Genotípusonkénti és étrendi interakciók a táplálkozási preferenciák, az étrend-fogyasztás és a lipid-lerakódások terén a tücsökben

Tárgyak

Absztrakt

Bevezetés

A kalóriák túlfogyasztása az elhízás, a szív- és érrendszeri betegségek, a cukorbetegség, valamint az emberek egyéb rendellenességeinek és betegségeinek, valamint az emberrel összefüggő számos állatfajnak az iparosodott társadalmakban való növekedésével jár együtt (Klimentidis et al. 2011; Raubenheimer et al. . 2015). Ez a túlfogyasztás elgondolkodtató, mert az optimális takarmányozási elmélet azt jósolja, hogy az állatoknak szabályozó takarmányozási mechanizmusokat kell kifejleszteniük evolúciós alkalmasságuk optimalizálása érdekében (Stephens és Krebs 1986; Simpson és Raubenheimer 2012). Hagyományosan az elmélet azt feltételezte, hogy az erőnlét optimalizálásához az energiafogyasztás maximalizálása szükséges (Stephens és Krebs 1986). A táplálkozási geometriát alkalmazó újabb fejlemények azonban azt mutatták, hogy a fitnesz optimalizálásához az állatoknak mind az energiafogyasztásukat, mind a tápanyagok sajátos egyensúlyát (vagy arányát) szabályozniuk kell (Simpson és Raubenheimer 2012).

Anyagok és metódusok

Vizsgálati fajok

Mesterséges étrendek

A South et al. (2011), négy porított, szilárd (azaz kémiailag meghatározott) étrendet készítettünk. Ezt a négy étrendet négy étrendpár elkészítésére használták fel, mindegyik pár egy étrendet tartalmazott 1: 8 P: C arányban, egyet pedig 5: 1 P: C arányban. Ezeket a diétákat a két táplálkozási hígítás egyikében (% P + C tartalom), 36 vagy 84% -ban nyújtottuk. A négy DP a következő: DP1: 1: 8 (36%) vs. 5: 1 (36%), DP2: 1: 8 (84%) vs. 5: 1 (36%), DP3: 1: 8 (36%) vs. 5: 1 (84%) és DP4: 1: 8 (84%) vs. 5: 1 (84%), összetételük az S1 táblázatban is szerepel. Az étrendeket 24 étrend nagyobb geometriai tömbjéből választottuk ki, mert ezek széles körű lefedettséget biztosítanak a potenciális tápanyagtérben (S1. Ábra), és felhasználásra kerültek a korábbi választott etetési kísérletek során (South et al. 2011; Bunning et al. 2015).

Mennyiségi genetikai tenyésztési tervezés

Az eklózió napján véletlenszerűen három fiút és három lányt osztottunk el gátonként a négy DP mindegyikéhez (összesen n = 1080 fia és 1080 lánya; tenyésztési tervünk sematikus ábrázolását lásd az S2 ábrán). 3 naponta friss étrendet biztosítottak (azaz összesen hét etetési időszakot). A kísérleti állatokat egy ellenkező nemű állattal pároztuk össze az eklózió utáni 8. nap estéjén, majd a 9. napon eltávolítottuk azokat a nőstényeket, akik ezt követően nedves homokból készült petri-csészével látták el az ovipozícióhoz.

Etetési rendszer

A kísérleti etetés követte a bevett protokollokat (South et al. 2011). Röviden, mindegyik tücsökhöz két edényt mért száraz tömegű étrendből adtunk a kijelölt DP szerint. Az ételt olyan etetőhelyeken látták el, amelyeket úgy készítettek, hogy egy fiola (1,6 cm átmérőjű, 1,6 cm mély) felfordított fedelét egy 5,5 cm átmérőjű Petri-csésze közepére ragasztották, és vizet ad libitum adtunk egy 5 ml-es kémcsőbe, amelyet vatta. Az etetés során kiömlött étrendet a Petri-csészébe gyűjtöttük és lemértük. Az összes étrendet kemencében (Binder FD115, Németország) szárítottuk 30 ° C-on 72 órán át, mielőtt lemértük. Az etetőplatformokat minden egyes etetési periódus előtt és után lemértük elektronikus mérleg segítségével (Ohaus Explorer Professional EP214C, Svájc). A székletet az újramérés előtt csipesszel eltávolították az étrendről és az etetőplatformról. Az étrend-fogyasztást az étrend etetés előtti és utáni száraz tömegének különbségeként számoltuk ki. Ez az elfogyasztott étrend mennyisége az elfogyasztott P és C súlyára változik, szorozva az étrendben található ezen tápanyagok arányával (South et al. 2011).

