési arány drasztikusan növekedhet. Mérsékelten hideget toleráns és hidegre érzékeny fajokban a túlélési arány változásai összefüggenek az SCP értékekkel [31], mivel az SCP növelése gyakori stratégia a leghidegebb periódusok túlélésére [32]. Például a curculionid Rhynchaenus fagi bogár esetében, bár ennek a fajnak az SCP értéke –25 ° C, az egyedek kevesebb mint 30% -a él túl 50 nap után –15 ° C-on [33].

Úgy tűnik, hogy a makkfogyasztás is befolyásolja e faj szaporodási képességét. A petefészkek súlya, a petesejtenkénti petesejtek száma és a petesejtek átlagos tömege szignifikánsan magasabb volt a makkkal táplált egyedekben (lásd 2C. Ábra és 2. táblázat), mint a tehéntrágyával táplált bogarakban, amelyeknél szintén magasabb volt a fejletlen petefészkek. Ezt a magasabb petefészek-fejlődést fokozhatja a magas zsírsavtartalom. A palmitinsav, az oleinsav és a linolsav a legtöbb rovar szaporodási ciklusa során a legelterjedtebb [34]. A legtöbb rovarnak tápanyagigénye van a többszörösen telítetlen zsírsavakra, és számos tanulmány rámutatott, hogy a linolsav vagy a linolénsav kielégíti ezt a táplálkozási igényt. Ezen vegyületek hiánya vagy hiánya kudarcokat eredményez a metamorfózisban, a nimfa növekedésben és a jól formált felnőttek megjelenésében [35]. A T. lusitanicus esetében a makkon alapuló étrend nemcsak magas zsírsavkoncentrációt biztosít, hanem az esszenciális linolénsav egyedülálló forrása is.

Zsírsav-elemzés

Túlhűtési pont

A hemolimfa fagypontja alatti hűtési hőmérsékletét anélkül, hogy szilárdulna, FLIR Thermacam P620 termikus infravörös kamerával 640 × 480 pixel felbontással és mikrobolométeres Focal Plane Array detektorral mértük 7,5–13 µm spektrális tartományban, és ± 0,06 ° C hőérzékenység 30 ° C-on. A kapott hőképek rögzítésére és elemzésére a ThermaCAM ™ Researcher v 2.9 szoftvert [56] használtuk. A túlhűtési pontokat annak a hőmérsékletnek a meghatározásával határoztuk meg, amelynél a fagyás kezdetekor a kristályosodás exoterm reakciója (látens kristályosodási hő) bekövetkezik [57] (3. ábra). Az összes mérték egységesítése érdekében kiválasztottuk a mellkasban kapott túlhűtési pontot (3. ábra). A hűtési sebességet 0,5 ° C/perc értékre rögzítettük. A hűtési sebességeket egy MIR-153 programozható, fűtött és hűtött inkubátor (SANYO Electric Co., Ltd.) segítségével tartottuk ± 0,2 ° C pontossággal. A túlhűtési kísérleteket minden étrendhez legalább tíz egyed hemolimfamintájával végeztük.

(A) Az előfagyási állapot a túlhűtési pont mérésekor; (B) a mellkasban található hemolimfa exoterm kristályosodása (lásd alább a fekete görbét); és (C) a hasban lévő hemolimfa (lásd a szürke görbét alább) és a test többi részének kristályosodása. A piros jelek azt a pillanatot jelzik, amely megfelel az egyes termográfiáknak és hőmérsékleti görbéknek (a mellkas hőmérséklete a fekete görbében és a hasi hőmérséklet a szürke vonalon).

