ابتلاع فلوري، جسيمات نانوية مغناطيسية لتحديد قدرات امتصاص السوائل في الحشرات
Summary
التغذية بالسوائل الحشرات لديها القدرة على الحصول على كميات من السوائل من الأسطح المسامية. ويصف هذا البروتوكول طريقة لتحديد القدرة للحشرات استيعاب السوائل من الأسطح المسامية باستخدام حلول التغذية مع جسيمات نانوية الفلورسنت والمغناطيسية مباشرة.
Abstract
التغذية بالسوائل الحشرات استيعاب مجموعة متنوعة من السوائل، التي هي موجودة في البيئة كحمامات، والأفلام، أو تنحصر في المسام الصغيرة. الدراسات المتعلقة باقتناء السائل تتطلب تقييم علاقات موثبارت هيكل ووظيفة؛ ومع ذلك، تاريخيا هي الاستدلال آليات امتصاص السوائل من الملاحظات للبنية الهيكلية، غير المصحوبين أحياناً مع الأدلة التجريبية. وهنا، نحن تقرير طريقة جديدة لتقييم قدرات امتصاص السوائل مع الفراشات (قشريات الجناح) والذباب (Diptera) باستخدام كميات صغيرة من السوائل. ويتم تغذية الحشرات بمحلول سكروز 20% مختلطة مع جسيمات نانوية الفلورسنت والمغناطيسية من تصفية أوراق ذات أحجام المسام محددة. إزالة من الحشرات والمحاصيل (البنية الداخلية المستخدمة لتخزين السوائل) على مجهر [كنفوكل]. مغناطيس وهو لوح من المحاصيل لتحديد وجود جسيمات نانوية، التي تشير إلى حالة الحشرات قادرة على استيعاب السوائل. يتم استخدام هذه المنهجية للكشف عن إليه تغذية على نطاق واسع (عمل الشعرية وتشكيل جسر السائلة) التي يحتمل أن تكون مشتركة بين قشريات الجناح و Diptera عند تغذية من الأسطح المسامية. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذا الأسلوب لدراسات التغذية الآليات فيما بين مجموعة متنوعة من الحشرات التغذية بالسوائل، بما في ذلك تلك الأهمية في انتقال المرض وبيوميميتيقا، ويحتمل أن تكون غيرها من الدراسات التي تنطوي على قنوات نانو أو الصغيرة الحجم حيث ويتطلب النقل السائل التحقق.
Introduction
لدى العديد من المجموعات الحشرات فمها (بروبوسسيسيس) تكييف لتتغذى على السوائل، مثل الرحيق، تعفن الفاكهة وساب التدفقات (مثلاً Diptera1، قشريات الجناح2، غشائيات الأجنحة3)، الخشب (هيميبتيرا4)، الدموع (قشريات الجناح 5)، والدم (فثيرابتيرا6، سيفونابتيرا7، ديبتيرا7، هيميبتيرا8، قشريات الجناح9). قدرة الحشرات لتتغذى على السوائل ذات صلة بصحة النظام الإيكولوجي (مثل التلقيح10)، وانتقال المرض4،11،2،بيوديفيرسيفيكيشن12والدراسات 13من تطور متقاربة. على الرغم من مجموعة واسعة من المصادر الغذائية، هو موضوع بين بعض الحشرات تغذية السوائل القدرة على الحصول على كميات صغيرة من السوائل التي يمكن أن تقتصر على قطرات الحجم الصغير أو نانو أو الأفلام السائل أو الأسطح المسامية.
