Az étkezési fehérjetartalom befolyásolja a testméret, a testzsír és az életképesség alakulását a Drosophila melanogaster-ben

Torsten N. Kristensen

1 Biológiai Tudományok Tanszék, Aarhus University, Ny Munkegade, Building 1540, 8000 Aarhus C, Dánia

2 Az Aarhusi Egyetem Genetikai és Biotechnológiai Tanszéke, Blichers Allé 20, 8830 Tjele, Dánia

Johannes Overgaard

1 Biológiai Tudományok Tanszék, Aarhus University, Ny Munkegade, Building 1540, 8000 Aarhus C, Dánia

Volker Loeschcke

1 Biológiai Tudományok Tanszék, Aarhus University, Ny Munkegade, Building 1540, 8000 Aarhus C, Dánia

David Mayntz

1 Biológiai Tudományok Tanszék, Aarhus University, Ny Munkegade, Building 1540, 8000 Aarhus C, Dánia

2 Az Aarhusi Egyetem Genetikai és Biotechnológiai Tanszéke, Blichers Allé 20, 8830 Tjele, Dánia

Absztrakt

A különféle táplálékforrások felhasználásának képessége valószínűleg erősen szelektált, ha az élőlények természetes változásaival szembesülnek a makro-tápanyagok (fehérje, szénhidrát és lipid) elérhetősége. Itt kísérleti evolúcióval vizsgáljuk, hogy a változó étkezési fehérjetartalom hogyan befolyásolja a felnőttek testösszetételét és a fejlődési sikert a Drosophila melanogaster-ben. A legyeket 17 generáción keresztül standard étrenden vagy fehérjével dúsított étrenden neveltük, mielőtt mindkét étrendtípuson teszteltük volna őket. A fehérjetartalmú étrenden kiválasztott vonalakból származó legyek nagyobb össztömegű és relatív lipidtartalmú fenotípusokat eredményeztek, összehasonlítva a szokásos étrenden kiválasztottakkal, függetlenül attól, hogy a két étrend közül melyiket tesztelték. A fehérjében gazdag étrend kiválasztása azonban költségekkel járt, mivel az ezen a diétán tenyésztett legyek mindkét tojástípusnál a tojás-felnőtt életképesség szempontjából jelentősen alacsonyabb fejlődési sikert mutattak, ami a vizsgált tulajdonságok lehetséges kompromisszumára utal.

1. Bemutatkozás

A Drosophila melanogasterről ismert, hogy érett vagy rothadó gyümölcsön táplálkozik és tenyészik [18], ahol a fehérje/szénhidrát arány ideiglenesen és térben változik [4,19]. Azzal a ténnyel együtt, hogy a D. melanogaster rövid generációs idővel rendelkezik, ez a faj ideálisvá teszi azokat a kísérleti tanulmányokat, amelyek célja annak vizsgálata, hogy az étrend összetétele hogyan alakítja az élettörténeti tulajdonságok alakulását. Itt teszteljük, hogy a változó fehérjetartalmú diéták laboratóriumi szelektálása hogyan befolyásolja a testösszetételt és életképességet. Különböző fehérje- és lipidtartalmú étrendek plasztikus és evolúciós reakcióinak kölcsönhatását vizsgáljuk, replikált kísérleti evolúciós megközelítések alkalmazásával.

2. Anyag és módszerek

a) Legyező populációk és lárvák étrendje

A kísérletben a D. melanogaster öt független replikációs vonalát használtuk. A laboratóriumban 2002 óta nevelkedett, genetikailag sokszínű tömegpopulációból származtak. A kísérletet megelőzően a legyeket egy „Leeds-táptalajon” tartották, amely szacharózból (40 gl -1 víz), élesztőből (60 gl -1 víz), agar (16 gl -1 víz), zabpehely (30 gl -1 víz), nipagen (12 ml l -1 víz) és ecetsav (1,2 ml l -1 víz). Az itt közölt kísérlet előtti összes generációban a vonalakat magas (1000-nél nagyobb) népszámlálási méretben tartották. 2008 júniusában az összes vonalból származó legyeket két új típusú étrendbe helyezték át; vagy azonnali Carolina táptalaj (Carolina Biological Supply, Burlington, NC, USA, 4–24 képletű sima) vagy fehérjével dúsított étrend. A Carolina légy táptalaj a D. melanogaster hosszú távú fenntartására széles körben alkalmazott lárvák tápláléka. A fehérjével dúsított étrend 60% kazein (Sigma C-5890, Sigma-Aldrich) és 40% Carolina táptalaj száraz tömeg alapján történő összekeverésével készült. Vizet adtunk a táptalajhoz 1: 1 térfogatarányban (5 ml víz: 1 g tápközeg).