Termikus hiszterézis

Ezeket a méréseket differenciális pásztázó kaloriméterrel (DSC; Q-100, TA Instruments) végeztük. A hemolimfa minden egyes mintáját (1 µl) alumínium edénybe lezártuk, üres serpenyőt használva kontrollként. A mintákat a DSC futtatása előtt lemértük. A szarvasmarha-szérum albumint használtuk standard AFP-mentes oldatként, összehasonlítva az AFP-t tartalmazó mintákkal [58]. Hansen és Baust [59] nyomán a mintákat lehűtöttük és 1 ° C/perc sebességgel melegítettük, és mind a kristályosodási, mind az olvadáspontokat feljegyeztük. Hemolimfot használtunk olaj nélkül, és néhány kísérleti paramétert megváltoztattunk: a mintákat ezután lehűtöttük, és ebben az esetben -30 ° C-ra (1 ° C/perc sebességgel) egyensúlyoztuk, 5 percig tartottuk (izoterm idő), egymás után melegítettük. részleges olvadási hőmérsékletek –10 és 0 ° C között 0,1 ° C-os lépésekben, és 5 percig minden egyes lépésnél tartva a jég-fehérje kölcsönhatás és a rendszer stabilizálása érdekében. Végül a mintákat lassan -30 ° C-ra (1 ° C/perc) lehűtjük, és minden DSC-ciklusra rögzítjük a fagyás exoterm görbe tartását és kezdetét (4. ábra). A kezdetet a kristályosodási exoterm görbe kezdetének számítottuk, és a Universal Analysis 2000 v. 4.1D programmal (TA Instruments) elemeztük.

A Thorectes lusitanicus (A) és (B) részben megolvadt szarvasmarha-szérumalbumin (BSA; kontrollként) részlegesen megolvadt hemolimfájának (0,1 ° C/perc sebességű) újrafagyasztásának differenciális pásztázó kalorimetriás görbéi. Az alacsonyabb hőáramú görbékben (a hőmérséklet –5 és –2 ° C között változik) a termikus hiszterézis hatást nem figyelték meg, míg a –2 és –1 ° C között ingadozó hőmérsékleti tartományokban a THA-t figyelték meg (lásd a nyíllal jelölt görbéket) ). A fagyasztott BSA-t melegítették, hogy a különböző tartási hőmérsékleteken részlegesen megolvadjon, majd átkristályosodás céljából lehűtötték. Ebben az esetben nem figyeltek meg termikus hiszterézis hatást.

A diéta hatása az aktivitásra

A T. lusitanicus aktivitására gyakorolt étrendi hatás feltárása érdekében tizenkét műanyag edényt (20 × 20 × 15 cm) helyeztek el 20 T. lusitanicus egyedgel (tíz hím és tíz nő) vermikulit hordozóval. Korábban hat konténert makkkal és hat tehéntrágyával láttak el 20 nap alatt 2008-ban és 2009-ben. Az egyes diétás kezelések három edényét elkülönített klímakamrákba helyezték 20 ° C vagy 10 ° C hőmérsékleten, a relatív páratartalom 60% -ában és egy fotoperiódust 15∶9 (világos∶sötét). Az egyéneket négy nap elteltével ellenőriztük, és az aktív egyedek számát megszámoltuk. Az egyéneket csak akkor rögzítették „aktívként”, ha normális viselkedést tanúsítottak, például összehangolt járást és az antennák meghosszabbítását. A semmilyen válasz (inaktív) megfelel a mozdulatlan egyéneknek, mivel a kísérlet során az antennák testéhez hajtva maradtak. Ez a kísérlet 2008-ban és 2009-ben készült.

statisztikai elemzések

Mann – Whitney nem-parametrikus teszteket használtunk a kezelések közötti különbségek vizsgálatára a StatsDirect 2.5.7 alkalmazásával [60].

Köszönetnyilvánítás

A szerzők köszönetet szeretnének mondani S. L. Chownnak, B. A. Hawkinsnak, A.T. Peterson, J. Hortal és E. Galante konstruktív kritikájukért és megjegyzéseikért.

Szerző közreműködései

A kísérletek megtervezése és megtervezése: JRV JLC JML CN. Végezte el a kísérleteket: JRV JLC. Elemezte az adatokat: JRV JLC JML. Hozzájáruló reagensek/anyagok/elemző eszközök: JRV JLC. Írtam a cikket: JRV JLC JML CN.