Summary

利用蚂蚁Vollenhovia Emeryi对近亲繁殖杂交的诱导和评价

Published: October 05, 2018
doi:

Summary

在本议定书中, 介绍了进行近亲繁殖杂交的方法, 并对这些杂交的成功进行了描述, 为蚂蚁Vollenhovia emeryi。这些协议对于旨在了解膜翅目中性别决定系统的遗传基础的实验是很重要的。

Abstract

在 hymenopteran 模型生物蜜蜂中, 在蜜蜂中广泛研究了性别决定级联的遗传和分子成分。然而, 对于其他非模型 hymenopteran 类群中发现的性别决定机制, 如蚂蚁, 知之甚少。由于 hymenopteran 物种进化的生命周期的复杂性质, 在实验室中很难维持和进行实验性的交叉。在这里, 我们描述了进行近亲繁殖杂交的方法和评估这些杂交在蚂蚁Vollenhovia emeryi的成功。利用v. emeryi在实验室诱导近亲繁殖, 相对简单, 因为该物种具有独特的生物学特性。具体地说, 这个物种产生雄性雄性, 而雌性 reproductives 表现出翅膀多态性, 简化了遗传杂交中表型的识别。此外, 评估近亲繁殖的成功是直接的, 因为雄性可以连续生产的近亲繁殖十字架, 而正常的雄性只出现在一个明确定义的生殖季节在田间。我们的协议允许以v. emeryi为模型, 研究蚂蚁物种性别决定系统的遗传和分子基础。

Introduction

群居 Hymenopteran 类群, 如蚂蚁和蜜蜂, 进化出了一个 haplodiploid 的性别决定体系, 在这种系统中, 异型在一个或多个补充性决心 (CSD) 的个体成为女性, 而那些是同性恋者或 hemizygous成为男性 (图 1A)1

基因和分子成分参与性别决定级联已被很好的研究在蜜蜂, api 蜜蜂, hymenopteran 模型生物2,3,4。最近的比较基因组调查显示, 蚂蚁和蜜蜂在性别决定途径中分享了许多假定的同系物, 如最初的性别决定基因, csd5。然而, 这些同系物的功能保护的证据仍然缺乏蚂蚁。

为了解决这一问题, 必须发展近亲繁殖线, 因为它们对遗传图谱和分子研究是必不可少的。然而 , 由于生命周期的复杂性质已经演变 , 很难在实验室中维持和进行实验叉。

在这里, 我们使用Vollenhovia emeryi作为一个模型, 以调查的遗传和分子基础的性别决定系统的蚂蚁6,7。本种的近亲繁殖系是在蚂蚁6中首次为与性别决定有关的性状的数量性状基因位点 (QTL) 的连锁映射而开发的。此外, 还研究了7的分子性别测定级联。这个物种进化出了一种不寻常的繁殖系统, 既使用了孤雌生殖和雄核发育 (图 1B)8,9。大多数新的皇后和男性是无性生产的母体和父系基因组, 分别。此外, 工人和一些皇后生产性8。这种生殖系统特别适合于遗传学研究, 因为近亲交配产生的杂交后代使用性生产的皇后和雄性的基因等同于传统的回交。由于性生产的皇后不同形态上的皇后从母体基因组10 (图 1B), 进行和评估近亲繁殖交叉是大大简化了使用这种方法。

本文建立了交叉试验实验菌落的确定方法, 利用全同胞对对近亲繁殖交叉口的应用, 并利用群体成员的基因分型和男性后代的解剖评价这些杂交的成功与否生殖器在 v. emeryi中被描述。

无论采用何种生殖系统, 近交交叉的应用往往是任何研究膜翅目性测定系统的必要的第一步。例如, 在Cardiocondyla obscurior, 在实验室里, 10 代全同胞交配后几乎完全没有双雄雄性, 这表明了惩教署所在地11的缺席。有可能预测惩教署基因座的数目, 从近亲交配产生的男性比例6,12,13

Protocol

1. 在实验室中Emeryi殖民地的实地收集和维持 注: 在日本各地, 腐烂的原木和腐烂的树木 branchesin 次生森林中发现了v emeryi的巢。这一物种显示了两种类型的殖民地,即(1) 只生产长翅皇后和 (2) 殖民地主要生产短翅皇后除了小数目长翅皇后8,14。在本议定书中, 我们收集了日本石川县的后一类殖民地。 在初夏收…

Representative Results

利用 f0和 f1代的微卫星分析结果表明, 近交杂交成功产生 (图 4)6。由于近亲繁殖十字架 , 交配皇后在建立实验叉殖民地的一个月之内获得。一个处所 (27.1 8.91% SD) 所有子代 (F2) 从近亲繁殖十字架是男性, 而剩下的人是女性 (工作者和女王)6。利用近亲繁殖杂交后代的 QTL 图谱表明, 近交杂交产?…

Discussion

本文论证了可用于诱导近亲繁殖杂交的协议, 并对emeryi中近亲繁殖的发生进行了评价。在实验中, 用于交叉的个体的基因分型是确保近亲繁殖杂交成功的必要条件。然而, 这些交叉试验的有效性显然是显而易见的, 因为双雄动物全年都可以生产, 而单倍体雄性只能在秋季在田间和实验室6生产。同胞交配皇后开始在交叉后立即产生雄性后代。在v. emeryi6<…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我们感谢日本东京 AntRoom 的代表 Taku 岛先生向我们提供了他的五 emeryi reproductives 的照片。该项目由日本促进科学学会 (16J00011) 为青年科学家研究金和资助青年科学家 (B) (16K18626) 提供资金。