A lipid tömegének mérése

A 21. napon a tücsköket lefagyasztották és -20 ° C-on tárolták, és a lipidek extrahálását a South et al. (2011). Röviden, mindegyik tücsöket leolvasztottuk szobahőmérsékletre, és hasító ollóval hasadékot készítettünk a has mentén. A tücsöket ezután 24 órán át 60 ° C-on szárítottuk, és elektronikus mérleg segítségével lemértük. Ezután minden tücsöket 10 ml diklór-metán: metanol 2: 1 (v/v) oldatba helyeztünk, és 48 órán át kevertük a lipidek extrahálásához. A tücsköket eltávolítottuk az oldatból, és további 24 órán át szárítottuk 60 ° C-on, majd lemértük. Az extrakció előtti és az extrakció utáni tömeg közötti különbséget vettük lipid tömegként.

Statisztikai analízis

A kvantitatív genetikai elemzéseket az ASReml (3. verzió) illesztett állatmodellekkel végeztük (Gilmour et al. 2009). Az állatmodell a lineáris vegyes hatású modell egyik formája, ahol az egyén genetikai törzskönyve véletlenszerű hatásként szerepel, amely lehetővé teszi az additív genetikai (ko) variancia megbecsülését a fenotípusos tulajdonságok szempontjából (Wilson és mtsai 2010). Három fenotípusos tulajdonságot vizsgáltunk: az elfogyasztott étrend teljes mennyiségét (beleértve a táplálkozási és nem táplálkozási összetevőket), a teljes táplálkozási preferenciát (TP) (az összes fehérjebevitel és az összes szénhidrátbevitel hányadosaként számolva, ahol a magasabb értékek elfogultságot jeleznek fehérje bevitel) és a test teljes lipidtömege (LM) (a zsírlerakódás mértékeként). Az elemzés előtt az egyes tulajdonságokat nulla átlagra és egy standard hibára standardizáltuk az a használatával Z-a transzformációt és a testméretet (pronotum szélességként mérve) minden modellben rögzített hatásként rögzítették, hogy ellenőrizzék a TE, TP vagy LM esetleges méretbeli hatásait.

Először Wald segítségével teszteltük a szex és a DP hatását három tulajdonságunkra-F tesztek. Tekintettel a nem és a DP mindhárom tulajdonságra gyakorolt jelentős hatására (lásd: Eredmények), ezeket rögzített hatásokként egyváltozós modellbe illesztettük, és becsültük az additív genetikai varianciát (VA) mindegyik tulajdonságra az egyváltozós modellek összehasonlításával, a tenyészértékek véletlenszerű hatásként történő hozzáadásával, az egyes tulajdonságok véletlenszerű hatásaként. Ezután megvizsgáltuk a genotípus (G) és az étrendi környezet, valamint a G és a nem közötti kölcsönhatások jelenlétét és erősségét. Teszteltük a G-DP-kölcsönhatásokat úgy, hogy minden tulajdonsághoz egyváltozós modelleket futtattunk, de felosztottuk a négy DP-re, rögzített hatásként a nemre. Ehhez hasonlóan teszteltük a nemek szerinti interakciót is, az egyes tulajdonságokhoz egyváltozós modelleket futtatva, de a nemek között megosztva, DP-ként rögzített hatásként. Mindkét esetben másodlagos elemzést végeztek a nemi és a DP-különbségek feltárására azáltal, hogy a G-by-DP modelleket egyszerre csak egy nemre, a G-by-sex modelleket pedig egy-egy DP-re korlátozták. Végül teszteltük a G-nemenként-DP-kölcsönhatásokat úgy, hogy egyváltozós modelleket futtattunk az egyes jellemzők szerint, az egyes DP-k szerint megosztva, férfiak és nők esetében.