Öt független ismétlődő vonalat állítottak fel vagy a szokásos étrenden (Carolina táptalaj), vagy a fehérjével dúsított étrenden, és 17 generációig tartották őket. Minden generációban sorban és étrendtípusonként öt palackot állítottak fel, palackonként megközelítőleg 200 legyekkel. A kísérlet során a legyeket 20 ° C-on és 12 órás fény/12 órás sötét ciklusban tenyésztették. Miután 17 generáción át tenyésztették a két étrendet, mindkét étrendből származó legyeket visszavitték a Leeds-táptalajra, ahol három generációig tartották őket a tesztelés előtt. Ezt az eljárást követték, hogy lehetővé tegyék a legyek tesztelését egy közös kertben.

b) A vizsgált tulajdonságok

Három generáció után Leeds-táptalajon (a sűrűséget úgy szabályozzuk, hogy 100 legyet hagyunk tojni 6 órán keresztül, minden sorban 10 palackban) tojásokat gyűjtöttünk és két kísérleti nevelési étrendre osztottuk szét, amelyek normál étrendből vagy fehérjével dúsított étrendből álltak. . A 20 kísérleti csoport mindegyikéhez (két szelekciós étrend, egyenként öt független vonallal tesztelve két teszt-étrenden) összegyűjtöttük a tojásokat három ismétlődő fiolához, 60 tojással minden 40 ml-es injekciós üvegben. Minden injekciós üveg 7 ml tápközeget tartalmazott, a tojás és a felnőtt életképességét a feltörekvő legyek számából határoztuk meg.

Körülbelül 10 nőstény legyből (néhány esetben nem kaptunk 10 nőstényt) mintát vettünk a szelekciós étrend, a vizsgálati étrend és a testméret és a lipidtartalom meghatározásához használt egyes kombinációkból. A legyeket 60 ° C-on szárítottuk 48 órán át, és a száraz tömeget 10 ug pontossággal mértük. A testzsírt eltávolítottuk úgy, hogy az egyes legyeket 1 ml tiszta petroléterbe helyeztük 24 órán át, majd a felülúszót eltávolítottuk. Ezt az eljárást megismételtük, amely után a legyeket újra kiszárítottuk, mielőtt meghatároztuk a sovány testtömeget. A teljes testzsírt a kezdeti száraz tömeg és a sovány testtömeg levonásával becsültük meg.

c) Statisztikai elemzések

A variancia beágyazott elemzését (ANOVA) használták a szelekciós étrend (Carolina vagy fehérjével dúsított), teszt étrend (Carolina vagy fehérjével dúsított) és kölcsönhatásuk tesztelésére a tojás és a felnőtt életképességére, a test száraz tömegére, a sovány testre tömeg és relatív zsírösszetétel. A vonal beágyazódott a szelekciós étrendbe és a teszt étrendbe. Az életképességre és a test relatív zsírtartalmára vonatkozó adatokat további elemzések előtt az arcsin négyzetgyökét transzformáltuk.

3. Eredmények

Valamennyi vizsgált tulajdonság esetében a vonalhatások nagyon szignifikánsak voltak (1. táblázat), ami arra utal, hogy a vonalak változóan reagálnak a nevelő étrendre és a teszt étrendre. A száraz testtömegre és a testzsírösszetételre egyaránt jelentős hatást gyakorolt a szelekciós étrend, amelynek száraz tömeg és lipidtartalma magasabb volt a fehérjével dúsított étrenden tartott legyeknél (1. táblázat és 1. ábra). A fehérjével dúsított étrenden tesztelt legyek száraz tömege és relatív alacsonyabb lipidtartalma volt a standard étrenden tesztelt legyekéhez képest (1. ábra). Ez függetlenül attól, hogy a legyeket 17 generáción át tenyésztették-e fehérjével dúsított étrenden vagy standard étrenden a vizsgálat előtt. A sovány testtömeget jelentősen befolyásolta a vonal, a szelekciós étrend és a teszt étrend (1. táblázat). A tojás-felnőtt életképességet jelentősen befolyásolta a fehérjével dúsított étrenden kiválasztott vonalaknál alacsonyabb életképességű szelekciós étrend (1. ábra és 1. táblázat). Soha nem figyeltünk meg szignifikáns kölcsönhatásokat a szelekciós étrend és a teszt étrend között (1. ábra és 1. táblázat). Így a különböző étrendi fehérjekompozíciók alatt kialakult válaszok a teszt-étrendben konzisztensek voltak.

Asztal 1.

