Розміри ротових каналів комах, що живлять рідину, визначають здатність живитись з пір
Метью С. Ленер
1 Відділ біологічних наук Кентського державного університету в Старку, Північний кантон, штат Огайо 44720, США
Ендрю Беннет
1 Відділ біологічних наук Кентського державного університету в Старку, Північний кантон, штат Огайо 44720, США
Крістен Е. Райтер
1 Відділ біологічних наук Кентського державного університету в Старку, Північний кантон, штат Огайо 44720, США
Патрік Д. Джерард
2 Відділ математичних наук Університету Клемсона, Клемсон, SC 29634, США
Ци-Хуо Вей
3 Інститут рідких кристалів, Державний університет Кента, Кент, штат Огайо 44242, США
Міранда Байлер
1 Відділ біологічних наук Кентського державного університету в Старку, Північний кантон, штат Огайо 44720, США
Хуан Янь
3 Інститут рідких кристалів, Державний університет Кента, Кент, штат Огайо 44242, США
Ва-Кіт Лі
4 Національна лабораторія Брукхейвена, Аптон, штат Нью-Йорк, 11973, США
Пов’язані дані
Набір даних, що підтримує цей документ, можна знайти в Цифровому сховищі Dryad: http://dx.doi.org/10.5061/dryad.b167g [46].
Анотація
1. Вступ
Поживні рідини, такі як потоки соку та нектар, є обмежуючим ресурсом; конкуренція, посуха та інші фактори навколишнього середовища можуть звести ці рідини з басейнів лише до заповнення дрібних пор на поверхнях [1–3]. Комахи, здатні витягувати рідини з пористих поверхонь під час несприятливих умов навколишнього середовища, таких як посуха, мали б адаптаційну перевагу перед іншими комахами. Незважаючи на проблеми, пов'язані з вилученням рідин, укладених у дрібні пори на поверхні, мух (Diptera, 150 000+ видів) та метеликів та молі (Lepidoptera, 160 000+ видів), прем'єрні живильники (70% усіх комах, що живлять рідину) [4,5], часто спостерігають годування з пористих поверхонь. Їхня здатність харчуватися різноманітними рідинами, такими як нектар, кров, потоки соку, медова роса та соки на падалі, гниючих фруктах та гної [6–10], ймовірно, сприяла їх масовому випромінюванню, надаючи можливості проникнути в нові адаптаційні зони [11]. В обох групах є ротові відділи (хоботки), які концептуально є трубопроводом із модифікованими дистальними частинами, що підтримують поглинання рідини [12–15].
Незважаючи на те, що у Diptera і Lepidoptera є всмоктуючий насос у голові, який використовується для прокачування рідини через їх харчові канали [16,17], дія насоса сама по собі не може подолати капілярний тиск, необхідний для витягання рідини з дрібних пір субстрату [12,18] . Рентгенофазово-контрастне зображення показало, що метелик-монарх (Danaus plexippus L.) долає цю проблему, маючи пористий хоботок, який підтримує видалення рідини з пір субстрату шляхом капілярної дії для побудови рідких містків через нестабільність Плато [12,19], всередині харчового каналу хоботка. Сформувавшись, відсмоктувальний насос може генерувати перепад тиску для транспортування містків рідини до кишечника [12]. Однак утворення рідких містків у D. plexippus залежить від залежності між розміром пор субстрату та діаметром харчового каналу гирлових частин - рідкі містки не можуть утворюватися в трубопроводах гирлових частин, що мають більший діаметр, ніж пори субстрату, отже, існує обмежувальна пор розмір, з якого D. plexippus може харчуватися. Експериментальних доказів, що вказують на важливість дії капілярів у рідинному харчуванні комахами, бракує, а гіпотеза обмеження розміру пор не перевірена у інших видів, що живляться рідиною.
