Intag av lysrör, magnetiska nanopartiklar för att bestämma vätska-upptag förmågor hos insekter
Summary
Vätska-utfodring insekter har förmågan att förvärva små mängder vätskor från porösa ytor. Det här protokollet beskriver en metod för att direkt fastställa möjligheten för insekter att förtära vätskor från porösa ytor med utfodring lösningar med fluorescerande, magnetiska nanopartiklar.
Abstract
Vätska-utfodring insekter äter en mängd olika vätskor, som finns i miljön som pooler, filmer, eller begränsas till små porer. Studier av flytande förvärv kräver bedömning av mouthpart struktur och funktion relationer; flytande upptag mekanismer är emellertid historiskt slutsatsen från observationer av strukturella arkitektur, ibland ensamkommande med experimentella bevis. Vi rapporterar här, en ny metod för att bedöma vätska-upptag förmågor med fjärilar (Lepidoptera) och flugor (Diptera) använder små mängder av vätskor. Insekter har utfodrats med en 20% sackaroslösning blandat med fluorescerande, magnetiska nanopartiklar från filtrerpapper av specifika porstorlek. Grödan (inre struktur används för att lagra vätskor) tas bort från insekten och placeras på en confocal Mikroskop. En magnet är vinkade av grödan att bestämma förekomsten av nanopartiklar, som indikerar om insekter ska kunna svälja vätskor. Denna metod används för att avslöja en utbredd utfodring mekanism (kapillärkraften och flytande bro bildning) som är potentiellt delas bland Lepidoptera och Diptera när utfodring från porösa ytor. Dessutom, denna metod kan användas för studier av utfodring mekanismer bland en mängd vätska-utfodring insekter, inklusive de viktiga i sjukdomsspridning och Biomimetik och eventuellt andra studier som involverar nano – eller micro-storlek conduits där flytande transport kräver verifiering.
Introduction
Många insekt grupper har mouthparts (proboscises) anpassad för utfodring på vätskor, såsom nektar, ruttnande frukt, sap flöden (t.ex. Diptera1, Lepidoptera2, Hymenoptera3), xylem (Hemiptera4), tårar (Lepidoptera ( 5), och blod (Phthiraptera6, Siphonaptera7, Diptera7, Hemiptera8, Lepidoptera9). Förmågan hos insekter att mata på vätskor är relevant för ekosystem hälsa (t.ex. pollinering10), sjukdom överföring4,11, biodiversification2,12och studier konvergent evolution13. Trots det stora utbudet av födokällor är ett tema bland vissa vätska-utfodring insekter förmågan att förvärva små mängder vätska, som kunde begränsas till mikro – eller nano-storlek droppar, flytande filmer eller porösa ytor.
Med tanke på den omfattande mångfalden av vätska-utfodring insekter (mer än 20% av alla djurarter14,15) och deras förmåga att livnära sig på en mängd matkällor, förstå deras utfodring beteenden och vätska-upptag mekanismer är viktigt på många områden. Insekt mouthpart funktionalitet, till exempel, har spelat en roll i utvecklingen av biomimetiska teknik, t.ex., ultrakalla enheter som kan utföra uppgifter såsom förvärv av små mängder vätskor enligt metoder liknar de anställda av insekter16. Ett grundläggande problem i studierna av vätska upptag mekanismer, dock är att bestämma inte bara hur insekter livnär sig på vätskor, men förvärva experimentella bevis som stöder mekanismen. Enbart använder beteende (t.ex. sondering med Snabel12,17) som en indikator för utfodring är otillräcklig eftersom den inte bekräftar det framgångsrika upptaget av vätska, och inte heller ger ett sätt att bestämma rutten som vätskor resa när de passerar genom insekten. Dessutom representerar utför experiment med små mängder vätskor bättre naturlig utfodring scenarier där vätskor är en begränsande resurs2,12.
Röntga fas kontrast imaging användes med Monarkfjärilen (Danaus plexippus L.) för att bedöma hur fjärilar livnär sig på små mängder vätskor från porösa ytor12. Monarch fjärilar använda kapillärkraften via blanksteg mellan cuticular prognoser (dorsala legulae) längs snabel för att få vätskor begränsas till små porer i mat kanalen. De inkommande vätskorna bildar en film på mat canal väggen som växer och kollapsar i en flytande bro av platån instabilitet12,18, som sedan transporteras till fjärilens gut genom åtgärder av sugande pump i huvudet. Även om röntgenfotografering fas kontrast är ett optimalt verktyg för att visualisera vätskeflöde inuti insekter12,19,20,21, tekniken är inte lätt tillgänglig och en bekvämare metoden är nödvändig för snabb bedömning av en insekts förmåga att upptag vätskor och äter dem.