A vonal, a szelekciós étrend, a teszt étrend beágyazott ANOVA-vizsgálati hatásainak eredményei, valamint a szelekciós és a teszt-diéták közötti kölcsönhatás száraz testtömegre, sovány testtömegre, a test lipidszintjének és a tojás-felnőtt életképességre (a feltámadt legyek százaléka).

variációs forrás d.f.négyzetek összegeF-ratiop-érték

a legyek száraz tömege
vonal (szelektáló étrend, teszt diéta)	14	0,07	3.56	táblázat és 1. ábra). A két étrendtípushoz igazított legyek közötti evolúciós változások által okozott átlagos különbség 6, illetve 5% volt a száraz tömeg és a test lipidösszetétele között, míg az étrendtípus változására adott akut plasztikus válasz 25, illetve 36% volt azoknál, tulajdonságok (1. ábra). Tojás-felnőtt életképesség esetén a fehérjékkel dúsított étrenden 17 generációig fenntartott legyek átlagosan a legyek életképességének háromnegyedét tartották fenn a szokásos étrenden, míg a vizsgálati étrend hatása nem volt szignifikáns erre a tulajdonságra.

Vizsgálatunk felveti azt a kérdést, hogy a nagyobb környezeti fehérje elérhetőség miért könnyítette meg az irányválasztást a nagyobb testtömeg esetén. Felmerült, hogy a nagyobb legyek nagyobb reprodukciós sikerrel rendelkeznek [20,21], vagy javítják a versenyképességet [22]. Mivel az aminosavak gyakran korlátozzák az építőanyagokat a nagy tömeges növekedés időszakában, a fehérjeszegény környezet károsíthatja a szelekciót a nagy méretű legyek esetében, míg a fehérjével dúsított környezetben ez a korlátozás hiányzik, ezért az irányú szelekció a nagyobb testtömeg esetén lehetséges.

Megállapítottuk azt is, hogy a fehérjékkel dúsított étrenden 17 generációig tartott legyek viszonylag kövérebbé váltak, mint a szokásos étrenden tartott legyek. Az egyik mechanizmus, amely lehetővé tette az ilyen változást, lehet a szénhidrátok eltérő felhasználási hatékonyságának kiválasztása [16]. A fehérjével dúsított étrenden tartott legyek viszonylag kevés hozzáférést kaptak a könnyen hozzáférhető energiaforrásokhoz (szénhidrátok). Ilyen körülmények között a jobb lipidtárolási képességgel rendelkező legyeknek szelektív előnye lehet. Ezzel szemben, ha rendelkezésre állnak többlet szénhidrátok, de korlátozott mennyiségű fehérje van, a szénhidrátok alacsonyabb felhasználási hatékonysága nagyobb élelmiszer-fogyasztást eredményezhetett a fehérjeszükséglet kielégítésére anélkül, hogy a nagy zsírtartalmú lerakódások azonos költségekkel járna.

Az a tény, hogy a fehérjében gazdag/szénhidrát-szegény körülmények között fejlődő legyek csökkentették a tojás és a felnőtt életképességét, kompromisszumra utalnak a vizsgált tulajdonságok között. A tojás-felnőtt túlélés és a testtömeg közötti kompromisszum arra utalhat, hogy a korlátozott megosztott erőforrás megoszlik a két tulajdonság között. A kompromisszumot azonban mindkét étrendtípusnál megtalálták. Így valószínűbb, hogy a kompromisszumot az antagonista pleiotropia okozza, amikor a nagyobb testméretet kódoló allélok, amelyek előnyösek a fehérjével dúsított körülmények között, ugyanakkor negatív hatással vannak a túlélést befolyásoló fiziológiai folyamatokra.

A vizsgálat új szempontja az, hogy a fehérjével dúsított étrenden végzett természetes laboratóriumi szelekció a genetikailag nagyobb és kövérebb legyeket részesíti előnyben alacsonyabb túlélési valószínűséggel a fiatalkorúak életszakaszában. Ha ez az eredmény extrapolálható az állatállományra és az emberekre, érdekes kihívásokat és lehetőségeket rejt magában a tenyésztési stratégiákkal és az étrend-ajánlásokkal kapcsolatban. Az állattenyésztésben az étrend összetételének a gazdaságok közötti eltérései befolyásolhatják a termékenységgel és a testösszetétellel kapcsolatos fontos termelési jellemzők „természetes kiválasztódását”. Ezen túlmenően a kísérlet eredményei azt mutatják, hogy az étrendi fehérjetartalom változása esetén kompromisszumok lehetnek a fitnesz tulajdonságok között. Ennek potenciálisan következményei lehetnek azokra a populációkra (beleértve az emberi populációkat is), amelyek az utóbbi időben alapvetően megváltoztatták étrendjüket. Adataink arra utalnak, hogy egy ilyen változás egyszerűen azonnali kihívást jelenthet a változásnak kitett generációk számára. Az új étrendhez való evolúciós alkalmazkodás potenciálisan további kockázatot jelenthet a kedvezőtlen kompromisszumok révén.