مختبر الأحيائي تغذية الأسماك لتقييم آخر Antipredatory من المركبات الثانوية من الأنسجة من الكائنات البحرية
Summary
هذا الأحيائي توظف الأسماك المفترسة نموذج لتقييم وجود نواتج التغذية رادع من مقتطفات العضوية من أنسجة الكائنات البحرية في تركيزات الطبيعية باستخدام غذائيا مقارنة مصفوفة الغذاء.
Abstract
Marine chemical ecology is a young discipline, having emerged from the collaboration of natural products chemists and marine ecologists in the 1980s with the goal of examining the ecological functions of secondary metabolites from the tissues of marine organisms. The result has been a progression of protocols that have increasingly refined the ecological relevance of the experimental approach. Here we present the most up-to-date version of a fish-feeding laboratory bioassay that enables investigators to assess the antipredatory activity of secondary metabolites from the tissues of marine organisms. Organic metabolites of all polarities are exhaustively extracted from the tissue of the target organism and reconstituted at natural concentrations in a nutritionally appropriate food matrix. Experimental food pellets are presented to a generalist predator in laboratory feeding assays to assess the antipredatory activity of the extract. The procedure described herein uses the bluehead, Thalassoma bifasciatum, to test the palatability of Caribbean marine invertebrates; however, the design may be readily adapted to other systems. Results obtained using this laboratory assay are an important prelude to field experiments that rely on the feeding responses of a full complement of potential predators. Additionally, this bioassay can be used to direct the isolation of feeding-deterrent metabolites through bioassay-guided fractionation. This feeding bioassay has advanced our understanding of the factors that control the distribution and abundance of marine invertebrates on Caribbean coral reefs and may inform investigations in diverse fields of inquiry, including pharmacology, biotechnology, and evolutionary ecology.
Introduction
علم البيئة الكيميائية وضعت من خلال التعاون من الكيميائيين وعلماء البيئة. في حين كان subdiscipline من الأرضية البيئة الكيميائية في جميع أنحاء لبعض الوقت، أن علم البيئة الكيميائية البحرية ليست سوى بضعة عقود القديمة ولكن قدمت معلومات هامة في البيئة والمجتمع هيكل التطوري للكائنات البحرية 1-8. الاستفادة من التكنولوجيات الناشئة من رياضة الغطس وNMR الطيفي، ولدت علماء الكيمياء العضوية بسرعة عدد كبير من المنشورات التي تصف نواتج جديدة من اللافقاريات والطحالب البحرية القاعية في 1970s و 1980s 9. على افتراض أن المركبات الثانوية يجب أن يخدم بعض الأغراض، وكثير من هذه المنشورات المنسوبة بيئيا الخصائص الهامة لمركبات جديدة دون أدلة تجريبية. وفي الوقت نفسه، تم أخذ علماء البيئة أيضا الاستفادة من ظهور الغوص ويصف التوزيعات وفرة من الحيوانات والنباتات القاعية التي كانت تعرف سابقا جيئة وذهابام طرق أخذ العينات غير فعالة نسبيا مثل التجريف. كان الافتراض من هؤلاء الباحثين أن أي شيء لاطئة وميسرة جسديا يجب الدفاع عنه كيميائيا لتجنب الاستهلاك بنسبة 10 الحيوانات المفترسة. في محاولة لإدخال التجريبية إلى ما كان العمل صفي خلاف ذلك على وفرة الأنواع، بدأت بعض علماء البيئة استقراء الدفاعات الكيميائية من المقايسات سمية 11. وشملت معظم فحوصات السمية تعرض الأسماك الكاملة أو الكائنات الأخرى لتعليق المائية من مقتطفات العضوية الخام من الأنسجة اللافقارية، مع قرار لاحق للتركيز كتل جافة مقتطفات مسؤولة عن قتل نصف الكائنات الحية الفحص. ومع ذلك، فحوصات السمية لا تحاكي الطريقة التي الحيوانات المفترسة المحتملة ترى فريسة تحت الظروف الطبيعية، وقد وجدت الدراسات اللاحقة عدم وجود علاقة بين سمية واستساغة 12-13. ومن المثير للدهشة أن المنشورات في المجلات المرموقة تستخدم تقنيات وجود ضئيلة أو معدومة ECOLOGICAلتر أهمية 14-15 وأن هذه الدراسات لا تزال استشهد على نطاق واسع اليوم. بل لعله أكثر إثارة للقلق أن نلاحظ أن استمرار الدراسات على أساس بيانات السمية التي ستنشر 16-18. تم تطوير طريقة الأحيائي الموصوفة هنا في أواخر 1980s لتوفير نهج ذات الصلة بيئيا لعلماء البيئة البحرية الكيميائية لتقييم الدفاعات الكيميائية antipredatory. يتطلب الأسلوب المفترس نموذج لعينة استخراج العضوية الخام من الكائن المستهدف عند تركيز الطبيعي في غذائيا مقارنة مصفوفة الأغذية وتوفير البيانات استساغة التي هي أكثر وضوحا من الناحية البيئية من بيانات السمية.
