Diétaválasztás: A selyemhernyó lárvák kétfaktoros gazdaszervezetének elfogadási rendszere

Szerepek konceptualizálás, adatkezelés, formális elemzés, vizsgálat, módszertan, validálás, vizualizáció, írás - eredeti vázlat, írás - áttekintés és szerkesztés

Társadalmi Bio-Alkalmazások és Rendszertechnikai Doktori Iskola, Tokiói Mezőgazdasági és Műszaki Egyetem, Koganei, Tokió, Japán

Szerepek konceptualizálás, adatkezelés, formális elemzés, finanszírozás megszerzése, vizsgálat, projekt adminisztráció, validálás, vizualizáció, írás - eredeti vázlat, írás - áttekintés és szerkesztés

Tokiói Mezőgazdasági és Műszaki Egyetem, Bioalkalmazások és Rendszertechnika Egyetem, Koganei, Tokió, Japán, Integrált Biológiai Tudományok Tanszék, Határtudományi Doktori Iskola, Tokiói Egyetem, Kashiwa, Japán

Szerepek vizsgálata, vizualizáció

Tokiói Mezőgazdasági és Technológiai Egyetem, Koganei, Tokió, Japán, Bio-Alkalmazások és Rendszertechnika Egyetem

Szerepek Módszertan, források, felügyelet, írás - áttekintés és szerkesztés

Tagsági Agráriskola, Tamagawa Egyetem, Machida, Tokió, Japán

Szerepek Módszertan, források, felügyelet, írás - áttekintés és szerkesztés

Az integrált biológiai tudományok tanszéke, Határtudományi Doktori Iskola, Tokiói Egyetem, Kashiwa, Japán

Szerepek konceptualizáció, finanszírozás megszerzése, projekt adminisztráció, erőforrások, felügyelet, írás - áttekintés és szerkesztés

Társadalmi Bio-Alkalmazások és Rendszertechnikai Doktori Iskola, Tokiói Mezőgazdasági és Műszaki Egyetem, Koganei, Tokió, Japán

Kana Tsuneto,
Haruka Endo,
Fumika Shii,
Ken Sasaki,
Shinji Nagata,
Ryoichi Sato

Cikk
Szerzői
Metrikák
Hozzászólások
Média közvetítés
Peer Review

Ábrák

Absztrakt

Idézet: Tsuneto K, Endo H, Shii F, Sasaki K, Nagata S, Sato R (2020) Diéta választás: A selyemhernyó lárvák kétfaktoros gazdaszervezetének elfogadási rendszere. PLoS Biol 18 (9): e3000828. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000828

Akadémiai szerkesztő: Anurag A. Agrawal, Cornell Egyetem, EGYESÜLT ÁLLAMOK

Fogadott: 2020. január 20 .; Elfogadott: 2020. augusztus 17 .; Közzétett: 2020. szeptember 16

Adatok elérhetősége: Minden releváns adat megtalálható a dokumentumban és a kiegészítő információkat tartalmazó fájlokban.

Finanszírozás: 1. Japán Tudománytámogató Társaság (JSPS) KAKENHI támogatás száma 17K19261 RS-re (https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-17K19261/) 18J00733. Számú támogatás HE-nek (https: //kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-18J00733/) 2. 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.

Rövidítések: AN, antenna; ANOVA, varianciaanalízis; CGA, klorogénsav; ISQ, izokvercitrin; LS, laterális styloconic sensillum; MG, maxilláris galea; MP, maxilláris tapintás; MS, medialis styloconic sensillum; Q3R, kvercetin-3-O-ramnozid; βCD, metil-β-ciklodextrin; βsito, β-szitoszterin

Bevezetés

Az étrend megválasztása elengedhetetlen a túléléshez minden szervezetben. Számos növényevő rovar alkalmazkodott a gazdanövények korlátozott köréhez azáltal, hogy legyőzte a növények védekezését a rovarok növényevőivel szemben, ami egy- és oligofág rovarokat (úgynevezett speciális rovarokat) eredményezett [1]. Ezzel párhuzamosan a szakemberek kémiai érzékszervek segítségével képesek pontosan megkülönböztetni gazdanövényeiket az ökoszisztémájukban lévő egyéb nonhost növényektől, beleértve a gustációt és a szaglást [2]. Általában a gusztálás fontos a potenciális élelmiszer-forrás elfogadásának vagy elutasításának meghatározásakor, míg a szaglás szükséges, ha a gazda növényeket távolról keresik [3].

