Modlu Optik Mikroskopi Yöntemleri Caribbean Reef Yapı Mercanlar içinde Polip Doku Morfoloji ve Yapı Göstermektedir
Summary
Görüntüleme tekniklerinin entegre bir takımdır Karayip mercan Montastraea annularis ve M. polip morfolojisi ve doku yapısını belirlemek için uygulanan olmuştur faveolata. Floresan, seri blok yüz ve iki foton odaklı lazer tarama mikroskopisi lobate yapısı, polip duvarlar ve tahmini chromatophore ve zooxanthellae yoğunluklarını ve dağılımlarını belirledik.
Abstract
Görüntüleme tekniklerinin entegre bir takımdır Karayip resif bina mercanlar Montastraea annularis ve M. oluşan üç boyutlu (3D) morfoloji ve polip dokuların hücre yapısını belirlemek için uygulanan olmuştur faveolata. Bu yaklaşımlar, floresan mikroskobu (FM), seri blok yüz görüntüleme (SBFI) ve iki-fotonlu lazer konfokal tarama mikroskobu (TPLSM) içerir. SBFI fiziksel kestileme sonra derin doku görüntüleme sağlar; fazla 2 mm doku derinliklerine doku yüzey dokusu ve 3D görselleştirme ayrıntıları. Doku hücresel yapının Tamamlayıcı FM ve TPLSM verim ultra-yüksek çözünürlüklü görüntüler. Sonuçlar: (1) dış bireysel mercan poliplerinin duvar ve daha önce bildirilmemiştir loblu doku morfolojileri tanımlanan (2) kromatoforların ve algler gibi dinoflagellat zooxanthellae endosimbiyont 3D dağılımı ve doku yoğunluğunun birinci yüzeyi haritaları hazırlandı. Spektral soğurma bezelye500 nm ve 675 nm ks, sırasıyla öneririz M. annularis ve M. faveolata klorofil ve kromatoforların benzer türlerini içerir. Ancak, M. annularis ve M. doku yoğunluğu ve bu anahtar hücresel bileşenlerin 3D dağılımında önemli farklılıklar sergilerler faveolata. Görüntüleme yöntemleri odaklanarak bu çalışma SBFI dekalsifiye mercan dokuların büyük mm çaplı numune analiz için son derece yararlı olduğunu gösterir. Ücretsiz FM ve TPLSM nondecalcified mercan doku örneklerinde hücresel dağılımı ve yoğunluğu ince milimetreden ölçek değişikliklerini ortaya koymaktadır. TPLSM tekniği verir: (1) minimal invaziv numune hazırlama, (2) üstün optik kesit yeteneği, ve (3) minimum ışık emme ve saçılması, hala derin doku görüntüleme izin verirken.
Introduction
Küresel ısınma ve eşlik eden çevresel değişim, doğrudan tropik deniz mercanlar 1-4 sağlığını ve dağıtımını etkiliyor. Birden etkiler Mercan ağarması ve bulaşıcı hastalıkların 5-6 ortaya çıkması gibi, izlenmektedir. Ancak, bu çevresel tehditlere gelecek mercan yanıtı daha doğru tahmin histolojik "temel" "görünüşte sağlıklı" mercanlar için doku morfolojisi ve hücre yapısını ve dağılımını tanımlayan, kurulacak gerektirecektir. Buna karşılık, mercanlar ardından nicel mukayese edilebilir "etkiledi". "Sağlıklı yanıtı" Ayrıca çevresel geçişlerini karşısında teraziye böylece Ayrıca, bu temel, çevre koşulları altında çeşitli görünüşte sağlıklı mercanlar için kurulmalıdır. Bu temel oluşturma yönünde bir ilk adım olarak, yüksek çözünürlüklü 3D çalışma ne kadar görünüşte sağlıklı mercan polip dokusunun üstlenilmiştirmorfolojisi ve hücresel kompozisyon güneş ışığı parlaklığındaki su derinliği arttıkça (WD) ve eşlik eden düşüşler yanıt verir. Sonuçlar daha sonra mercan adaptasyon daha kapsamlı bir mekanistik anlayış kurmak için, yanı sıra mercan-symbiont evrim içgörü ve hafif hasat geliştirme kazanmak için kullanılabilir.