Att avgöra om utfodring mekanismen för D. plexippus gäller andra Lepidoptera och även flugor (Diptera) (båda grupper foder på vätskor från porösa ytor), Lehnert o.a. 13 tillämpat en teknik för att bedöma en insekts förmåga att livnära sig på små mängder vätskor från porösa ytor, som redovisas i detalj här. Även om protokollet som beskrivs här är för studier som använder befuktas och porösa ytor, kan metoden ändras för andra studier, exempelvis adressering pool-utfodring mekanismer. Dessutom utvidga program till andra områden, inklusive mikrofluidik och bioinspired teknik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Insekt mouthpart funktionalitet är historiskt härledas från studier av brutto morfologi (t.ex., fjärilsarter snabel funktioner relaterade till en dricka sugrör25,26); dock har senaste studierna som införlivar experimentella bevis resulterat i ett paradigmskifte i vår förståelse av komplexiteten i insekt mouthparts och struktur och funktion relationer2,12,13</…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Science Foundation (NSF) bevilja nr. IOS 1354956. Vi tackar Dr. Andrew D. Warren (McGuire Center för Lepidoptera och biologisk mångfald, Florida Museum of Natural History, University of Florida) om tillstånd att använda fjäril bilder.
Materials
| 20% sucrose solution | Domino Sugar | Sugar needed to produce the sucrose solution with dH2O | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P5493 | 10X concentration diluted to 1X in dH2O for insect dissections |
| Single depression concave slide | AmScope | BS-C6 | Slide is necessary for feeding stage setup |
| Filter paper | EMD Millipore | NY6004700 (60 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | NY4104700 (41 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | NY3004700 (30 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | NY2004700 (20 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | NY1104700 (11 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | TCTP04700 (10 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | TETP04700 (8 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | TMTP04700 (5 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | RTTP04700 (1 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Iris microdissecting scissors | Carolina Biological Supply Company | 623555 | Scissors used for dissections |
| Insect pins (#1) | Bioquip Products | 1208B1 | Pins used during dissections and feeding trials |
| Extra-fine point dissecting forceps | Carolina Biological Supply Company | 624684 | Dissecting equipment |
| Leica M205 C Stereoscope | Leica Microsystems | M205 C | Stereoscope used for dissections |
| Inverted confocal microscope | Olympus | IX81 | Fluorescent microscope used to detect magnetic nanoparticles |
| Fisherbrand PTFE Disposable Stir Bar | Fisherscientific | S68067 | Magnet used to detect nanoparticles |
| Kimtech Science Kimwipes | Kimberly-Clark Professional | 34155 | Tissues used to secure insects during feeding trials |
| House fly (Musca domestica) pupae | Mantisplace.com | insects for experiments | |
| Blue bottle fly (Calliphora vomitoria) pupae | Mantisplace.com | insects for experiments | |
| Cabbage butterfly (Pieris rapae) larvae | Carolina Biological Supply Company | 144102 | insects for experiments |
| Finnpipette F1 | ThermoFisher Scientific | 4641080N | micropipette for dispensing liquids |
| Finntip 250 pipette tips | ThermoFisher Scientific | 9400250 | micropipette tips |
| Microscope Glass cover slides (=coverslips) (24 x 24 mm) | AmScope | CS-S24-100 | coverslips for viewing the insect's crop on confocal microscope |
References
- Vijaysegaran, S., Walter, G. H., Drew, R. A. I. Mouthpart structure, feeding mechanisms, and natural food sources of adult Bactrocera (Diptera: Tephritidae). Ann Entomol Soc Am. 90, 184-201 (1997).
- Lehnert, M. S., Monaenkova, D., Andrukh, T., Beard, C. E., Adler, P. H., Kornev, K. G. Hydrophobic-hydrophilic dichotomy of the butterfly proboscis. J R Soc Interface. 10, 1-10 (2013).
- Zhao, J., Wu, J., Yan, S. Erection mechanism of glossal hairs during honeybee feeding. J Theor biol. 386, 62-68 (2015).
- Redak, R. A., Purcell, A. H., Lopes, J. R. S., Blua, M. J., Mizell, R. F., Andersen, P. C. The biology of xylem fluid-feeding insect vectors of Xylella fastidiosa and their relation to disease epidemiology. Ann. Review Entomol. 49, 243-270 (2004).
- Büttiker, W., Krenn, H. W., Putterill, J. F. The proboscis of eye-frequenting and piercing Lepidoptera (Insecta). Zoomorphology. 116, 77-83 (1996).