Kivontuk az additív genetikai (ko) varianciák, az örökölhetőség (h Genetikai összefüggések (rA) ezekből a modellekből (3. táblázat). Ezeket a becsléseket olyan mátrix formában mutatták be, amelyet általában genetikai (ko) varianciamátrixnak neveznek (vagy általában G mátrixnak neveznek), és amelyek tartalmazzák az additív genetikai varianciákat az átló mentén, additív genetikai kovarianciákat az átló alatt és genetikai összefüggéseket az átló felett (3. táblázat). Az összes kvantitatív genetikai modellünk modell-összefoglalói és log-valószínűségei megtalálhatók az S2 és S3 táblázatokban, az ASReml kód példái pedig az S1 szövegben. Minden statisztikai következtetés a valószínűség-arány teszteken (LRT) alapult. A növekvő számú válaszváltozóval rendelkező többváltozós modellek illesztésének nagyobb matematikai összetettsége miatt nem tudtunk egyetlen többváltozós (többvonásos) modellt futtatni, amely az egyes tulajdonságokat nemek és DP kezelések szerint osztotta fel (pl. 3 tulajdonság × 2 nem × 4 DP = 24 tulajdonság × nem × DP kombináció).

Végül, figyelembe véve a TE, TP és LM különbségét a DP-k és a nemek között (lásd Eredmények), a P és C bevitel LM-re gyakorolt hatását is megvizsgáltuk, és hogy ez különbözött-e a nemek között. Válaszfelületi megközelítést alkalmaztunk a tápanyagok lineáris és nem lineáris (kvadratikus és korrelációs) LM-re gyakorolt hatásainak jellemzésére minden nemnél (South et al. 2011). A P és C bevitel LM-re gyakorolt hatását minden nemnél vizualizáltuk Tps függvény az R FIELDS csomagjában (2.15.1 verzió, www.r-project.org). Ezután statisztikailag összehasonlítottuk a tápanyagbevitel lineáris, kvadratikus és korrelációs hatásait a nemek között South és munkatársai által felvázolt szekvenciális modellépítési megközelítés alkalmazásával. (2011).

Eredmények

A DP és a szex jelentős hatással volt az elfogyasztott étrend (TE) teljes mennyiségére (beleértve a táplálkozási és nem táplálkozási összetevőket), a teljes táplálkozási preferenciára (TP) (az összes fehérje bevitel és az összes szénhidrát bevitel hányadosa) és az összes test lipidtömeg (LM) (a zsírlerakódás mértékeként) (1. táblázat). Mindkét nem esetében a TE volt a legmagasabb a DP1-en, ezt követte a DP3, a DP2, a legalacsonyabb pedig a DP4-en, ami összhangban van a nemek kompenzációs táplálásával. A férfiak és a nők 58% -kal, illetve 72% -kal növelték étrend-fogyasztásukat, amikor a legkisebb (DP1, 36% táplálkozás) és a legmagasabb (DP4, 84% táplálkozás) tápanyag DP mellett táplálták a táplálékfogyasztást. A nőstények több étrendet fogyasztottak, mint a férfiak minden DP-ben, és az étrend-fogyasztásuk átlagosan 20% -kal volt magasabb, mint a férfiaké az összes DP-ben (S3. Ábra).

A TP mindkét esetben a DP3 esetében volt a legmagasabb, ami a fehérjefogyasztás iránti erős elfogultságot jelzi, amelyet a DP1, a DP4 és a DP2 követett, és a TP értékek nagyobbak voltak a nőknél, mint a férfiaknál minden egyes DP-ben. Ez az 1. ábrán látható, amely a nemek átlagos P- és C-bevitelét mutatja minden egyes DP-n, valamint az egyes nemek RIP-jét (ezeknek a tápanyagoknak a DP-k átlagos bevitelének számításával, és a tápanyagtér pontját ábrázolja). hogy az egyének aktívan védekeznek, ha választják az étrendet). A DP3 kivételével az összes többi DP tücske azt preferálta, hogy viszonylag több C-t fogyasszon, mint P (1. ábra). Ez a C elfogult preferencia azonban hangsúlyosabb volt azoknál a férfiaknál, akiknél RIP volt 1: 2,02 P: C arány mellett, mint azoknál a nőknél, akiknek RIP értéke 1: 1,71 P: C arányban volt (1. ábra), nem véletlenszerű etetés mellett., megerősítve az aktív tápanyag-szabályozást, mind a két nemnél megtalálható mind a négy DP-ben (S4. ábra).