A növénytápláló rovarlárvák tipikus lépésenkénti táplálkozási magatartást mutatnak, amely takarmányozást, tapintást, harapást és lenyelést tartalmaz [4,5]. A levélfelület tapintásával végzett érzékszervi feltárás fontos a gazda növény kiválasztásában különböző növényeket tápláló rovarokban, például hernyóban, bogárban és szöcskében [6–9]. Például a réti szöcske, a Chorthippus parallelus, perifériás kemoszenzoros szerveket használó tapintást követően néha elutasítja a diétát harapás nélkül [6]. Ezzel szemben a Poa annua gazdanövény levélfelszíni kivonatai harapási magatartást váltottak ki a vándorló sáska Locusta migratoria-ban, míg a nem gazda növényekét elutasították [10]. Tehát a rovarok a levélfelület vegyületeit használják kémiai jelzésekként a gazdanövény szelekciójához, de ennek a viselkedésnek az idegsejtjeit és azt, hogy a levél felszíni viselkedése mennyiben járul hozzá a gazdanövény szelekciójához vagy a levélválasztáshoz, rosszul értik.

A rovar növényevők táplálkozását a fitokemikáliákra adott fiziológiai válaszuk szabályozza, amelyek a növény levelében található táplálkozási stimulánsok és elrettentők egyensúlya alapján meghatározzák a levél elfogadását vagy elutasítását [3,11,12]. A kémiai ökológiai vizsgálatok a növények másodlagos metabolitjait táplálkozás serkentőként és elrettentőként azonosították számos rovar növényevő számára [2]. Például a selyemhernyó Bombyx mori, az eperfa levelek szakembere tekintetében Hamamura és munkatársai kulcsfontosságú jelként azonosították az eperfa levelekből származó illékony vegyületeket: az izokvercitrint (ISQ) és a β-szitoszterint (βsito) harapási tényezőként és klorogénsavat (CGA ) táplálkozási stimulánsként, amely hosszú távú vizsgálat során növeli az etetési mennyiséget [11,13,14,15]. Így az étrend-választás során az etetésstimulánsokat és az elrettentőket a legtöbb esetben a harapások számára és az etetési mennyiségre gyakorolt hatásukkal értékelték. Ezek a megfigyelések azonban nem mindig tükrözik az egyes növényeket elfogadó vagy elutasító rovarok pillanatnyi viselkedését [16], ezért a növény másodlagos metabolitjainak a gazda-növény szelekcióban betöltött szerepének további megértéséhez a levél felszínén való viselkedés alapos vizsgálatára van szükség.

Ebben a tanulmányban kémiai gazdajelzéseket rendeltünk a szervek ízleléséhez és az etetési magatartáshoz, hogy pontosan megértsük azokat a mechanizmusokat, amelyek megalapozzák a gazdaszervezet elfogadását a selyemhernyóban. Megállapítottuk, hogy a selyemhernyó-lárvák maxilláris tapintásában (MP) található ultrahangérzékeny kemoszenzoros neuronok kulcsfontosságú eperfa-vegyületeket észlelnek, beleértve a CGA-t, a kvercetin-glikozidokat és a β-szitot, ami tesztharapást vált ki. A levélnedvekben található szacharóz és mioinozit stimulálja az oldalsó szenzillát a maxilláris galea-ban (MG), hogy a levél folyamatos harapását és elfogadását indukálja. Két perifériás kemoszenzoros szerv által irányított és főként 6 fitokémiai anyag által vezérelt kétfaktoros gazdaszervezet-elfogadási rendszert javasolunk, amely a selyemhernyókban az oligofágia alapját képezi.

