JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
생물학

Forsøgsplan for at bruge Drosophila som hvirvelløse modelsystem for afprøvning af toksicitet i laboratoriet

Published: July 10, 2018
doi:
10.3791/57450
,
1Communities for Building Active STEM Engagement,Colorado State University-Pueblo, 2Department of Biology,Colorado State University-Pueblo

Summary

I dette papir giver vi en detaljeret protokol for udsætter arter i slægten Drosophila til forurenende stoffer med mål at studere virkningerne af eksponering på en række fænotypiske udgange på forskellige udviklingsstadier og for mere end én generation.

Abstract

Emergente egenskaber og eksterne faktorer (befolkning- og økosystem-niveau interaktioner, navnlig) spille en vigtig rolle i mægle økologisk vigtige slutpunkter, selv om de sjældent betragtes som toksikologiske undersøgelser. D. melanogaster fremstår som en toksikologi model for de adfærdsmæssige, neurologiske og genetiske virkninger af giftstoffer, at nævne nogle få. Endnu vigtigere, kan arter i slægten Drosophila udnyttes som en modelsystem for en integrativ ramme tilgang at indarbejde emergente egenskaber og besvare økologisk relevante spørgsmål i toksikologi forskning. Formålet med dette dokument er at give en protokol for udsætter arter i slægten Drosophila for forurenende stoffer, der skal bruges som et modelsystem for en række fænotypiske udgange og økologisk relevante spørgsmål. Mere specifikt, kan denne protokol bruges til 1) linke flere biologiske niveauer af organisation og forstå virkningen af giftige stoffer på både individ og befolkningen niveau fitness; 2) test virkningen af giftige stoffer på forskellige stadier af udviklingsmæssige eksponering; 3) test mindretalsspørgsmålet og evolutionære konsekvenser af forurenende stoffer; og 4) teste flere forurenende stoffer og stressfaktorer samtidigt.

Introduction

Hvert år, er cirka 1.000 nye kemikalier indført af den kemiske industri1,2; men de miljømæssige konsekvenser af kun en lille procentdel af disse kemikalier er testet før distribution2,3. Selv om store katastrofer er ualmindelige, subletale og kronisk eksponering for en lang række forurenende stoffer er udbredt i både mennesker og dyreliv4,5. Økotoksikologi og miljø toksikologi historiske fokus var at teste dødelighed, enkelt kemisk eksponering, akut eksponering og de fysiologiske virkninger af eksponering, som et middel til at måle effekten af forurenende stoffer på overlevelse6, 7 , 8 , 9 , 10. selv om der er et skift i retning af etiske og ikke-invasive metoder til dyreforsøg, nuværende strategier er begrænsende på grund af rollen, at udvikling, emergente egenskaber og eksterne faktorer (såsom befolkningen niveau og økosystem-niveau interaktioner) spiller i mægle økologisk vigtige slutpunkter8. Der er derfor behov for metoder, indarbejde en mere holistisk tilgang uden at ofre dyreliv og/eller hvirveldyr i laboratoriet.

Hvirvelløse modelsystemer, såsom Drosophila melanogaster, er et attraktivt alternativ til at løse behovet for en mere holistisk tilgang til afprøvning af toksicitet. D. melanogaster, blev oprindeligt udviklet som et hvirvelløse modelsystem for human-relaterede genetiske forskning om et århundrede siden11. D. melanogaster er nu prominently bruges som en hvirveldyr model alternativ af flere grunde: 1) bevarelse af gener og veje mellem D. melanogaster og mennesker; 2) kort generationstid i forhold til hvirveldyr modeller; 3) billige pris af vedligeholdelse; 4) lette generere store stikprøvestørrelser; og 5) overflod af fænotypiske og økologisk-relevante endpoints anvendelig nemlig prøvning11,12,13,14,15,16,17 .