النهج العام لتقييم النشاط antipredatory من أنسجة الكائنات البحرية ويشمل أربعة معايير المهم: (1) يجب أن تستخدم وهو مفترس اختصاصي المناسب في المقايسات التغذية، (2) الأيض العضوية من جميع أقطاب يجب أن يكون استخراجه مستفيض من أنسجة استهداف الحي، (3) يجب على الأيض بالبريد مختلطة في الغذاء التجريبي المناسب من الناحية التغذوية في نفس التركيز الحجمي كما هو موجود في الكائن الحي من التي تم استخراجها، و (4) التصميم التجريبي والمنهج الإحصائي يجب أن توفر مغزى متري للإشارة distastefulness النسبي.
تم تصميم الإجراء المذكورة أدناه خصيصا لتقييم الدفاعات الكيميائية antipredatory في اللافقاريات البحرية في منطقة البحر الكاريبي. نحن توظيف اللبروس bluehead، Thalassoma bifasciatum، باعتباره الأسماك المفترسة نموذجية لهذا النوع شائع على الشعاب المرجانية في الكاريبي وكما هو معروف لتذوق تشكيلة واسعة من اللافقاريات القاعية 19. يتم استخراج الأنسجة من الكائنات المستهدفة أولا، ثم مجتمعة مع خليط الغذاء، وأخيرا عرضت مجموعة من T. bifasciatum لمراقبة ما إذا كانوا يرفضون الأطعمة المعالجة استخراج. وقد وفرت بيانات الفحص باستخدام هذه الطريقة معلومات هامة في الكيمياء دفاعي من الكائنات البحرية 12،20-21، لالتاريخ IFE المفاضلات 22-24، والبيئة المجتمعية 25-26.
Protocol
Representative Results
Discussion
الإجراء الموصوفة هنا يوفر بروتوكول مختبر بسيط نسبيا، ذات الصلة من الناحية البيئية لتقييم الدفاعات الكيميائية antipredatory في الكائنات البحرية. نحن هنا استعراض المعايير الهامة التي يتم توفيرها من قبل هذه المجموعة من الأساليب:
(1) المف?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank James Maeda and Aaron Cooke for assistance with the filming and editing of this video. Funding was provided by the National Science Foundation (OCE-0550468, 1029515).
Materials
| Dichloromethane | Fisher Scientific | D37-20 | |
| Methanol | Fisher Scientific | A41220 | |
| Anhydrous Calcium Chloride | Fisher Scientific | C614-500 | |
| Cryocool Heat Transfer Fluid | Fisher Scientific | 20-548-146 | For vacuum concentrator |
| Alginic Acid Sodium Salt High Viscosity | MP Biomedicals | 154723 | |
| Squid mantle rings | N/A | N/A | Can be purchased at grocery store |
| Denatonium benzoate | Aldrich | D5765 | |
| 50 ml graduated centrifuge tube | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
| 20 ml scintillation vial | Fisher Scientific | 03-337-7 | |
| Disposable Pasteur pipets | Fisher Scientific | 13-678-20D | |
| Rubber bulbs for Pasteur pipets | Fisher Scientific | 03-448-24 | |
| Red bulbs for pellet delivery | Fisher Scientific | 03-448-27 | |
| 250 ml round-bottom flask | Fisher Scientific | 10-067E | |
| Scintillation vial adapter for rotavap | Fisher Scientific | K747130-1324 | |
| Weightboats | Fisher Scientific | 02-202B | |
| Microspatula | Fisher Scientific | 21-401-10 | |
| 5 ml graduated syringe | Fisher Scientific | 14-817-53 | |
| 10 ml graduated syringe | Fisher Scientific | 14-817-54 | |
| Razor blade | Fisher Scientific | S17302 |
References
- Paul, V. J., ed, . Ecological roles of marine natural products. , (1992).