Враховуючи, що комахи, що харчуються рідиною, відрізняються за розмірами ротових частин [20], ми припустили, що існують різні порогові розміри пір субстрату, з яких види можуть харчуватися. Крім того, широко розповсюджений шаблон обмеження розмірів пір припускає, що ці комахи використовують капілярність та рідкі містки як об’єднуючі принципи для поглинання рідини. Центральною проблемою при оцінці граничного розміру пор є визначення того, чи комаха позитивно набула рідини з дрібних пор на поверхнях. Монаєнкова та ін. [12], наприклад, оцінив здібності годування D. plexippus на основі хоботової зондуючої поведінки, яка стосується годування, але не підтверджує набуття рідини. Тут ми використовуємо 20% розчин сахарози, змішаний з флуоресцентними магнітними наночастинками, як показник здатності живитись.
2. Методи
(а) Види
(b) Розчин для годівлі
Наночастинку 1 мг мл -1 dH2O (флуоресцентний магнітний оксид заліза з покриттям з поліакрилової кислоти діаметром приблизно 20 нм [22]) змішували з 20% розчином сахарози та червоним харчовим барвником (4,75: 4,75: 0,5, відповідно) для отримання розчину наночастинок, який використовувався для визначення здатності поглинання рідини.
(c) Експериментальне встановлення та випробування годування
(d) Розсічення та спостереження за наночастинками
Відразу після годування комах розтинали під стереоскопом (стереомікроскоп Leica M205 C), а урожай видаляли за допомогою щипців та розсікаючих ножиць. Урожай поміщали на предметне скло з покривним склом і зображали фільтром CY3 на конфокальному мікроскопі Olympus IX81 (Center Valley, PA) при 20 ×. Посіви махали магнітом, щоб перевірити наявність наночастинок; якщо вона присутня, це вказує на здатність подавати з заданого розміру пор фільтра (фіг.2).
(e) Скануюча електронна мікроскопія, томографія та рентгенівська фазово-контрастна візуалізація
Комах готували до скануючої електронної мікроскопії, поміщаючи їх через серію дегідратації етанолу (70%, 80%, 90%, 100% EtOH протягом 24 годин кожна) з подальшою хімічною сушкою з використанням гексаметилдизалізану. Потім комах розміщували на алюмінієвих стержнях із скануючим електронним мікроскопом (SEM) із використанням вуглецево-графітової стрічки та наносили платиною на 1-2 хвилини. Зразки знімали при напрузі 20 кВ за допомогою SEM Hitachi TM3000. Невикористаний фільтрувальний папір розміщували на алюмінієвій заглушці із СЕМ і обмазували 7 нм шаром платини. Фільтрувальний папір знімали у високому вакуумі при 15 кВ у JEOL 6010LA-SEM. Томографія та рентгенівські фазово-контрастні зображення були отримані в Національній лабораторії Аргонна за попередньо встановленими протоколами та інтенсивністю променя [12].
(f) Статистика
Проксимальне та дистальне вимірювання ротової частини порівнювали серед видів за допомогою парного t-тесту. Дисперсійний аналіз (ANOVA, p 2 = 0,9341; F85,05; p 2 = 0,3110; F2,71; p = 0,151) через великі проксимальні ділянки ротової частини мух. Дистальний ротовий апарат був значно меншим, ніж проксимальні ділянки для всіх досліджуваних видів (парні t-тести, p 2 = 0,8380; p = 0,0029; проксимальні ротові апарати R 2 = 0,8841, p = 0,0477; рисунок 3). Мухи з попередньо поданої обробки змогли отримати розчин наночастинок із усіх перевірених розмірів пір фільтра, заважаючи нам визначити пороговий розмір пор субстрату. Комахи також виражали діапазон поведінки під час годування, який стосувався розмірів пір субстрату, з яких вони були представлені; ті, що мали менший розмір пір, виражали підвищену поведінку губчастості та зондування [13,29]. Витіснені рідини спостерігали у деяких метеликів під час годування (n = 16), і лише у одного з цих метеликів згодом не було розчину наночастинок у врожаї (див. Електронний додатковий матеріал, таблиця S2).