Diseksiyon ve Threespine Stickleback Brankial İskelet Düz montaj
Summary
The branchial skeleton, including gill rakers, pharyngeal teeth, and branchial bones, serves as the primary site of food processing in most fish. Here we describe a protocol to dissect and flat-mount this internal skeleton in threespine sticklebacks. This method is also applicable to a variety of other fish species.
Abstract
The posterior pharyngeal segments of the vertebrate head give rise to the branchial skeleton, the primary site of food processing in fish. The morphology of the fish branchial skeleton is matched to a species’ diet. Threespine stickleback fish (Gasterosteus aculeatus) have emerged as a model system to study the genetic and developmental basis of evolved differences in a variety of traits. Marine populations of sticklebacks have repeatedly colonized countless new freshwater lakes and creeks. Adaptation to the new diet in these freshwater environments likely underlies a series of craniofacial changes that have evolved repeatedly in independently derived freshwater populations. These include three major patterning changes to the branchial skeleton: reductions in the number and length of gill raker bones, increases in pharyngeal tooth number, and increased branchial bone lengths. Here we describe a detailed protocol to dissect and flat-mount the internal branchial skeleton in threespine stickleback fish. Dissection of the entire three-dimensional branchial skeleton and mounting it flat into a largely two-dimensional prep allows for the easy visualization and quantification of branchial skeleton morphology. This dissection method is inexpensive, fast, relatively easy, and applicable to a wide variety of fish species. In sticklebacks, this efficient method allows the quantification of skeletal morphology in genetic crosses to map genomic regions controlling craniofacial patterning.
Introduction
çeşitlilik inanılmaz bir miktar özellikle balıklar arasında, omurgalılar arasında baş iskeleti var. Birçok durumda bu çeşitlilik, farklı beslenme stratejileri 1 kolaylaştırır – 4, ve her ikisi de dış ve iç kraniofasyal desenlendirme büyük değişiklikler içerebilir. brankiyal iskelet bir balık boğaz dahili olarak yer alan ve ağız boşluğu en çevreler. brankiyal iskelet solungaçları destekleyen ön dördü 5 seri homolog segmentleri, oluşmaktadır. Birlikte bu beş segment balık ve onların yiyecek 5 arasında bir arayüz olarak işlev görür. solungaç diken, yutak dişleri ve brankiyal kemikleri de dahil olmak üzere özellikleri çok sayıda varyasyon yiyecek farklı türlerde etkili yiyecek arama katkıda bulunur.
Sticklebacks kuzey yarımkürede boyunca tatlı su gölleri ve dereleri kolonize atalarının okyanus formları sonra bir adaptif radyasyon uğramıştır. diyet kaymasıtatlı daha büyük av için okyanusta küçük zooplankton birkaç kraniofasyal özellikleri 6 dramatik trofik değişmesine neden olmuştur. Birçok çalışma Sticklebacks 7 dış kraniofasial farklılıkları odaklanmış olsa da – 13, önemli kraniofasial değişiklikler iç brankiyal iskelette defalarca gelişmeye. Morfolojik farklı dikenli popülasyonlar arasındaki verimli melezler oluşturma yeteneği brankiyal iskeletine evrimleşmiş değişikliklerin genetik temelini eşleştirmek için mükemmel bir fırsat sağlar.
ekolojik öneme sahip biri tropik özelliği solungaç diken, brankiyal kemiklerin anterior ve posterior yüzleri satır ve av öğeleri filtrelemek için kullanılan periyodik dermal kemiklerin desenleme olduğunu. Genellikle küçük av öğeleri beslemek balıklar daha uzun ve daha yoğun aralıklı solungaç büyük yırtıcı 14,15 beslenen balıklara oranla diken sahip olma eğilimindedir. solungaç diken varyasyon bildirilmiştir hem within ve türler 14-19 arasında ve solungaç havalandırma makinesi desenlendirme yönleri trofik nişler ve fitness 16 katkıda bulunur. Araştırma Yıllar yoğun threespine Sticklebacks 17 solungaç raker numarası ve uzunluk varyasyonu belgeledi – 21; Ancak, bu çalışmalar genellikle solungaç diken ilk satırında odaklanmak. Son çalışmalar, bir veya bir tek solungaç havalandırma makinesi anlamak için satır daha çalışmanın önemini vurgulayarak 23 ve uzunluk 24 aralık brankiyal iskelet 22,23 genelinde ve solungaç Tarak tek satır boyunca solungaç havalandırma makinesi sayısının genetik kontrol modüler göstermiştir solungaç raker azaltma gelişimsel genetik temeli.