Eredmények

Két perifériás kemoszenzoros szerv szabályozza a selyemhernyóban a kétlépéses harapási viselkedést

(A) Eperfa levelek táplálása selyemhernyó lárvákkal. (1) Tapintás: a selyemhernyó lárva először 5–30 másodpercig tapintja meg a levélfelszínt maxillájával (MP és MG). A fehér nyíl és a nyílhegy MP-t és MG-t jelöl. (2) Vizsgálati harapás: a lárva tapintás közben többször is szakaszosan harapja a levél szélét. (3) Tartós harapás: a lárva a levél szélét ismételten (másodpercenként 2-3 alkalommal) rágja, feje dorsoventralis irányban mozog a levél szélén. A bíborvörös nyilak jelzik a fej mozgásának irányát. (B) A selyemhernyó lárva szájrészei. Felső lárva szájrész 1 pár maxillával. Alsó nagyobb nagyítású kép a maxilláról. A maxilla az MG-ből és MP-ből áll. Az MG-nek 2 ízérzékelő szenzillje van, az LS és az MS. (C) Az eperfa levelek ép, MP-ablált, MG-ablált és AN-ablált lárváinak harapásának gyakorisága 10 másodperc alatt. Az adatok átlag ± SD (n = 5). A numerikus nyers adatokért lásd az S2 adatokat. (D) Reprezentatív raszterdiagramok a (C) pontban szereplő lárvák harapási viselkedésének időzítéséről és időtartamáról. A piros és a zöld vonalak teszttel, illetve tartósan harapnak. AN, antenna; LS, laterális styloconic sensillum; MG, maxilláris galea; MP, maxilláris tapintás; MS, medialis styloconic sensillum.

Az MP felismeri az ehető leveleket a levélfelület vegyületeinek érzékelésével, és tesztcsípést vált ki

Annak felmérésére, hogy az ilyen MP- és MG-kontrollált harapási magatartások hogyan járulnak hozzá a selyemhernyó befogadásához, megfigyeltük a táplálkozási magatartást a különféle növényfajok leveleivel szemben. A selyemhernyó néhány Morus faj, többek között a M. alba specialista. Ezenkívül az Asteraceae több Cichorioideae növényének leveleit viszonylag kis mennyiségben fogyasztják a selyemhernyó lárvái [17,18]. A lárvák közül 88,9% ± 5,3% a M. alba tesztcsípését mutatta 1 percen belül a levél szélének elérése után, szemben a 2 Cichorioideae növény, a Sonchus oleraceus és a Taraxacum officinale 70,0% ± 10,0% és 63,3% ± 13,3% -ával (ábra (2A. Ábra). A lárvák közül 80% ± 11,5%, 53,3% ± 14,5%, és 30% ± 10% folytatta M. alba, S. oleraceus és T. officinale tartós harapását. Ezzel szemben a lárváknak kisebb volt a valószínűsége a tesztelhető harapásnak (3–33%) 12 ehetetlen levélnél, amelyeket végül a legtöbbjük tartós harapás nélkül elutasított (2A. És 2B. Ábra). Így a tesztcsípés valószínűsége nagyobb volt az ehetőnél, mint az ehetetlen leveleknél, és a tartós harapást csak az ehető levelek indukálták. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a selyemhernyó-lárvák 2 pontban, a teszt és a tartós harapás előtt választják ki étrendjüket, és hogy a gazdanövény felismerése nagyrészt befejeződik, amikor első harapást végeznek.

(A és B) Az ehető és ehetetlen levelek tesztcsípését (A) és tartós harapását (B) mutató lárvák aránya. (C és D) Az ép eperfa levelek vagy eperfa levelek tesztes harapását mutató lárvák aránya, amelyet vízzel vagy metanollal (C) nedvesített Kimwipe (Nippon Paper Crecia Co., Tokió, Japán) papírral vagy metanollal kezelt szűrőpapírral vagy eperfa levélfelület-kivonat (D). Az MP + és MP− ép és MP-ablált lárvákat jelöl. (A – D) 10 lárva harapását figyeltük meg 1 percig. A kísérleteket független biológiai ismétlésként megismételtük (n = 3–5). Az adatok átlag ± SE. Ugyanezek a betűk nem mutatnak szignifikáns különbséget (P> 0,05) az egyirányú ANOVA-val, amelyet Tukey post hoc teszt követ. (E) Tipikus tüskék az MP kemoszenzoros szenzillájától 5 mM NaCl-ig (negatív kontroll) és levélfelületi kivonatig (vegyületek levélből/10 ml). A numerikus nyers adatokért lásd az S2 adatokat. ANOVA, varianciaanalízis; MP, maxilláris tapintás.