Stony mercanlar (Scleractinia) toplu mercan 7-10 holobiont olarak anılacaktır diğer mikroorganizmaların karmaşık bir montaj, ev sahipliği sömürge deniz omurgasız hayvanlardır. Bu çalışmada gerçekleştirilen araştırma eş zamanlı doku pigmentlerin artan su derinliği ve görünüşte sağlıklı konak mercan simbiyotik zooxanthellae ile değişiklikleri izlemek için üstün görüntüleme teknolojileri paketini kullanmak istiyor. Bu mercan İşitme göstergeleri olarak, görünüşte sağlıklı mercanlar ve eylem için bir batimetrik degrade boyunca gerekli karşılaştırmalı doku hücresi "dayanak" kuracaklth 10. Mercan pigmentler denilen Kromatofor, absorbe yansıtmak, dağılım, kırmak, kırabilen, ya da başka güneş radyasyonunun 11 ile müdahale hareket. Zooxanthellae-chromatophore endosimbiyotik ilişkisi mercan hayvan 12 stratejik avantajlı ışık hasat optimizasyonu ve iskelet büyüme stratejileri Birlikte evrimin varlığını, yanı sıra besinsel plastisite (vites besleme stratejilerini autotrophy heterotrophy kadar geri ve ileri-) sağladı.
Curaçao güney Karayip ada ülkesi (Hollanda Antilleri eskiden parçası) Aruba La Blanquilla takımada (Şekil 1A) uzanımlı doğu-batı içinde yaklaşık 65 km kuzeyinde Venezuela yatıyor. Curaçao 70 km uzunluğundaki güney sahili modern bir sürekli ve Miyosen-Pliyosen-Pleistosen-Holosen antik saçak mercan kayalığı yollarını 13,14 içerir. Curaçao yaklaşık 3 ° C Bir değişir yıllık SST ortalamanually, 27.5 ± 0.5 ° C arasında bir yıllık ortalama sıcaklık, erken Eylül ayında 29 ° C maksimum Ocak ayı sonlarında 26 ° C minimum değişen (NOAA SST Veri 2000-2010, ayarlar). Daha önce iyi çalışılmış ve olmuştur çünkü Curaçao (Şekil 1A) kuzeybatı ucuna yakın yalan Playa Kalki de mercan kayalığı (12 ° 22'31.63 "N, 69 ° 09'29.62" W), örnekleme için seçildi Bu konumda deniz ekosistemi taze kirlenmemiş deniz suyu 7,15-19 yıkanıyor. . İki yakından ilgili scleractinian mercan türlerinin, M. annularis ve M faveolata, bu çalışmada deney ve analiz için seçildi her türün çünkü: (1) raf tatili ve bakımından resif sistem üzerinde sergileyen belirgin bir biçimde farklı ve örtüşmeyen batimetrik dağılımları ilişkili karbonat çökel çökelme ortamları (M. annularis aralık = 0-10 m WD M. faveolataaralık = 10-20 m, WD 20, Şekil 1B, 2A ve 2B); (2) Karayip Denizi 21 genelinde yaygın bir mercan resif çatısı kurucusudur; ve (3) iyi çalışılmış ekolojik, fizyolojik ve evrimsel ilişkileri 22 sahiptir.
Bu çalışma için alan örnekleme deniz Curaçao'da Playa Kalki standart Dalış teknikleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bir sığ-to-derin su batimetrik transekt raf tatili boyunca rafta koştu kuruldu ve derin su ön resif ortamlara edildi. (1) üç ayrı M. ~ 1 m çap mercan başkanları: Görünüşe sağlıklı mercan başkanları sonra da dahil olmak üzere, bu batimetrik transect boyunca örnekleme için tespit edildi 5 m su derinliğine (WD) idi hepsi annularis; M. ve (2) üç ayrı ~ 1 m çap mercan kafaları faveolata, her biri 12 m WD vardı. Fotosentez için aktif radyasyon (PAR) 33-36% P olarak ölçüldü5 m WD'nin en AR ve 10 m WD 18-22% PAR. SST 5 m ve 12 m hem derinliklerdeki 26 ° C iken Örnekleme Ocak ayında yapılmıştır. Bu altı mercan başkanları Her (yani. Altı yarım küre mercan başkanları her birinde yaklaşık 45 ° N enlemi) eşdeğer mekansal konumlarda üç nüsha örnekleri alındı. Her bir numune, bir temizlenmiş zımba ile toplandı, 2.5 cm çapında bir mercan doku iskelet biyopsiye oluşuyordu. Üç mercan doku-iskelet biyopsileri mercan başkanları her birinden eldivenli elleriyle standart SCUBA örneklenmiştir (M. 9 5 m WD koloniler annularis ve M. 9 ila 12 m WD de faveolata). Hemen derinlikte toplanarak her bir biyopsi örneği çekirdek, steril bir 50 ml polipropilen santrifüj tüpüne yerleştirilmiş, vidalı kapaklı kapalı ve yüzeyin geri döndü. Deniz suyu, her santrifüj tüpüne dekante edildi ve her bir çekirdek biyopsisi daha sonra, daldırma, depolanması ve% 4 paraformaldehid içinde taşınmıştır.