Férfi (kék szimbólumok) és nő (vörös szimbólumok) átlagos P (C) bevitele P és C T. commodus. A nyitott szimbólumok a tápanyagok átlagos bevitelét jelzik mind a négy étrendpárban (párszámmal jelölve), míg a szilárd szimbólumok a szabályozott beviteli pontot (RIP) jelentik, amelyet a négy étrendpár átlagának számítanak. A folytonos kék és piros vonalak a táplálkozási síneket jelölik (a tápanyagtérben a tápanyagok rögzített bevitelét jelentő vonalak), amelyek áthaladnak a RIP-n a hímek (P: C arány 1: 2,02) és a nők (P: C arány 1: 1,71). A fekete szaggatott vonalak (P: C arány 5: 1 és 1: 8) képviselik a táplálkozási táj külső táplálkozási sínjeit

Mindkét nemnél az LM volt a legmagasabb a DP4-en, majd a DP2, a DP3 és a DP1 következett (2. ábra). Annak ellenére, hogy a nők nagyobb mennyiségű étrendet fogyasztanak, az LM valójában magasabb volt a férfiaknál (2. ábra). A válaszfelület elemzése azt mutatta, hogy az LM lineárisan nőtt a C bevitelével mindkét nemnél, és lineárisan csökkent a P bevitel mellett a férfiaknál, de a nőknél nem (2. táblázat). A P-bevitel mindkét nemnél szignifikáns pozitív kvadratikus hatást mutatott az LM-re, de a C-bevitelnek nem volt szignifikáns kvadratikus hatása (2. táblázat). A tápanyagbevitel szignifikáns negatív korrelációs hatást mutatott az LM-re férfiaknál, de nem a nőknél (2. táblázat). A nemeknél a tápanyagbevitel LM-re gyakorolt hatását a 2. ábra vékony lemezes spline-ként mutatja be, és ezek megerősítik, hogy az LM maximális a magas C-bevitel és az alacsony P-bevitel mellett mindkét nemnél. Valójában egy szekvenciális modellépítési megközelítés feltárta, hogy a lineáris (F2,2068 = 1,16, P = 0,31), másodfokú (F2,2064 = 2,33, P = 0,10), és korrelációs (F1,2062 = 2,80, P = 0,10) a P és C bevitel LM-re gyakorolt hatása nem különbözött szignifikánsan a nemek között.

Vékony lemezes spline (kontúr nézet) vizualizációk a fehérje (P) és a szénhidrát (C) bevitel lipid tömegére gyakorolt hatásáról a nőstény és b férfi Teleogryllus commodus. Mindegyik spline-ban a vörös régiók magasabb értékeket képviselnek a mért tulajdonságra, míg a kék régiók alacsonyabb értékeket képviselnek. A fehér keresztek az 1. ábra szerinti RIP-eket ábrázolják, lefedve a megfelelő női és férfi tájakon. A fekete szimbólumok az egyes apák átlagos P és C bevitelét jelzik a négy étrendpáron belül

A reakció normái, amelyek szemléltetik a genotípus-diéta pár kölcsönhatást (G-nemenként) az elfogyasztott étrend teljes mennyiségére (TE), a teljes tápanyag-preferenciára (TP) és a lipid tömegre (LM) férfi és nő esetében T. commodus. A nőstények szürke háttérrel, a férfiak fehér háttérrel vannak ellátva. Az ábra minden oszlopa bemutatja a nemek közötti sajátos étrendpár-összehasonlítást az egyes tulajdonságok szerint. Mindegyik panelen a vonalak egy adott genotípus válaszát jelzik két étrendpáron

A reakció normái, amelyek szemléltetik a genotípus közötti interakciót (G-nemenként) a teljes elfogyasztott mennyiségre (TE), a teljes táplálkozási preferenciára (TP) és a lipid tömegre (LM) a különböző étrendpárokban T. commodus. Mindegyik panelen a vonalak egy adott genotípus válaszát jelzik két étrendpáron

Vita

Az adatok hozzáférhetősége

A Dryad digitális adattárból elérhető adatok: https://doi.org/10.5061/dryad.cj3315s.

Hivatkozások

Arrese EL, Soulages JL (2010) Rovarzsír test: energia, anyagcsere és szabályozás. Annu Rev Entomol 55: 207–225