A rovarok valószínűleg tapintás közben érzékelik a levélfelület vegyületeit [16]. Annak tisztázása érdekében, hogy a levélfelszíni vegyületek kiváltják-e a tesztcsípést, M. alba leveleket vízzel vagy metanollal törölgettünk, ami jelentősen csökkentette a tesztcsípést mutató lárvák arányát (2.C ábra). Ezzel szemben a lárvák 76,7% ± 8,8%, 37,5% ± 10,3% és 36,0% ± 10,8% -a mutatta meg a metanollal kezelt szűrőpapír és M. alba, S. oleraceus és T. officinale levélfelület-kivonatának tesztharapását, illetve (2D ábra; S1A – S1C ábra). Az MP abláció csökkentette a tesztharapást az M. alba levélfelületének kivonatával kezelt szűrőpapír felé (2D. Ábra). Ezenkívül a szenzilla MP-ben történő rögzítésével [17] kiderült, hogy az MP neuronok reagálnak a levélfelület-kivonatra (2E. Ábra). Ezek a megállapítások azt mutatják, hogy az ehető levélfelület-kivonatokban lévő vegyületek stimulálják az MP-t és kiváltják a tesztcsípést.

A tesztcsípéshez olyan gazdanövény-vegyületekre van szükség, amelyeket ultrahangos MP szenzoros neuronok detektálnak

(A – C) A Suc (A), Ino (B) és a tesztcsípés CGA, ISQ és βsito (C) induktorainak hatása a lárvák testtömegének növekedésére agar alapú táplálékfelvételi vizsgálattal. Az ötödik lárvákat 3 napig éheztettük a moltás végén. A 3 lárva testtömege megnövekedett az agar alapú étrend (9% cellulóz és 1% agar) 3 órás táplálása után. A bíborvörös rudak a mediánt jelölik. A statisztikai elemzést Kruskal – Wallis teszt alkalmazásával, majd Dunn-teszt (A és B) és Mann – Whitney U-teszt (C) felhasználásával végeztük. Az „ns” nem jelent szignifikáns különbséget; egy csillag szignifikáns különbséget (* P 0,5) jelez Pearson korrelációs elemzésével (S3A ábra).

Tippfelvétel

Statisztika

Az összes statisztikai elemzést a Prism ver.8 (GraphPad, La Jolla, CA, USA) segítségével végeztük. Paraméteres teszteket (2A – 2D. Ábra, 3B. És 3C. Ábra, valamint S1C ábra) és nem paraméteres teszteket (4A., 4B. És 4C., S3C. És S3D. Ábra) használtunk. További részletekért lásd az S1 adatokat (például pontos mintaméretek és P-érték).

Segítő információ

S1 ábra Harapásvizsgálat szűrőpapír segítségével.

(A) Harapási vizsgálat szűrőpapírral. A szűrőpapírt habosított polisztirol résébe helyeztük. (B) Az összes lárva tapintásra került a szűrőpapír szélén, a kezeléstől függetlenül (balra), és a lárvák a kezelt szűrőpapír tesztharapását mutatták. (C) A lárvák aránya (n = 10), amely a S. eheraceus és T. officinale 2 ehető levelének levélfelület-kivonatával kezelt szűrőpapír tesztcsípését mutatja 1 perc alatt. A kísérleteket független biológiai ismétlésként megismételtük (n = 3–5). Az adatok átlag ± SE. A statisztikai elemzést egyirányú ANOVA alkalmazásával, majd Tukey post hoc teszttel végeztük. A csillag szignifikáns különbséget jelez (* P 2 βsito. Az adatok három biológiai kísérletből származnak (n = 5); a hibasávok SE-t jeleznek. A numerikus nyers adatokat lásd az S2 adatokban. CGA, klorogénsav; ISQ, isoquercitrin; βsito, β-szitoszterin.