<p class="Jove_content"> SBFI görüntüleme daha önce, tüm beyin ve bütün kalp insan dokularıyla sağlam fare embriyoları, zebra balığı embriyolar ve sağlam kemikleri 23-30 hayvansal örneklerin çok sayıda türleri dahil olmak üzere biyolojik numunelerde geniş bir yelpazesi üzerinde gerçekleştirilmiştir. Floresan veya parlak bir alan teknikleri ile ya optik / ışık mikroskobu kullanılan bu çalışmaların çoğu. Ancak, çalışmalar son 31 tarama elektron seri blok yüz görüntüleme kullanarak ultra-yüksek büyütme yapılmıştır. Bu çalışmada, bir tadil edilmiş SBFI protokolü geliştirilmiştir ve ilk kez mercan uygulanır. M. Çünkü annularis ve M. faveolata mercan polipleri kalınlığı 1-2 mm olan, ışık mikroskobu rutin tekniklerden herhangi birinin mercan polip dokusunun bütün kalınlığı içinden geçebilme kabiliyetine sahip olacaktır. Bu nedenle, özellikle mercan örnekleri için tasarlanmış SBFI numune hazırlama protokolü var. Ayrıca, özel bir stereomikroskopta tutucu tasarladık, X ve y doğrultularında hareket motorlu hangi. Bu cihaz, oldukça mikroskop önünde düzenli mikrotom kullanılarak bölümleri toplama daha numunenin blok yüz görüntülerini alır. Ayrıca mercan dokuların bütün kalınlığı boyunca görüntü aynı mercan polip bir doğrusal olmayan optik iki-fotonlu mikroskopik tekniği sundu. Bu yumuşatma açısından ve numune hazırlama (dehidratasyon) ve işleme protokolleri tarafından uyarılan olabilir doku morfolojisi ve hacim (büzüşmesi) değişim olasılığı SBFI tarafından dayatılan sınırlamaların üstesinden gelir. Ayrıca, mercan emisyon profilleri spektral kromatoforların ve fotosentetik zooxanthellae arasındaki tepe emisyonlarını ve varyasyonları belirlemek için çözüldü. Bu sonuçlar, kullanılan yöntemin bağlamında elde etme süresi ile ilgili bireysel avantajları, süre ve str ödün vermeden ince yapı ayrıntıları çözmek için yeteneği değerlendirilmiştirmercan dokusu uctural bütünlüğü.Protocol
Representative Results
Discussion
Mercan resif araştırma deniz ortamında faaliyet eşzamanlı fiziksel, kimyasal analizi ve biyolojik olayları içeren, son derece disiplinler arası araştırma çabası. Karmaşık mercan kayalığı ekosistemlerin çalışma bu nedenle en iyi bağlamsal çerçeve (Şekil 10) bir 'Ten Selahiyet' içinde tamamlanır. Bu grafik derleme mercan ekosistem mekansal boyutları geniş bir yelpazede (10 -9 10 5 m) kapsadığını göstermektedir. Ayrıca, bu egzersiz geobiologic…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Donna Epps, histologist at Institute for Genomic Biology, University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC), for her capable technical assistance in sample preparation and sectioning. This work was supported by a research grant to B.W. Fouke from the Office of Naval Research (N00014-00-1-0609). In addition, C.A.H. Miller received grants from the UIUC Department of Geology Wanless Fellowship, UIUC Department of Geology Leighton fund and UIUC Department of Geology Roscoe Jackson fieldwork fund. Interpretations presented in this manuscript are those of the authors and may not necessarily represent those of the granting institutions. We also thank the Caribbean Research and Management of Biodiversity (Carmabi) laboratory on Curaçao for their support and collaboration in collecting the coral tissue biopsy samples. We thank Claudia Lutz, IGB Media Communication Specialist for her able language correction.