- Light, J. E., Smith, V. S., Allen, J. M., Durden, L. A., Reed, D. L. Evolutionary history of mammalian sucking lice (Phthiraptera: Anoplura). BMC Evol Biol. 10, (2010).
- Krenn, H. W., Aspock, H. Form, function and evolution of the mouthparts of blood-feeding Arthropoda. Arthropod Struct Dev. 41, 101-118 (2012).
- Lehnert, M. P., Pereira, R. M., Koehler, P. G., Walker, W., Lehnert, M. S. Control of Cimex lectularius using heat combined with dichlorvos resin strips. Med Vet Entomol. 25, 460-464 (2011).
- Zaspel, J. M., Kononenko, V. S., Goldstein, P. Z. Another blood feeder? Experimental feeding of a fruit-piercing moth species on human blood in the Primorye Territory of far eastern Russia (Lepidoptera: Noctuidae: Calpinae). J Insect Behav. 20, 437-451 (2007).
- Barth, F. G. . Insects and flowers: the biology of a partnership. , (1991).
- Foil, L. D., Adams, W. V., McManus, J. M., Issel, C. J. Bloodmeal residues on mouthparts of Tabanus fuscicostatus (Diptera: Tabanidae) and the potential for mechanical transmission of pathogens. J Med Entomol. 24, 613-616 (1987).
- Monaenkova, D., et al. Butterfly proboscis: combining a drinking straw with a nanosponge facilitated diversification of feeding habits. J R Soc Interface. 9, 720-726 (2012).
- Lehnert, M. S., et al. Mouthpart conduit sizes of fluid-feeding insects determine the ability to feed from pores. Proc. R. Soc. B. 284, (2017).
- Grimaldi, D., Engel, M. S. . Evolution of the insects. , (2005).
- Adler, P. H., Foottit, R. G. . Insect biodiversity: science and society. , (2009).
- Tsai, C. C., et al. Nanoporous artificial proboscis for probing minute amount of liquids. Nanoscale. 3, (2011).
- Krenn, H. W. Proboscis sensilla in Vanessa cardui (Nympahlidae, Lepidoptera): Functional morphology and significance of flower-probing. Zoomorphology. 118, 23-30 (1998).
- Plateau, J. A. F. Experimental and theoretical researches on the figures of equilibrium of liquid mass withdrawn from the action of gravity. (Transl). Annual Report of the Board Regents Smithsonian Institution. , 207-285 (1863).
- Socha, J. J., Westneat, M. W., Harrison, J. F., Waters, J. S., Lee, W. -. K. Real-time phase-contrast x-ray imaging: a new technique for the study of animal form and function. BMC Biol. 5, 6 (2007).
- Westneat, M. W., Socha, J. J., Lee, W. -. K. Advances in biological structure, function and physiology using synchrotron x-ray imaging. Annu Rev Physiol. 70, 119-142 (2008).
- Lee, W. -. K., Socha, J. J. Direct visualization of hemolymph flow in the heart of a grasshopper (Schistocerca americana). BMC Physiology. 9, 2 (2009).
- Lehnert, M. S., Mulvane, C. P., Brother, A. Mouthpart separation does not impede butterfly feeding. Arthropod Struct Dev. 43, 97-102 (2014).
- Lehnert, M. S., Beard, C. E., Gerard, P. D., Kornev, K. G., Adler, P. H. Structure of the lepidopteran proboscis in relation to feeding guild. J Morphol. 277, 167-182 (2016).
- Yan, H., Sung, B., Kim, M. -. H., Kim, C. A novel strategy for functionalizable photoluminescent magnetic nanoparticles. Mater. Res. Express. 1, 045032 (2014).
- Kingsolver, J. G., Daniel, T. L. On the mechanics and energetics of nectar feeding in butterflies. J Theor Biol. 76, 167-179 (1979).
- Krenn, H. W. Feeding mechanisms of adult Lepidoptera: Structure, function, and evolution of the mouthparts. Ann Rev Entomol. 55, 307-327 (2010).
- Tsai, C. -. C., Monaenkova, D., Beard, C. E., Adler, P. H., Kornev, K. G. Paradox of the drinking-straw model of the butterfly proboscis. J Exp Biol. 217, 2130-2138 (2014).
- Bauder, J. A. S., Handschuh, S., Metscher, B. D., Krenn, H. W. Functional morphology of the feeding apparatus and evolution of proboscis length in metalmark butterflies (Lepidoptera: Riodinidae). Biol J Linn Soc. 110, 291-304 (2013).