نظراً لتنوع واسعة النطاق للتغذية بالسوائل الحشرات (أكثر من 20 في المائة من جميع الأنواع الحيوانية14،15) وقدرتهم على إطعام على مجموعة متنوعة من المصادر الغذائية، فهم على تغذية السلوكيات والآليات امتصاص السوائل، وأن هامة في العديد من المجالات. وظائف موثبارت الحشرات، وعلى سبيل المثال، قد لعبت دوراً في تطوير تكنولوجيا المحاكاة البيولوجية، مثلاً، موائع جزيئية الأجهزة التي يمكن تنفيذ مهام مثل الحصول على كميات صغيرة من السوائل باستخدام أساليب مماثلة لتلك المستخدمة قبل16من الحشرات. مشكلة أساسية في دراسات آليات امتصاص السوائل، ومع ذلك، تحديد ليس فقط كيف الحشرات تتغذى على السوائل، ولكن الحصول على الأدلة التجريبية التي تدعم الآلية. فقط باستخدام السلوك (مثلاً، التحقيق مع12،ململه17) كمؤشر لتغذية غير كافية نظراً لأنها لم تؤكد نجاح امتصاص السوائل، كما أنه لا يقدم وسيلة لتحديد الطريق التي السفر السوائل أنها تمر عن طريق الحشرات. وبالإضافة إلى ذلك، إجراء تجارب مع كميات صغيرة من السوائل أفضل يمثل سيناريوهات التغذية الطبيعية حيث تكون السوائل2،موارد يحد12.
الأشعة السينية تم استخدام التصوير بالتباين مع الفراشة مونارك (داناوس بليكسيبوس L.) لتقييم كيفية تغذية الفراشات على كميات صغيرة من السوائل من الأسطح المسامية12مرحلة. استخدام الفراشات الملك عمل الشعرية عبر المسافات بين الإسقاطات كوتيكولار (ليجولاي الظهرية) على طول ململه لإحضار السوائل تنحصر في المسام الصغيرة في قناة الغذاء. تشكل السوائل واردة فيلم على الجدار قناة الغذاء الذي ينمو وانهيار في جسر سائل بهضبة عدم الاستقرار12،18، التي ثم تنقل إلى القناة الهضمية الفراشة بعمل مضخة مص في الرأس. على الرغم من أن التصوير بالأشعة السينية بالتباين المرحلة أداة مثلى لتصور تدفق السوائل داخل الحشرات12،19،،من2021، التقنية ليست متاحة بسهولة وأكثر ملاءمة الأسلوب هو بحاجة للتقييم السريع للحشرات القدرة على امتصاص السوائل واستيعاب لهم.
لتحديد إذا كان إليه التغذية بليكسيبوس دال- ينطبق على سائر قشريات الجناح وأيضا الذباب (Diptera) (كلا الفريقين تتغذى على السوائل من الأسطح المسامية)، لينرت et al. 13 تطبيق تقنية لتقييم القدرة للحشرات لتتغذى على كميات صغيرة من السوائل من الأسطح المسامية، عنها هنا بالتفصيل. على الرغم من أن البروتوكول الواردة هنا للدراسات التي تستخدم مرطب والأسطح المسامية، يمكن تغيير المنهجية للدراسات الأخرى، مثل تلك التي تتناول آليات تغذية بركة. وبالإضافة إلى ذلك، التطبيقات تمتد إلى الميادين الأخرى، بما في ذلك التكنولوجيا ميكروفلويديكس وبيوينسبيريد.
Protocol
Representative Results
Discussion
وظائف موثبارت الحشرات تاريخيا يستدل من الدراسات الإجمالية مورفولوجيا (مثلاً.، ململه ليبيدوبتيران وظائف تتصل قش25،مياه شرب26)؛ ومع ذلك، أدت الدراسات الحديثة التي تتضمن أدلة تجريبية نقله نوعية في فهمنا لتعقيدات الحشرات فمها وهيكل-وظيفة علاقات2…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل بمؤسسة العلوم الوطنية (NSF) منحة لا. دائرة الرقابة الداخلية 1354956. ونحن نشكر الدكتور أندرو دال وارن (مركز ماجواير قشريات الجناح، والتنوع البيولوجي، فلوريدا متحف التاريخ الطبيعي، جامعة فلوريدا) للحصول على إذن لاستخدام الصور فراشة.
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).
