Inntak av lysrør, magnetiske nanopartikler for å bestemme væske-opptak evner i insekter
Summary
Væske-fôring insekter har å kjøpe mengder av væske fra porøse overflater. Denne protokollen beskriver en metode for å fastslå muligheten for insekter å innta væske fra porøse overflater med fôring løsninger med fluorescerende, magnetiske nanopartikler direkte.
Abstract
Væske-fôring insekter innta ulike væsker, som finnes i miljøet som bassenger, filmer, eller begrenset til små porer. Studier av flytende oppkjøpet krever vurdering mouthpart struktur og funksjon relasjoner; men er væske opptaket mekanismer historisk avledet fra observasjoner av strukturelle arkitektur, noen ganger ledsaget med eksperimentelle bevis. Her rapporterer vi en ny metode for å vurdere væske-opptak evner og sommerfugler (Lepidoptera) eggleggingsrør bruker små mengder av væske. Insekter er matet med en 20% sukrose løsning blandet med fluorescerende, magnetiske nanopartikler fra filteret papirer av bestemte pore størrelse. Beskjære (intern struktur brukes til lagring av væsker) er fjernet fra insekt og plassert på AC confocal mikroskop. En magnet vinket av beskjære til å fastslå tilstedeværelsen av nanopartikler, som indikerer om insekter er i stand til ingest væsker. Denne metoden brukes til å avsløre en utbredt fôring mekanisme (kapillær handling og flytende bro formasjon) som potensielt er delt blant sommerfugler og Diptera når fôring fra porøse overflater. Dessuten, denne metoden kan brukes for studier av fôring mekanismer blant en rekke væske-fôring insekter, inkludert de som er viktige i smitteoverføring og biomimetics, og potensielt andre studier som involverer nano – eller mikrostørrelse kanaler der flytende transport krever bekreftelse.
Introduction
Mange insekt-grupper har munndeler (proboscises) tilpasset fôring på væsker, som nektar, rotting frukt, sap renn (f.eks Diptera1, Lepidoptera2, Hymenoptera3), vedvev (Nebbmunner4), tårer (sommerfugler 5), og blod (Phthiraptera6, Siphonaptera7, Diptera7, Nebbmunner8, Lepidoptera9). Muligheten for insekter å mate på væsker er relevant for økosystemet helse (f.eks pollinering10), sykdommen overføring4,11, biodiversification2,12og studier konvergent evolusjon13. Til tross for rekke mat kilder er et tema blant noen væske-fôring insekter å kjøpe små mengder av væske, som kan være begrenset til mikro – eller nano-størrelse dråper, flytende filmer eller porøse overflater.
Grunn av omfattende mangfoldet av væske-fôring insekter (mer enn 20% av alle dyrearter14,15) og deres evne til å fø på en rekke mat kilder, forstå deres fôring atferd og væske-opptaket mekanismer er viktig for mange felt. Insekt mouthpart funksjonalitet, for eksempel, har spilt en rolle i utviklingen av biomimetic teknologi, f.eks, microfluidic enheter som kan utføre oppgaver som oppkjøpet av små mengder av væske bruke ligner de ansatt av insekter16. Et grunnleggende problem i studier av væske opptaket mekanismer, men bestemmer ikke bare hvordan insekter feed på væsker, men anskaffe eksperimentelle bevis som støtter mekanismen. Utelukkende bruker behavior (f.eks undersøkelser med snabel12,17) som en indikator for fôring er utilstrekkelig fordi det ikke bekrefte vellykket opptaket av væsker eller gir et middel til å bestemme ruten som væsker reise idet de passerer gjennom insekt. I tillegg representerer utfører eksperimenter med små mengder av væske bedre naturlig fôring scenarier hvor væsker er en begrenset ressurs2,12.
X-ray fase kontrast imaging ble brukt med Monarch sommerfugl (Danaus plexippus L.) for å vurdere hvordan sommerfugler feed på små mengder av væske porøse overflater12. Monarch sommerfugler bruk kapillær handling via mellomrom mellom cuticular anslag (dorsal legulae) langs snabel for å bringe væsker begrenset til små porer inn i mat-kanalen. Innkommende væsker danne en film på mat kanal veggen som vokser og kollapser i en flytende bro av platået ustabilitet12,18, som er sendt til sommerfuglens gut handling av suge pumpen i hodet. Selv om x-ray fase kontrast imaging er en optimal verktøy for å visualisere strømning i insekter12,19,20,21, teknikken er ikke lett tilgjengelig og en mer praktisk metoden er nødvendig for rask vurdering av et insekt opptak væsker og ingest dem.
Å avgjøre hvis fôring mekanismen for D. plexippus gjelder andre sommerfugler og også eggleggingsrør (begge grupper feed på væsker fra porøse overflater), Lehnert et al. 13 brukes en teknikk for å vurdere et insekt evne å spise små mengder av væske fra porøse overflater, som er rapportert i detalj her. Selv om protokollen skissert her for studier som bruker wetted og porøse overflater, kan metodikken endres for andre studier, som de adressering basseng-fôring mekanismer. I tillegg utvide programmene til andre felt, inkludert microfluidics og bioinspired.
Protocol
Representative Results
Discussion
Insekt mouthpart funksjonalitet er historisk avledet fra studier av brutto morfologi (f.eks., Lepidoptera snabel funksjonalitet som er knyttet til en drikking halm25,26); men har nyere studier som innlemme eksperimentelle bevis resultert i et paradigmeskifte i vår forståelse av kompleksiteten i insekt munndeler og struktur-funksjon relasjoner2,12,13 ,</su…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation (NSF) gir ingen. IOS 1354956. Vi takker Dr. Andrew D. Warren (McGuire senter for sommerfugler og biologisk mangfold, Florida Museum of Natural History, University of Florida) for tillatelse til å bruke butterfly bildene.
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).