hem ekolojik ve biyomedikal önemi ikinci trofik özellik faringeal dişlerin desenleme olduğunu. Balıklarda Diş yutak dişleri olarak da bilinir, hem sözlü çene ve brankiyal iskeletinde yer olabilir. Ağız diş p amacıyla kullanılır27 – yutak dişleri çiğneme ve av manipülasyon 25 için kullanılır ise rey yakalamak. Her iki takım ortak gelişimsel mekanizmaları aracılığıyla oluşturur ve homolog 28 gelişimsel olarak kabul edilir. Bazen böyle zebrafish, eksikliği ağız ve dorsal faringeal dişler 29 diğer türler birden dişli ceratobranchials, pharyngobranchials varken gibi türler, ve basihyal dişli ve 30 hypobranchials sayede ilginç modülerlik oluşur. Sticklebacks olarak, yutak dişleri ön beşinci ceratobranchial ve dorsal üzerinde ventral bulundu ve posterior 31 pharyngobranchials edilir. Dikenli beslenme ile ilgili Kinematik sözlü çene öncelikle av yakalama ve yutak çenesine çiğneme bırakarak emme besleme 9 kolaylaştırılması kullanılır gösteriyor. Çiklitlerinde, alt yutak çene morfolojisi dramatik 32,33 değişir ve adaptif ve trofik niş 34 ile korelasyon olduğu gösterilmiştir. Çokple tatlısu dikenli popülasyonları ventral faringeal diş sayısı 23,35,36 dramatik artışlar meydana gelmiştir. Son çalışmalar bu evrimleşmiş diş kazanç gelişimsel genetik temeli tatlısu Sticklebacks 36 iki bağımsız toplumlarında büyük ölçüde farklı olduğunu ortaya koymuştur. Memeli dişlerin aksine, balık yetişkin yaşam 37 boyunca sürekli dişlerini yeniden. Bu daha önce açıklanan yüksek dişli tatlı su popülasyonlarının ikisi de rejenerasyon 36 genetik temelini incelemek için nadir bir omurgalı sistemi sağlayarak, hızlandırılmış protez oranını gelişmiştir.
Tatlısu Sticklebacks defalarca gelişti üçüncü trofik özellik artık sırasıyla 38 epibranchial ve ceratobranchial kemikler, üst ve alt çene solungaç kemeri segmental homologları vardır. Uzun brankiyal kemikleri daha geniş bir yanak boşluğu görüşmek ve muhtemelen daha büyük av öğeleri c olmak için izin verdiği için uyarlanabilironsumed. Ayrıca, diğer balıklarda, epibranchial kemikler dorsal faringeal diş plakaları 25 depresyon açısından önemlidir. solungaç diken ve yutak dişleri gibi, brankiyal kemikler kolayca görselleştirmek veya ölçmek zordur, bu nedenle iç ve vardır.
Burada incelemek için detaylı bir protokol mevcut ve önemli kraniofasyal özelliklerin çeşitli kolay görselleştirme ve sayılmasına olanak tanıyan, brankiyal iskeleti düz monte edin. Bu protokol, dikenli diseksiyon açıklanmış olsa da, aynı yöntem, diğer balıkların çeşitli çalışır.
Protocol
Representative Results
Discussion
The branchial skeleton is a complex set of bones in the throat of a fish that manipulates, filters, and masticates food items on their way to the esophagus. Many interesting trophic traits including the patterning of gill rakers, pharyngeal teeth, and branchial bones vary across and within species. The majority of these traits are difficult to near impossible to accurately measure with the branchial skeleton in situ (e.g., gill raker length, branchial bone length). This flat-mounting protocol places all…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded in part by NIH R01 #DE021475 to CTM and an NSF Graduate Research Fellowship to NAE. Thanks to Miles Johnson for assistance with imaging and Priscilla Erickson for critical reading of the manuscript.