Flere laboratorier11,15,16,17,18,19,20,21,22, 23 , 24 , 25 nu bruger D. melanogaster som en hvirveldyr model alternativ til afprøvning af toksicitet for at forstå virkningerne af forurening på mennesker. Lokale vilde arter af Drosophila kan blive udnyttet, såvel som toksicitet modeller for vilde dyr (og mennesker) at besvare økologisk-, behaviorally-, og evolutionært relevante spørgsmål på flere biologiske niveauer af organisationen. Ved hjælp af arter i Drosophila slægt som en model, er flere målbare slutpunkter muligt11,15,16,18,19,20 ,21,22,23,24,25. In addition, ved hjælp af Drosophila model, toksikologer kan: 1) etisk link effekter på flere biologiske niveauer af organisationen; 2) indarbejde rolle emergent faktorer og udvikling; 3) undersøgelse økologisk vigtige slutpunkter (ud over lægeligt vigtigt slutpunkter); 4) teste flere stressfaktorer samtidigt; 5) og test langsigtede mindretalsspørgsmålet (fx evolutionære og transgenerationel) konsekvenser af stressorer. Derfor muliggør bruger Drosophila som en modelsystem en mangfoldighed af tilgange, ikke begrænset til at studere mekanistiske tilgange med indavlede stammer af D. melanogaster i laboratoriet.

I dette papir præsenterer vi metoderne til opdræt og indsamle Drosophila at besvare forskellige toksikologiske spørgsmål. Mere specifikt beskriver vi metoden for 1) opdræt Drosophila i medium snøret med et eller flere forurenende stoffer; 2) indsamling Drosophila i hele udvikling (f.eks. vandrer tredje-instar larver, puppe sager, nyligt eclosed voksne og modne voksne); og 3) opdræt Drosophila forurenet mellemlang test mellem generationerne samt transgenerationel transmission og evolutionære konsekvenser af giftstof langtidseksponering. Ved hjælp af denne protokol, tidligere forfattere18,19,20,21,22,23,24har,25 rapporteret forskellige fysiologiske, genetiske og adfærdsmæssige effekter af udviklingsmæssige føre (Pb2 +) eksponering. Denne protokol giver mulighed for toksikologer for en mere holistisk toksikologiske metode, som er nødvendigt for at forstå hvordan forurenende stoffer er risikofaktorer for både mennesker og dyr i en stadig mere forurenet miljø.

Protocol

Følgende protokol er en eksperimentel protokol, der bruges til bageste arter i Drosophila slægten på forurenede medium, når oral indtagelse af et toksin er passende; andre former for eksponering er muligt ved hjælp af Drosophila model11,15,16,26. De i denne protokol beskrevne metoder er tidligere beskrevet af Hirsch et al. 19 og Peterson <…

Representative Results

Ved at udsætte mundtligt Drosophila til en contaminant(s) i hele udvikling, kan forskellige toksikologiske spørgsmål testes ved at udsætte Drosophila på forskellige niveauer i biologiske organisation. Dette afsnit præsenterer repræsentative resultater, der opnås ved hjælp af denne protokol i tidligere offentliggjorte papirer23,24. Især blev denne protokol tidligere brugt til at evaluere ophobning, fjern…

Discussion

Drosophila melanogaster er blevet oprettet som en kraftfuld model for en række biologiske processer på grund af den omfattende bevaring af gener og veje mellem D. melanogaster og mennesker13,14. Af samme grund at det er en kraftfuld model for lægevidenskaben, fremstod Drosophila som en egnet modelsystem til at undersøge virkningerne af menneskeskabte forurening på en række toksikologiske endpoints. Flere laboratorier bruger med he…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne publikation blev støttet af en bevilling fra Department of Education (PR Award #P031C160025-17, Projekttitel: 84.031 C) på Colorado State University-Pueblo (CSU-Pueblo) samfund til at bygge aktive STILK Engagement (C-BASE). Vi takker nuværende zoologi og Elsevier giver brugsret til de repræsentative resultater offentliggjort i tidligere papirer, som redaktørerne af JoVE for at give os mulighed for at udgive denne protokol. Vi vil også gerne takke C-BASE Program, Dr. Brian Vanden Heuvel (C-BASE og Department of Biology, CSU-Pueblo), CSU-Pueblo biologi afdeling, Thomas Graziano, Dr. Bernard Possidente (Biologisk Institut, Skidmore College), og Dr. Claire Varian Ramos (Biologisk Institut, Colorado State University-Pueblo) for deres støtte og bistand.