Materials
| Coral Tissue Skeleton | None | None | 2.5 cm Biopsy from natural habitat |
| Arch Punch Coring Device | C.S. Osborne and Company | No. 149 | For Coral biopsy collection |
| Paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | RT 15700 | 16% Pre-diluted |
| Histoclear/Safeclear II | Electron Microscopy Sciences | RT 64111-04 | Non-Toxic alternate to Xylene, Dehydration and Deparafinization |
| Xylene and Ethanol | Fisher Scientific | Fisher Scientific | Dehydration |
| Paraffin Wax | Richard Allen Scientific | Type H REF 8338 | Infiltration solution |
| Vybar | The Candle Maker | None | Component of Red Wax |
| Stearin | The Candle Maker | None | Component of Red Wax |
| Sudan IV | Fisher Chemical | S667-25 | Red Wax-Opaque background |
| Wheat Germ Agglutinin (WGA) | Life Technologies | W32466 | For labeling Coral Mucus |
| Prolong Gold | Life Technologies | P36095 | Anti-fade mounting media |
| Fluoro Dish | World Precision Instruments | FD-35-100 | For two-photon imaging |
| XY Motor, Driver and Controller | Lin Engineering | 211-13-01R0, R325, R256-RO | XY Translational Movement |
| Hot Plate | Corning | DC-220 | Melting all wax |
| Convection Oven | Yamato | DX-600 | Infiltration and Embedding |
| Tissue Processor | Leica | ASP 300 | Dehydration, Infiltration |
| Microtome | Leica | RM2055 | Disposable knifes |
| Stereo Microscope | Carl Zeiss | Stereolumar V 12 | 1.5x (30 mm WD) Objective |
| Fluorescence Microscope with ApoTome | Carl Zeiss | Axiovert M 200, ApoTome I System | Imaging thin section of a polyp: Zooxanthellae |
| Axiocam camera | Carl Zeiss | MRm | Monochrome camera 1388×1040 pixels |
| Axiovision Software | Carl Zeiss | Version 4.8 | Image acquisition program |
| Two-Photon Laser | Spectraphysics | Maitai eHP, pulsed laser (70 fs) | With DeepSee module |
| Laser Scanning Microscope | Carl Zeiss | LSM 710 with Spectral Detector | 34 channel PMT detection |
| Zen Software | Carl Zeiss | 2010 or above | for two-photon and spectral image acquisition |
| Imaris Suite Software | Bitplane, Inc., | Version 7.0 or above | 3D Volume, Iso-surface Rendering, Visualization |
References
- Stocker, T. F., Qin, D., Plattner, G. -. K., Tignor, M., Allen, S. K., Boschung, J., Nauels, A., Xia, Y., Bex, V., Midgley, P. M. . Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. , 1535 (2013).
- Buddemeir, R. W., Kleypas, J. A., Aronson, R. B. . Coral Reefs & Global Climate Change: Potential Contributions of Climate Change to Stresses on Coral Reef Ecosystems). 46, (2004).
- Wilkinson, C. . Status of coral reefs of the world. , 1-2 (2004).
- Lough, J. M. Climate records from corals. WIREs Clim. Chang. 1, 318-331 (2010).
- Harvell, C. D., et al. Tropical Archaea: diversity associated with the surface microlayer of corals. Mar. Ecol. Prog. Ser. 273, 81-88 (2004).
- Rosenberg, E., Loya, Y. . Coral Health and Disease. , (2004).
- Rohwer, F., Breitbart, M., Jara, J., Azam, F., Knowlton, N. Diversity of bacteria associated with the Caribbean coral Montastrea franksi. Coral Reefs. 20, 85-91 (2001).
- Frias-Lopez, J., Zerkle, A. L., Bonheyo, G. T., Fouke, B. W. Partitioning of bacterial communities between seawater and healthy, black band diseased, and dead coral surfaces. Appl. Environ. Microbiol. 68, 2214-2228 (2002).
- Stanley, G. D. The evolution of modern corals and their early history. Earth Sci. Rev. 60, 195-225 (2003).
- Piggot, A. M., Fouke, B. W., Sivaguru, M., Sanford, R., Gaskins, H. R. Change in zooxanthellae and mucocyte tissue density as an adaptive response to environmental stress by the coral Montastraea annularis. Mar. Biol. 156, 2379-2389 (2009).
- Stanley, G. D. Photosymbiosis and the evolution of modern coral reefs. Evolution. 1, 3 (2006).