Materials
| Sodium Hydroxide (KOH) | EMD | PX1480-1 | |
| Glycerol | Sigma-Alderich | G7893-4L | |
| 10% Neutral Buffered Formalin (NBF) | Azer Scientific | NBF-4-G | |
| Alizarin Red S | EMD | 116-12 | |
| Microscope Cover Glasses 22x60mm | VWR | 16004-350 | |
| 100x10mm Glass Petri Dish | Kimble Chase | 23064-10010 | To dissect samples on |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | Can be poured into glass or plastic petri dishes to make dissecting plates |
| Modeling Clay | Sargent Art | 22-4000 | 1lb cream |
| Scintillation Vials (case of 500) | Wheaton | 66021-668 | Borosilicate Glass with Screw Cap |
| Forceps-Dumont #5 Inox (Biologie tip) | FST | 11252-20 | Dumostars are an alternative |
| Dissecting Scissors | FST | 15003-08 | Alternate sizes are available depending on size of sample |
| Dissecting Microscope | Leica | S6E with KL300 LED | Many other models work nicely, having a flat base helps |
| Microcentrifuge Tubes 1.7mL | Denville | C-2170 | |
| Cardboard slide tray | Fisher | 12-587-10 |
Referências
- Cooper, W. J., Westneat, M. W. Form and function of damselfish skulls: rapid and repeated evolution into a limited number of trophic niches. BMC Evol. Biol. 9 (24), (2009).
- Albertson, R. C., Kocher, T. D. Genetic and developmental basis of cichlid trophic diversity. Heredity. 97 (3), 211-221 (2006).
- Martin, C. H., Wainwright, P. C. Trophic novelty is linked to exceptional rates of morphological diversification in two adaptive radiations of cyprinodon pupfish. Evolution. 65 (8), 2197-2212 (2011).
- Wainwright, P. C., et al. The evolution of pharyngognathy: A phylogenetic and functional appraisal of the pharyngeal jaw key innovation in labroid fishes and beyond. Syst. Biol. 61 (6), 1001-1027 (2012).
- Sibbing, F. Food capture and oral processing. Cyprinid Fishes. , 377-412 (1991).
- Bell, M., Foster, S. . The Evolutionary Biology of the Threespine Stickleback. , (1994).
- Kimmel, C. B., et al. Evolution and development of facial bone morphology in threespine sticklebacks. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102 (16), 5791-5796 (2005).
- Mcgee, M. D., Wainwright, P. C. Convergent evolution as a generator of phenotypic diversity in threespine stickleback. Evolution. 67 (4), 1204-1208 (2013).
- McGee, M. D., Schluter, D., Wainwright, P. C. Functional basis of ecological divergence in sympatric stickleback. BMC Evol. Biol. 13, 277 (2013).
- McGuigan, K., Nishimura, N., Currey, M., Hurwit, D., Cresko, W. A. Quantitative genetic variation in static allometry in the threespine stickleback. Integr. Comp. Biol. 50 (6), 1067-1080 (2010).
- Caldecutt, W. J., Bell, M. A., Buckland-Nicks, J. A. Sexual dimorphism and geographic variation in dentition of threespine stickleback, Gasterosteus aculeatus. Copeia. 2001 (4), 936-944 (2001).
- Berner, D., Moser, D., Roesti, M., Buescher, H., Salzburger, W. Genetic architecture of skeletal evolution in european lake and stream stickleback. Evolution. 68 (6), 1792-1805 (2014).
- Jamniczky, H. a., Barry, T. N., Rogers, S. M. Eco-evo-devo in the study of adaptive divergence: examples from threespine stickleback (Gasterosteus aculeatus). Integr. Comp. Biol. 55 (1), 166-178 (2015).
- Magnuson, J., Heitz, J. Gill raker apparatus and food selectivity among mackerels, tunas, and dolphins. Fish. Bull. 69 (2), 361-370 (1971).
- Kahilainen, K. K., et al. The role of gill raker number variability in adaptive radiation of coregonid fish. Evol. Ecol. 25 (3), 573-588 (2011).
- Arnegard, M. E., et al. Genetics of ecological divergence during speciation. Nature. 511 (7509), 307-311 (2014).
- Gross, H. P., Anderson, J. M., Gross, H. P., Anderson, J. Geographic variation in the gillrakers and diet of European threespine sticklebacks, Gasterosteus aculeatus. Copeia. 1984 (1), 87-97 (1984).
- Hagen, D., Gilbertson, L. Geographic variation and environmental selection in Gasterosteus aculeatus L in the Pacific Northwest, America. Evolution. 26 (1), 32-51 (1972).
- McPhail, J. D. Ecology and evolution of sympatric sticklebacks (Gasterosteus): morphological and genetic evidence for a species pair in Enos Lake, British Columbia. Can. J. Zool. 62 (7), 1402-1408 (1984).
- Schluter, D., McPhail, J. D. Ecological character displacement and speciation in sticklebacks. Am. Nat. 140 (1), 85-108 (1992).
- Robinson, B. Trade offs in Habitat-specific foraging efficiency and the nascent adaptive divergence of sticklebacks in lakes. Behaviour. 137 (7), 865-888 (2000).