- Pawlik, J. R. Marine invertebrate chemical defenses. Chemical Reviews. 93 (5), 1911 (1993).
- Hay, M. E. Marine chemical ecology: what's known and what's next. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 44 (5), 476-476 (1996).
- McClintock, J. B., Baker, B. J. . Marine Chemical Ecology. , (2001).
- Amsler, C. D. . Algal Chemical Ecology. , (2008).
- Hay, M. E. Marine chemical ecology: Chemical signals and cues structure marine populations, communities, and ecosystems. Annual Review of Marine Science. 1, 193-212 (2009).
- Pawlik, J. R. The chemical ecology of sponges on Caribbean reefs: Natural products shape natural systems. BioScience. 61 (11), 888 (2011).
- Pawlik, J. R. Antipredatory Defensive Roles of Natural Products from Marine Invertebrates. Handbook of Marine Natural Products. , 677-710 (2012).
- Pawlik, J. R., Amsler, C. D., Ritson-Williams, R., McClintock, J. B., Baker, B. J., Paul, V. J. Marine Chemical Ecology: A Science Born of Scuba. . Research and Discoveries: The Revolution of Science through Scuba. 39, 53-69 (2013).
- Randall, J. E., Hartman, W. D. Sponge-feeding fishes of the West Indies. Marine Biology. 1, 216-225 (1968).
- Bakus, G. J., Green, G. Toxicity in sponges and holothurians — geographic pattern. Science. 185, 951-953 (1974).
- Pawlik, J. R., Chanas, B., Toonen, R. J., Fenical, W. Defenses of Caribbean sponges against predatory reef fish. 1. Chemical deterrency. Marine Ecology Progress Series. 127, 183-194 (1995).
- Schulte, B. A., Bakus, G. J. Predation deterrence in marine sponges — laboratory versus field studies. Bulletin of Marine Science. 50, 205-211 (1992).
- Jackson, J. B. C., Buss, L. Allelopathy and spatial competition among coral reef invertebrates. Proceedings of the National Academy of Sciences. 72, 5160-5163 (1975).
- Bakus, G. J. Chemical defense mechanisms on the great barrier reef. Australia. Science. 211, 497-499 (1981).
- Gemballa, S., Schermutzki, F. Cytotoxic haplosclerid sponges preferred: a field study on the diet of the dotted sea slug Peltodoris atromaculata (doridoidea: nudibranchia). Marine Biology. 144, 1213-1222 (2004).
- Voogd, N. J., Cleary, D. F. R. Relating species traits to environmental variables in Indonesian coral reef sponge assemblages. Marine and Freshwater Research. 58, 240-249 (2007).
- Mollo, E., et al. Factors promoting marine invasions: a chemolecological approach. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 4582-4586 (2008).
- Randall, J. E. Food habits of reef fishes of the West Indies. Studies in Tropical Oceanography. 5, 665-847 (1967).
- O’Neal, W., Pawlik, J. R. A reappraisal of the chemical and physical defenses of Caribbean gorgonian corals against predatory fishes. Marine Ecology Progress Series. 240, 117-126 (2002).
- Hines, D. E., Pawlik, J. R. Assessing the antipredatory defensive strategies of Caribbean non-scleractinian zoantharians (Cnidaria): is the sting the only thing. Marine Biology. 159 (2), 389-398 (2012).
- Walters, K. D., Pawlik, J. R. Is there a trade-off between wound-healing and chemical defenses among Caribbean reef sponges. Integrative and Comparative Biology. 45 (2), 352-358 (2005).
- Leong, W., Pawlik, J. R. Evidence of a resource trade-off between growth and chemical defenses among Caribbean coral reef sponges. Marine Ecology Progress Series. 406, 71-78 (2010).
