Стійкість метеликів молочаю до токсинів рослин пов’язана з секвестрацією, а не з токсичною
Пов’язані дані
Неопрацьовані дані, про які повідомляється в цій роботі, були розміщені в Дріаді: http://dx.doi.org/10.5061/dryad.3jm4q.
Анотація
1. Вступ
Багаторічна модель коеволюції стверджує, що взаємна адаптація у взаємодії видів може призвести до гонки озброєнь ескалаційних фенотипів [1,2]. Відповідно, пристосування рослиноїдних комах до вмісту рослинних токсинів, як правило, трактується як еволюційна реакція на захист рослин, що має вирішальне значення для використання певних видів рослин як дієтичного ресурсу [3–8]. Навпаки, еволюція специфічних адаптацій для полегшення секвестрації рослинних токсинів (тобто поглинання токсинів через кишечник та їх утримання в організмі [9]) передбачає хижаків та паразитоїдів (третій трофічний рівень) або контроль зверху вниз, як рушійна сила в коеволюції рослин і рослиноїдних тварин. Незважаючи на широке розуміння секвестрації як надзвичайного компонента спеціалізації рослин-господарів та адаптації до хижацтва [9,10], механізми інтеграції секвестрації в теорію коеволюції [3,11] навряд чи зрозумілі. Щоб перевірити відносну важливість боротьби з токсичною дієтою проти секвестрації токсинів у формуванні адаптацій комах, тут ми оцінюємо функціональні наслідки еволюційно ескалаторної ознаки стійкості у молочаїв метеликів [12,13].
Карденоліди (серцеві глікозиди) - це сильнодіючі рослинні токсини, які специфічно інгібують Na +/K + -ATP-азу, важливий транспортний катіон тварин [14,15]. Примітно, що молекулярна адаптація до карденолідів через змінені Na +/K + -ATPases (нечутливість до цільової ділянки) еволюціонувала конвергентно щонайменше у п’яти порядках рослиноїдних комах [16–18]. Стійкість до комах Na +/K + -ATPase заснована на специфічних заміщеннях амінокислот, що змінюють властивості зв'язування карденолідів Na +/K + -ATPase, і вперше описана у метелика-монарха (Danaus plexippus) [19,20].
Метелик-монарх також являє собою класичний випадок набутого захисту, коли гусениці не тільки переносять, але й секвеструють карденоліди від своїх рослин-господарів молочаю (Asclepias spp., Apocynaceae) і передають ці токсини на стадію метеликів для власної захисту від хижаків та паразитів. [21–23]. Практично всі 160 метеликів молочаю з племені Данаїні (Nymphalidae) спеціалізуються на рослинах-хазяїнах Apocynaceae, які часто продукують карденоліди [15], що свідчить про довгу та спільну еволюційну історію. Однак у межах Данайні стійкість Na +/K + -ATPase розвивалася поетапно, в результаті чого утворилися три форми Na +/K + -ATPase зі збільшенням стійкості до карденолідів. Серед 16 видів Данаїні, гени Na +/K + -ATPase яких були секвенировані, а Na +/K + -ATPase фізіологічно досліджені, стійкість до карденолідів визначали за допомогою трьох дискретних молекулярних форм [12].
Незважаючи на загальне визнання тритрофних взаємодій як важливого фактору взаємодії рослин і комах [25,26], невідомо, як третій трофічний рівень може впливати на взаємну адаптацію між рослинами та комахами [3]. Добре встановлено, що карденоліди захищають метеликів-монархів від нападів птахів [21], а метелики-монархи та королеви є моделями мімікриї для віце-короля (Limenitis archippus) [27,28], що підкреслює ефективність секвестрації карденоліду як захист. Крім того, було показано, що у видів метеликів молочаїв (D. plexippus, звичайний тигр, D. chrysippus та E. core) рвотна здатність, що діє на хижаків, пов’язана із кількістю збережених карденолідів [29]. Таким чином, наше дослідження пропонує механізм того, як третій трофічний рівень може брати участь у коеволюції рослин і комах, сприяючи зміні толерантності та використанню токсинів рослиноїдними. Дійсно, метелики-молочаї є моделлю для просування наших знань про те, як складні взаємодії спільнот сформували еволюцію видів на молекулярному та фізіологічному рівнях.
2. Матеріал і методи
(а) Комахи
Ядро евплої утримували в сітчастій клітці в теплиці для отримання яєць. Яйця Danaus gilippus та D. plexippus були придбані у комерційних селекціонерів. Робота з E. core та D. gilippus була дозволена за дозволом USDA номер P526P-12-05106. Яйця метеликів дезінфікували поверхнею 100 ppm розчину оксину (Bio-Cide, International Inc., Norman, OK, USA) у воді (0,01% ClO2) протягом 10 хв, щоб запобігти потенційному переносу паразитів [30].
(b) Рослини
Насіння Asclepias (asperula, curassavica, cordifolia, hallii, linaria, incarnata, syriaca та viridis) отримували комерційно або збирали в полі. Насіння обробляли побутовим відбілювачем (5%) протягом 5 хв, стригли та холодно стратифікували протягом 7 днів. Після проростання при 28 ° С саджанці висаджували в горщики об’ємом 500 мл, наповнені ґрунтовою землею (Metro-Mix; Садівництво Сан Гро, Канада CM Ltd, Ванкувер, Канада). Рослини удобрювали (NPK 21: 5: 20, 150 ppm N) через 10 і через 20 днів і поливали за потреби. Рослини (неквітучі) використовували для експериментів після чотирьох-семи тижнів росту в прохідній камері в контрольованому середовищі (14: 10 год цикл день/ніч, 400 мікроейнштейнів м −2 с −1 світла, 27 ° C/24 ° C). Просторове розташування рослин було рандомізовано в камері.
(c) Експеримент зі зростання гусениці
Щоб перевірити вплив карденолідів на ріст гусениць, новонароджених гусениць трьох видів переносили окремо на рослини Asclepias (тобто одна рослина отримувала лише одну гусеницю). Через 3 і 5 днів перебування в екологічній камері за тих самих умов, що використовувались для росту рослин, масу тіла гусениць реєстрували за допомогою мікробалансу (AT21 Comparator, Mettler Toledo, Columbus, OH, USA). Після зважування гусениці були повторно застосовані до вихідних рослин. Також на п’ятий день відбирали зразки листя для аналізу на карденоліди, а гусениці на рослинах ставили в клітку в сітчастий рукав. Гусениці залишались на рослинах, поки не досягли четвертої чи п’ятої стадії. Для оцінки росту гусениць (5 днів) гусениці тримали на одній рослині, і ні в якому разі не було з’їдено більше 50% листя. Пізніше рослини замінили свіжими рослинами того ж виду, якщо це було необхідно. Загалом було проведено п’ять блоків експерименту зі зростання гусениць. У кожному блоці використовували всі вісім видів Asclepias. Див. Електронний додатковий матеріал, таблицю S1, щодо кількості ваги гусениці, отриманої на блок. Розміри зразків для кожної комбінації видів комах та рослин вказані в електронному додатковому матеріалі, таблиця S2.