- Glazer, A. M., Cleves, P. A., Erickson, P. A., Lam, A. Y., Miller, C. T. Parallel developmental genetic features underlie stickleback gill raker evolution. Evodevo. 5 (1), (2014).
- Miller, C. T., Glazer, A. M., et al. Modular skeletal evolution in sticklebacks is controlled by additive and clustered quantitative trait loci. Genética. 197 (1), 405-420 (2014).
- Glazer, A. M., Killingbeck, E. E., Mitros, T., Rokhsar, D. S., Miller, C. T. Genome assembly improvement and mapping convergently evolved skeletal traits in sticklebacks with Genotyping-by-Sequencing. G3. 5, 1463-1472 (2015).
- Wainwright, P. Functional morphology of the pharyngeal jaw apparatus. Fish Physiol. Fish Biomech. , 77-102 (2006).
- Hulsey, C. D., Fraser, G. J., Streelman, J. T. Evolution and development of complex biomechanical systems: 300 million years of fish jaws. Zebrafish. 2 (4), 243-257 (2005).
- Lauder, G. Functional design and evolution of the pharyngeal jaw apparatus in euteleostean fishes. Zool. J. Linn. Soc. 77, 1-38 (1983).
- Fraser, G. J., et al. An ancient gene network is co-opted for teeth on old and new jaws. PLoS Biol. 7 (2), e1000031 (2009).
- Stock, D. Zebrafish dentition in comparative context. J. Exp. Zool. B. Mol. Dev. Evol. 308, 523-549 (2007).
- Liem, K., Greenwood, P. A functional approach to the phylogeny of the pharyngognath teleosts. Am. Zool. 21 (1), 83-101 (1981).
- Anker, G. C. Morphology and kinetics of the head of the stickleback, Gasterosteus aculeatus. Trans. Zool. Soc. London. 32 (5), 311-416 (1974).
- Meyer, A. Morphometrics and allometry in the trophically polymorphic cichlid fish, Cichlusomu citrinelfum: Alternative adaptations and ontogenetic changes in shape. J. Zool., Lond. 221, 237-260 (1990).
- Huysseune, A. Phenotypic plasticity in the lower pharyngeal jaw dentition of Astatoreochromis alluaudi (Teleostei: Cichlidae). Arch. Oral Biol. 40 (11), 1005-1014 (1995).
- Muschick, M., Indermaur, A., Salzburger, W. Convergent Evolution within an adaptive radiation of cichlid fishes. Curr. Biol. 22 (24), 2362-2368 (2012).
- Cleves, P. A., et al. Evolved tooth gain in sticklebacks is associated with a cis-regulatory allele of Bmp6. Proc. Natl. Acad. Sci. 111 (38), 13912-13917 (2014).
- Ellis, N. A., et al. Distinct developmental and genetic mechanisms underlie convergently evolved tooth gain in sticklebacks. Development. (142), 2442-2451 (2015).
- Tucker, A. S., Fraser, G. J. Evolution and developmental diversity of tooth regeneration. Semin. Cell Dev. Biol. 25-26, 71-80 (2014).
- Erickson, P. A., Glazer, A. M., Cleves, P. A., Smith, A. S., Miller, C. T. Two developmentally temporal quantitative trait loci underlie convergent evolution of increased branchial bone length in sticklebacks. Proc. R. Soc. B. 281, (2014).
- Leary, S., et al. . AVMA Guidelines for the Euthanasia of Animals. , (2013).
- Bell, M. A. Evolutionary phenetics and genetics. Evol. Genet. Fishes. , 431-528 (1984).
- Taylor, W. R., Van Dyke, G. C. Revised procedures for staining and clearing small fishes and other vertebrates for bone and cartilage study. Cybium. 9 (2), 107-119 (1985).
- Erickson, P. A., et al. A 190 base pair, TGF-β responsive tooth and fin enhancer is required for stickleback Bmp6 expression. Dev. Biol. 401 (2), 310-323 (2015).
- Miller, C. T., et al. cis-Regulatory changes in Kit ligand expression and parallel evolution of pigmentation in sticklebacks and humans. Cell. 131 (6), 1179-1189 (2007).
- Aigler, S. R., Jandzik, D., Hatta, K., Uesugi, K., Stock, D. W. Selection and constraint underlie irreversibility of tooth loss in cypriniform fishes. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111 (21), 7707-7712 (2014).
- Pasco-Viel, E., et al. Evolutionary trends of the pharyngeal dentition in Cypriniformes (Actinopterygii Ostariophysi). PLoS One. 5 (6), e11293 (2010).