Materials

Carolina Biological Instant Drosophila Medium Formula 4-24 Carolina Biological 173204
Drosophila vials, Narrow (PS), Polystyrene, Superbulk, 1000 vials/unit Genessee Scientific 32-116SB Used to store flies
Flugs Closures for vials and bottles, Narrow plastic vials Genessee Scientific 49-102 Used to store flies
Cardboard trays, trays only, narrow Genessee Scientific 32-124 Used to organize populations of flies
Cardboard trays, dividers only, narrow Genessee Scientific 32-126 Used to organize populations of flies
Thermo Scientific Nalgene Square Wide-Mouth HDPE Bottles with Closure Fischer Scientific 03-312D Useful for storage of contaminants
Thermo Scientific Nalgene Color-Coded LDPE Wash Bottles Fischer Scientific 03-409-17C Useful for storage of contaminants
Eppendorf Repeater M4 Manual Handheld Pipette Dispenser Fischer Scientific 14-287-150 Used to prepare medium
Combitips Advanced Pipetter Tips – Standard, Eppendorf Quality Tips Fischer Scientific 13-683-708 Used to prepare medium
Flypad, Standard Size (8.1 X 11.6cm) Genessee Scientific 59-114 Used to anesthetize flies
Flystuff foot valve Genessee Scientific 59-121 Used to anesthetize flies
Tubing, green (1 continguous foot/unit) Genessee Scientific 59-124G Used to anesthetize flies
Mineral Oil, Light, White, High Purity Grade, 500 mL HDPE Bottle VWR 97064-130 Used to make a morgue
Glass Erlenmeyer Flask Set – 3 Sizes – 50, 150 and 250ml, Karter Scientific 214U2 Walmart Not applicable Used to make a morgue
BGSET5 Glass Beaker Set Of 5 Walmart
Inbred or wildtype line of Drosophila Bloomington Drosophila Stock Center at Indiana University https://bdsc.indiana.edu
Wild popultions of Drosophila UC San Diego Drosophila Stock Center https://stockcenter.ucsd.edu/info/welcome.php
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Postel, S. . Defusing the Toxics Threat: Controlling Pesticides and Industrial Waste. , (1987).
  2. Vitousek, P. M., Mooney, H. A., Lubchenco, J., Melillo, J. M. Human domination of earth’s ecosystems. Science. 277, 494-499 (1997).
  3. United Nations Environment Program (UNEP). . Saving Our Planet: Challenges and Hopes. , (1992).
  4. Hansen, L. J., Johnson, M. L. Conservation and toxicology: Integrating the disciplines. Conservation Biology. 13, 1225-1227 (1999).
  5. Johnston, E. L., Mayer-Pinto, M., Crowe, T. P. REVIEW: Chemical contaminant effects on marine ecosystem functioning. Journal of Applied Ecology. 52, 140-149 (2015).
  6. Dell’Omo, G. . Behavioral ecotoxicology. , (2002).
  7. Clotfelter, E. D., Bell, A. M., Levering, K. R. The role of animal behaviour in the study of endocrine-disrupting chemicals. Animal Behaviour. 68, 665-676 (2004).
  8. Peterson, E. K., Buchwalter, D. B., Kerby, J. L., LeFauve, M. K., Varian-Ramos, C. W., Swaddle, J. P. Integrative behavioral ecotoxicology: bringing together fields to establish new insight to behavioral ecology, toxicology, and conservation. Current Zoology. 63, 185-194 (2017).
  9. Scott, G. R., Sloman, K. A. The effects of environmental pollutants on complex fish behaviour: Integrating behavioural and physiological indicators of toxicity. Aquatic Toxicology. 68, 369-392 (2004).
  10. Zala, S. M., Penn, D. J. Abnormal behaviors induced by chemical pollution: A review of the evidence and new challenges. Animal Behaviour. 68, 649-664 (2004).
  11. Abolaji, A. O., Kamdem, J. P., Farombi, E. O., Rocha, J. B. T. Drosophila melanogaster as a promising model organism in toxicological studies. Archives of Basic & Applied Medicine. 1, 33-38 (2013).
  12. Jennings, B. H. Drosophila-a versatile model in biology and medicine. Materials Today. 14, 190-195 (2011).
  13. Pandey, U. B., Nichols, C. D. Human disease models in Drosophila melanogaster and the role of the fly in therapeutic drug discovery. Pharmacology Reviews. 63, 411-436 (2011).
