De inname van TL, magnetische nanodeeltjes voor de bepaling van de vloeistof-opname capaciteiten in de insecten
Summary
Vloeistof-voeding insecten hebben de mogelijkheid om minieme hoeveelheden van vloeistoffen uit poreuze oppervlakken te verwerven. Dit protocol beschrijft een methode om te bepalen direct de mogelijkheid voor insecten innemen van vloeistoffen uit poreuze oppervlakken met behulp van voeding oplossingen met fluorescerende, magnetische nanodeeltjes.
Abstract
Vloeistof-voeding insecten inslikken een verscheidenheid van vloeistoffen, die in het milieu aanwezig zijn als zwembaden, films, of beperkt tot kleine poriën. Studies van vloeibare verwerving moeten beoordelen van de structuur en functie relaties mouthpart; vloeibare opname mechanismen worden echter historisch afgeleid uit waarnemingen van structurele architectuur, soms niet-begeleide met experimenteel bewijs. Wij rapporteren hier een nieuwe methode voor de beoordeling van de vloeistof-opname capaciteiten met vlinders (Lepidoptera) en vliegen (Diptera) met behulp van kleine hoeveelheden vloeistoffen. Insecten zijn gevoed met een 20% sacharoseoplossing gemengd met fluorescerende, magnetische nanodeeltjes van filtreerpapier van specifieke porie-grootte. Het gewas (interne structuur gebruikt voor de opslag van vloeistoffen) is verwijderd uit het insect en geplaatst op een confocal microscoop. Een magneet is gezwaaid door het gewas om te bepalen van de aanwezigheid van nanodeeltjes, waaruit blijkt als de insecten kunnen vloeistoffen inslikken. Deze methodologie wordt gebruikt voor het onthullen van een wijdverbreide voeding mechanisme (capillaire actie en vloeibare brug vorming) die potentieel door Lepidoptera en Diptera wordt gedeeld bij het voederen van poreuze oppervlakken. Bovendien, deze methode kan worden gebruikt voor studies van het voederen mechanismen onder een verscheidenheid van vloeistof-voeding insecten, met inbegrip van die belangrijk in de transmissie van de ziekte- en biomimetics en potentieel andere studies die betrekking hebben op nano – of micro-gerangschikte leidingen waar vloeibare vervoer is verificatie vereist.
Introduction
Veel insecten groepen hebben monddelen (proboscises) aangepast voor het voederen van op vloeistoffen, zoals nectar, rottend fruit, sap stroomt (bijvoorbeeld Diptera1, Lepidoptera2, Hymenoptera (Vliesvleugeligen)3), xylem (Hemiptera4), tranen (Lepidoptera 5), en bloed (Phthiraptera6, vlooien7, Diptera7, Hemiptera8, Lepidoptera,9). Het vermogen van de insecten te voeden met vloeistoffen is relevant zijn voor de gezondheid van het ecosysteem (bv bestuiving10), ziekte transmissie4,11, biodiversification2,12en studies van convergente evolutie13. Ondanks de grote verscheidenheid van voedselbronnen is een thema onder sommige insecten vloeistof-voeding de mogelijkheid om het verwerven van kleine hoeveelheden vloeistoffen, die kunnen worden beperkt tot micro – of nano-gerangschikte druppels, vloeibare films of poreuze oppervlakken.
Gezien de uitgebreide verscheidenheid aan vloeistof-voeding insecten (meer dan 20% van alle diersoorten14,15) en hun vermogen om te voeden met een scala aan voedselbronnen, begrijpen hun voeding gedrag en vloeistof-opname mechanismen is belangrijk in veel gebieden. Insecten mouthpart functionaliteit, bijvoorbeeld, heeft een rol gespeeld in de ontwikkeling van biomimetische technologie, bijvoorbeeld, microfluidic apparaten die kunnen taken uitvoeren zoals de overname van kleine hoeveelheden vloeistoffen met behulp van methoden die vergelijkbaar zijn met die werkzaam door insecten16. Een fundamenteel probleem in de studies van vloeibare opname mechanismen, echter, is bepalen niet alleen hoe insecten voeden zich met vloeistoffen, maar verwerven van experimentele bewijs dat het mechanisme ondersteunt. Uitsluitend met behulp van gedrag (bijvoorbeeld sonderen met de proboscis12,17) als een indicator voor het voederen onvoldoende, is omdat het niet dat de succesvolle opname van vloeistoffen bevestigt, noch verstrekt het een middel om de route te bepalen dat vloeistoffen reizen als ze het insect passeren. Daarnaast vertegenwoordigt het uitvoeren van experimenten met kleine hoeveelheden vloeistoffen beter natuurlijke voeding scenario’s te bedenken waar vocht een beperkende resource2,12.
X-Ray fase contrast imaging werd gebruikt met de monarchvlinder (Danaos plexippus L.) om te beoordelen hoe vlinders voeden met kleine hoeveelheden vloeistoffen uit poreuze oppervlakken12. Monarch butterflies gebruiken capillair actie via spaties tussen cuticular projecties (dorsale legulae) langs de proboscis om vloeistoffen beperkt tot kleine poriën in de voedingsmiddelen-kanaal. De binnenkomende vloeistoffen vormen een film op de muur van de voedsel-kanaal dat groeit en stort in een vloeibare brug door Plateau instabiliteit12,18, die vervolgens wordt getransporteerd naar de vlinder de darm door inwerking van de zuigende pomp in het hoofd. Hoewel x-ray fase contrast imaging een optimale hulpmiddel is voor het visualiseren van vloeistofstromen binnen insecten12,19,20,21, de techniek is niet beschikbaar en een handiger methode is nodig voor snelle beoordeling gegeven van een insect vermogen tot opname vloeistoffen en inslikken hen.
Om te bepalen als de voeding mechanisme voor D. plexippus geldt voor andere Lepidoptera, maar ook om te vliegen (Diptera) (beide groepen voeden met vloeistoffen uit poreuze oppervlakken), Majestic et al. 13 toegepast een techniek ter evaluatie van een insect vermogen te voeden op kleine hoeveelheden vloeistoffen van poreuze oppervlakken, die wordt gerapporteerd in detail hier. Hoewel het protocol hier geschetst voor studies die gebruikmaken van bevochtigd en poreuze oppervlakken, kan de methodologie voor andere studies, zoals de aanpak van de zwembad-voederen mechanismen worden veranderd. Bovendien, uitbreiden de toepassingen tot andere gebieden, met inbegrip van microfluidics en bioinspired technologie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Insecten mouthpart functionaliteit is historisch afgeleid uit studies van bruto morfologie (bv., Lepidoptera proboscis functionaliteit aan een drinken stro25,–26gerelateerde); echter, recente studies die experimenteel bewijs nemen hebben geleid tot een paradigmaverschuiving in ons begrip van de complexiteit van insecten monddelen en structuur-functie relaties,2,,12,13…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de National Science Foundation (NSF) verlenen geen. IOS 1354956. Wij danken Dr. Andrew D. Warren (McGuire centrum voor Lepidoptera en biodiversiteit, Florida Museum of Natural History in Universiteit van Florida) voor toestemming voor het gebruik van de beelden van de vlinder.
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 |
Riferimenti
- 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).