- Gordon, B. R., Leggat, W. Symbiodinium—Invertebrate Symbioses and the Role of Metabolomics. Mar. Drugs. 8, 2546-2568 (2010).
- Schlichter, D., Weber, W., Fricke, H. W. A chromatophore system in the hermatypic, deep-water coral Leptoseris fragilis (Anthozoa: Hexacorallia). Marine Biology. 89, 143-147 (1994).
- Fouke, B. W., Meyers, W. J., Hanson, G. N., Beets, C. J. Chronostratigraphy and dolomitization of the Seroe Domi Formation, Curacao, Netherlands Antilles. Facies. 35, 293-320 (1996).
- Frias-Lopez, J., Bonheyo, G. T., Jin, Q., Fouke, B. W. Cyanobacteria associated with coral black band disease in Caribbean and Indo-Pacific reefs. Appl. Environ. Microbiol. 69, 2409-2413 (2003).
- Frias-Lopez, J., Klaus, J., Bonheyo, G. T., Fouke, B. W. The bacterial community associated with black band disease in corals. Appl. Environ. Microbiol. 70, 5055-5062 (2004).
- Frias-Lopez, J., Bonheyo, G. T., Fouke, B. W. Identification of differential gene expression in bacteria associated with coral black band disease using RNA-arbitrarily primed PCR. Appl. Environ. Microbiol. 70, 3687-3694 (2004).
- Klaus, J. S., Frias-Lopez, J., Bonheyo, G. T., Heikoop, J. M., Fouke, B. W. Bacterial communities inhabiting the healthy tissues of two Caribbean reef corals: interspecific and spatial variation. Coral Reefs. 24, 129-137 (2005).
- Klaus, J., Janse, I., Sandford, R., Fouke, B. W. Coral microbial communities, zooxanthellae, and mucus along gradients of seawater depth and coastal pollution. Environ. Microbiol. 9, 1291-1305 (2007).
- van Duyl, F. C. . Atlas of the living reefs of Curacao and Bonaire (Netherlands Antilles). , (1985).
- Carricart-Ganivet, J. P. Sea surface temperature and the growth of the West Atlantic reef building coral Montastraea annularis. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 302, 249-260 (2004).
- Barnes, D. J., Lough, J. M. Coral skeletons: Storage and recovery of environmental information. Global Chang. Biol. 2, 569-582 (1996).
- Mohun, T. J., Weninger, W. J. Generation of volume data by episcopic three-dimensional imaging of embryos. Cold Spring Harbor Protocols. 6, 069591 (2012).
- Mohun, T. J., Weninger, W. J. Imaging heart development using high-resolution episcopic microscopy. Curr. Opin. Genet. Dev. 21, 573-578 (2011).
- Mohun, T. J., Weninger, W. J. Embedding embryos for episcopic fluorescence image capturing (EFIC). Cold Spring Harb. Protoc. 6, 069575 (2012).
- Rosenthal, J., et al. Rapid high resolution three dimensional reconstruction of embryos with episcopic fluorescence image capture. Birth Defects Res. C: Embryo Today: Rev. 72, 213-223 (2004).
- Slyfield, C. R., et al. Three-dimensional surface texture visualization of bone tissue through epifluorescence-based serial block face imaging. J. Microsc. 236, 52-59 (2009).
- Weninger, W., Mohun, T. Phenotyping transgenic embryos: a rapid 3-D screening method based on episcopic fluorescence image capturing. Nat. Genet. 30, 59-65 (2001).
- Weninger, W., Mohun, T. . Three-dimensional analysis of molecular signals with episcopic imaging techniques. Reporter Genes. , 35-46 (2007).
- Gerneke, D. A., et al. Surface imaging microscopy using an ultramiller for large volume 3D reconstruction of wax-and resin-embedded tissues. Microsc. Res. Tech. 70, 886-894 (2007).
- Denk, W., Horstmann, H. Serial block-face scanning electron microscopy to reconstruct three-dimensional tissue nanostructure. PLoS Biol. 2, e329 (2004).
- Salih, A., Larkum, A., Cox, G., Kühl, M., Hoegh-Guldberg, O. Fluorescent pigments in corals are photoprotective. Nature. 408, 850-853 (2000).
- Sivaguru, M., Mander, L., Fried, G., Punyasena, S. W. Capturing the surface texture and shape of pollen: A comparison of microscopy techniques. PloS one. 7 (6), (2012).
- Helmchen, F., Denk, W. Deep tissue two-photon microscopy. Nat. Methods. 2, 932-940 (2005).