  14. Rubin, G. M., et al. Comparative genomics of the eukaryotes. Science. 287, 2204-2215 (2000).
  15. Rand, M. D. Drosophotoxicology: The growing potential for Drosophila in neurotoxicology. Neurotoxicol Teratol. 32, 74 (2010).
  16. Rand, M. D., Montgomery, S. L., Prince, L., Vorojeikina, D. Developmental toxicity assays using the Drosophila model. Current Protocols in Toxicology. 59, 1.12.1-1.12.20 (2015).
  17. Burke, M. K., Rose, M. R. Experimental evolution with Drosophila. American Journal of Physiology: Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 296, R1847-R1854 (2009).
  18. He, T., Hirsch, H. V. B., Ruden, D. M., Lnenicka, G. A. Chronic lead exposure alters presynaptic calcium regulation and synaptic facilitation in Drosophila larvae. NeuroToxicology. 30, 777-784 (2009).
  19. Hirsch, H. V., et al. Behavioral effects of chronic exposure to low levels of lead in Drosophila melanogaster. NeuroToxicology. 24, 435-442 (2003).
  20. Hirsch, H. V. B., et al. Variations at a quantitative trait locus (QTL) affect development of behavior in lead-exposed Drosophila melanogaster. NeuroToxicology. 30, 305-311 (2009).
  21. Morley, E. J., Hirsch, H. V. B., Hollocher, K., Lnenicka, G. A. Effects of chronic lead exposure on the neuromuscular junction in Drosophila larvae. NeuroToxicology. 24, 35-41 (2003).
  22. Ruden, D. M., et al. Genetical toxicologenomics in Drosophila identifies master- modulatory loci that are regulated by developmental exposure to lead. NeuroToxicology. 30, 898-914 (2009).
  23. Peterson, E. K., et al. Accumulation, elimination, sequestration, and genetic variation of lead (Pb2+) loads within and between generations of Drosophila melanogaster. Chemosphere. 181, 368-375 (2017).
  24. Peterson, E. K., et al. Asymmetrical positive assortative mating induced by developmental lead (Pb2+) exposure in a model system, Drosophila melanogaster. Current Zoology. 63, 195-203 (2017).
  25. Peterson, E. K. . Consequences of developmental lead (Pb2+) exposure on reproductive strategies in Drosophila. , (2016).
  26. Chifiriuc, M. C., Ratiu, A. C., Popa, M., Ecovolu, A. A. Drosophotoxicology: An emerging research area for assessing nanoparticles interaction with living organisms. International Journal of Molecular Sciences. 17, 36 (2016).
  27. Lachaise, D., Cariou, M. L., David, J. R., Lemeunier, F., Tsacas, L., Ashburner, M. Historical biogeography of the Drosophila melanogaster species subgroup. Evolutionary Biology. 22, 159-225 (1988).
  28. Elgin, C. R., Miller, D. W., Ashburner, M., Wright, T. R. F. Mass rearing of flies and mass production and harvesting of embryos. The Genetics and Biology of Drosophila. 2a, 112-121 (1978).
  29. Shaffer, C. D., Wuller, J. M., Elgin, C. R. Chapter 5: Raising large quantities of Drosophila for biochemical experiments. Methods in Cell Biology. 44, 99-108 (1994).
  30. Stocker, H., Gallant, P. Getting started: an overview on raising and handling Drosophila. Methods in Molecular Biology. 420, 27-44 (2008).
  31. Jennings, J. H., Etges, W. J., Schmitt, T., Hoikkala, A. Cuticular hydrocarbons of Drosophila montana: geographic variation, sexual dimorphism and potential roles as pheromones. Journal of Insect Physiology. 61, 16-24 (2014).
  32. Markow, T. A., O’Grady, P. M. . Drosophila: A Guide to Species Identification and Use. , (2005).
  33. Werner, T., Jaenike, J. . Drosopholids of the midwest and northeast. , (2017).
  34. Greenspan, R. J. The basics of doing a cross. Fly Pushing: The theory and practice of Drosophila genetics. , 3-24 (1997).
  35. JoVE Science Education Database. . . Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans. Drosophila Maintenance. , (2018).
  36. Castañeda, P. L., Muñoz, G. L. E., Durán, D. A., Heres, P. M. E., Dueñas, G. I. E. LD50 in Drosophila melanogaster. fed on lead nitrate and lead acetate. Drosophila Information Service. 84, 44-48 (2001).