- Leong, W., Pawlik, J. R. Comparison of reproductive patterns among 7 Caribbean sponge species does not reveal a resource trade-off with chemical defenses. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 401 (1-2), 80-84 (2011).
- Pawlik, J. R., Loh, T. -. L., McMurray, S. E., Finelli, C. M. Sponge Communities on Caribbean Coral Reefs Are Structured by Factors That Are Top-Down, Not Bottom-Up. PLoS ONE. 8 (5), e62573 (2013).
- Loh, T. -. L., Pawlik, J. R. Chemical defenses and resource trade-offs structure sponge communities on Caribbean coral reefs. Proceedings of the National Academy of Science. 111, 4151-4156 (2014).
- Miller, A. M., Pawlik, J. R. Do coral reef fish learn to avoid unpalatable prey using visual cues. Animal Behaviour. 85, 339-347 (2013).
- Pawlik, J. R., Fenical, W. A re-evaluation of the ichthyodeterrent role of prostaglandins in the Caribbean gorgonian coral, Plexaura homomalla. Marine Ecology Progress Series. 52, 95-98 (1989).
- Fenical, W., Pawlik, J. R. Defensive properties of secondary metabolites from the Caribbean gorgonian coral Erythropodium caribaeorum. Marine Ecology Progress Series. 75, 1-8 (1991).
- Pawlik, J. R., Fenical, W. Chemical defense of Pterogorgia anceps, a Caribbean gorgonian coral. Marine Ecology Progress Series. 87, 183-188 (1992).
- Chanas, B., Pawlik, J. R. Does the skeleton of a sponge provide a defense against predatory reef fish. Oecologia. 107 (2), 225-231 (1996).
- Chanas, B., Pawlik, J. R., Lindel, T., Fenical, W. Chemical defense of the Caribbean sponge Agelas clathrodes (Schmidt). Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 208 (1-2), 185-196 (1997).
- Wilson, D. M., Puyana, M., Fenical, W., Pawlik, J. R. Chemical defense of the Caribbean reef sponge Axinella corrugata against predatory fishes. Journal of Chemical Ecology. 25 (12), 2811-2823 (1999).
- Chanas, B., Pawlik, J. R. Defenses of Caribbean sponges against predatory reef fish II. Spicules, tissue toughness, and nutritional quality. Marine Ecology Progress Series. 127 (1), 195-211 (1995).
- Albrizio, S., Ciminiello, P., Fattorusso, E., Magno, S., Pawlik, J. R. Amphitoxin, a new high molecular weight antifeedant pyridinium salt from the Caribbean sponge Amphimedon compressa. Journal of Natural Products. 58 (5), 647-652 (1995).
- Assmann, M., Lichte, E., Pawlik, J. R., Köck, M. . Chemical defenses of the Caribbean sponges Agelas wiedenmayeri and Agelas conifera. Marine Ecology Progress Series. 207, 255-262 (2000).
- Kubanek, J., Fenical, W., Pawlik, J. R. New antifeedant triterpene glycosides from the Caribbean sponge Erylus Formosus. Natural Product Letters. 15 (4), 275-285 (2001).
- Pawlik, J. R., McFall, G., Zea, S. Does the odor from sponges of the genus Ircinia protect them from fish predators. Journal of Chemical Ecology. 28 (6), 1103-1115 (2002).
- Waddell, B., Pawlik, J. R. Defenses of Caribbean sponges against invertebrate predators. I. Assays with hermit crabs. Marine Ecology Progress Series. 195, 125-132 (2000).
- Waddell, B., Pawlik, J. R. Defense of Caribbean sponges against invertebrate predators. II. Assays with sea stars. Marine Ecology Progress Series. 195, 133-144 (2000).
- Burns, E., Ifrach, I., Carmeli, S., Pawlik, J. R., Ilan, M. Comparison of anti-predatory defenses of Red Sea and Caribbean sponges. I. Chemical defense. Marine Ecology Progress Series. 252, 105-114 (2003).
- Jones, A. C., Blum, J. E., Pawlik, J. R. Testing for defensive synergy in Caribbean sponges: Bad taste or glass spicules. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 322 (1), 67 (2005).