  37. Massie, H. R., Aiello, V. R., Whitney, S. J. P. Lead accumulation during aging of Drosophila and effect of dietary lead on life span. Age. 15, 47-49 (1992).
  38. Akins, J. M., Schroeder, J. A., Brower, D. L., Aposhian, H. V. Evaluation of Drosophila melanogaster as an alternative animal for studying the neurotoxicity of heavy metals. BioMetals. 5, 111-120 (1992).
  39. Zhou, S., et al. The genetic basis for variation in sensitivity to lead toxicity in Drosophila melanogaster. Environmental Health Perspectives. 124, 1062-1070 (2016).
  40. Pitnick, S., Markow, T. A., Spicer, G. S. Delayed male maturity is a cost of producing large sperm in Drosophila. Proceedings of National Academy of Sciences USA. 92, 10614-10618 (1995).
  41. Beauchemin, D. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 82, 4786-4810 (2010).
  42. Tyler, M. S., Tyler, M. S. Development of the fruit fly Drosophila melanogaster. Developmental Biology, a Guide for Experimental Study. , 8-27 (2000).
  43. Ortiz, J. G., Opoka, R., Kane, D., Cartwright, I. L. Investigating arsenic susceptibility from a genetic perspective in Drosophila reveals a key role for glutathione synthetase. Toxicological Sciences. 107, 416-426 (2009).
  44. Bonilla, E., Contreras, R., Medina-Leendertz, S., Mora, M., Villalobos, V., Bravo, Y. Minocycline increases the life span and motor activity and decreases lipid peroxidation in manganese treated Drosophila melanogaster. Toxicology. 294, 50-53 (2012).
  45. Guarnieri, D. J., Heberlein, U. Drosophila melanogaster, a genetic model system for alcohol research. International Review of Neurobiology. 54, 199-228 (2003).
  46. Posgai, R., Cipolla-McCulloch, C. B., Murphy, K. R., Hussain, S. M., Rowe, J. J., Nielsen, M. G. Differential toxicity of silver and titanium dioxide nanoparticles on Drosophila melanogaster development, reproductive effort, and viability: size, coatings and antioxidants matter. Chemosphere. 85, 34-42 (2011).
  47. Gupta, S. C., et al. Adverse effect of organophosphate compounds, dichlorvos and chlorpyrifos in the reproductive tissues of transgenic Drosophila melanogaster: 70kDa heat shock protein as a marker of cellular damage. Toxicology. 238, 1-14 (2007).
  48. Wasserkort, R., Koller, T. Screening toxic effects of volatile organic compounds using Drosophila melanogaster. Journal of Applied Toxicology. 17, 119-125 (1997).
  49. Markow, T. A., O’Grady, P. O. Reproductive ecology of Drosophila. Functional Ecology. 22, 747-759 (2008).
  50. Dev, K., Chahal, J., Parkash, R. Seasonal variations in the mating-related traits of Drosophila melanogaster. Journal of Ethology. 31, 165-174 (2013).
  51. Salminen, T. S., Vesala, L., Laiho, A., Merisalo, M., Hoikkala, A., Kankare, M. Seasonal gene expression kinetics between diapause phases in Drosophila virilus group species and overwintering differences between diapausing and non-diapausing females. Nature Scientific Reports. 5, 11197 (2015).
  52. Miller, R. S., Thomas, J. L. The effects of larval crowding and body size on the longevity of adult Drosophila melanogaster. Ecology. 39, 118-125 (1958).
  53. Peterson, E. K., Ghiradella, H., Possidente, B., Hirsch, H. Transgenerational epigenetic effects of lead exposure on behavior in Drosophila melanogaster. 11, 492-493 (2012).
  54. Soares, J. J., et al. Continuous liquid feeding: New method to study pesticides toxicity in Drosophila melanogaster. Analytical Biochemistry. 537, 60-62 (2017).

Tags

DrosophilaToxicity TestingInvertebrate ModelDose ResponseGrowth MediumDevelopmental StagesLarvaeAdultsExposureContaminants

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Peterson, E. K., Long, H. E. Experimental Protocol for Using Drosophila As an Invertebrate Model System for Toxicity Testing in the Laboratory. J. Vis. Exp. (137), e57450, doi:10.3791/57450 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image