Materials

Plaster powder N/A N/A Any brand can be used
Charcoal, Activated, Powder Wako 033-02117,037-02115
Slide glass N/A N/A Any brand can be used
Dry Cricket diet N/A N/A Any brand can be used
Brown shuger  N/A N/A Any brand can be used
Styrene Square-Shaped Case AS ONE Any size Size varies by number of ants
Incbator Any brand can be used
Aluminum block bath Dry thermo unit DTU-1B TAITEC 0014035-000
1.5mL Hyper Microtube,Clear, Round bottom WATSON 131-715CS
Ethanol (99.5) Wako 054-07225
Stereoscopic microscope N/A N/A Any brand can be used
Forseps DUMONT 0108-5-PO
Chelex 100 sodium form SIGMA 11139-85-8
Phosphate Buffer Saline (PBS) Tablets, pH7.4 TaKaRa T9181
Paraformaldehyde Wako 162-16065
-Cellstain- DAPI solution Dojindo Molecular Technologies D523
VECTASHIELD Hard・Set Mounting Medium with TRITC-Phalloidin Vector Laboratories H-1600
ABI 3100xl Genetic Analyzer Applied Biosystems Directly contact the constructor formore informations.
Confocal laser scanning microscope Leica TCS SP8 Leica Directly contact the constructor formore informations.
HC PL APO CS2 20x/0.75 IMM Leica Directly contact the constructor formore informations.
HC PL APO CS2 63x/1.20 WATER Leica Directly contact the constructor formore informations.
Leica HyDTM Leica Directly contact the constructor formore informations.
Leica Application Suite X (LAS X) Leica Directly contact the constructor formore informations.

Referências

  1. Mable, B. K., Otto, S. P. The evolution of life cycles with haploid and diploid phases. BioEssays. 20 (6), 453-462 (1998).
  2. Beye, M., Hasselmann, M., Fondrk, M. K., Page, R. E., Omholt, S. W. The gene csd is the primary signal for sexual development in the honeybee and encodes an SR-type protein. Cell. 114 (4), 419-429 (2003).
  3. Hasselmann, M., et al. Evidence for the evolutionary nascence of a novel sex determination pathway in honeybees. Nature. 454 (7203), 519-522 (2008).
  4. Nissen, I., Müller, M., Beye, M. The Am-tra2 gene is an essential regulator of female splice regulation at two levels of the sex determination hierarchy of the honeybee. Genética. 192 (3), 1015-1026 (2012).
  5. Schmieder, S., Colinet, D., Poirié, M. Tracing back the nascence of a new sex-determination pathway to the ancestor of bees and ants. Nature Communications. 3, 895 (2012).
  6. Miyakawa, M. O., Mikheyev, A. S. QTL Mapping of Sex Determination Loci Supports an Ancient Pathway in Ants and Honey Bees. PLoS Genetics. 11 (11), (2015).
  7. Miyakawa, M. O., Tsuchida, K., Miyakawa, H. The doublesex gene integrates multi-locus complementary sex determination signals in the Japanese ant, Vollenhovia emeryi. Insect Biochemistry and Molecular Biology. 94, 42-49 (2018).
  8. Ohkawara, K., Nakayama, M., Satoh, A., Trindl, A., Heinze, J. Clonal reproduction and genetic caste differences in a queen-polymorphic ant, Vollenhovia emeryi. Biology letters. 2 (3), 359-363 (2006).
  9. Kobayashi, K., Hasegawa, E., Ohkawara, K. Clonal reproduction by males of the ant Vollenhovia emeryi (Wheeler). Entomological Science. 11 (2), 167-172 (2008).
  10. Okamoto, M., Kobayashi, K., Hasegawa, E., Ohkawara, K. Sexual and asexual reproduction of queens in a myrmicine ant, Vollenhovia emeryi (Hymenoptera: Formicidae). Myrmecological News. 21, 13-17 (2015).
  11. Schrempf, A., Aron, S., Heinze, J. Sex determination and inbreeding depression in an ant with regular sib-mating. Heredity. 97 (1), 75-80 (2006).
  12. De Boer, J. G., Ode, P. J., Rendahl, A. K., Vet, L. E. M., Whitfield, J. B., Heimpel, G. E. Experimental support for Multiple-locus complementary sex determination in the parasitoid Cotesia vestalis. Genética. 180 (3), 1525-1535 (2008).
  13. Paladino, L. C., et al. Complementary sex determination in the parasitic wasp Diachasmimorpha longicaudata. PLoS ONE. 10 (3), (2015).
  14. Kobayashi, K., Hasegawa, E., Ohkawara, K. No gene flow between wing forms and clonal reproduction by males in the long-winged form of the ant Vollenhovia emeryi. Insectes Sociaux. 58 (2), 163-168 (2011).
  15. Cowan, D. P., Stahlhut, J. K. Functionally reproductive diploid and haploid males in an inbreeding hymenopteran with complementary sex determination. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (28), 10374-10379 (2004).
  16. Armitage, S., Boomsma, J., Baer, B. Diploid male production in a leaf-cutting ant. Ecological Entomology. 35 (2), 175-182 (2010).
  17. Krieger, M. J. B., Ross, K. G., Chang, C. W. Y., Keller, L. Frequency and origin of triploidy in the fire ant Solenopsis invicta. Heredity. 82, 142-150 (1999).
  18. Seeley, T. D., Mikheyev, A. S. Reproductive decisions by honey bee colonies: Tuning investment in male production in relation to success in energy acquisition. Insectes Sociaux. 50 (2), 134-138 (2003).
  19. Hölldobler, B., Wilson, E. O. . The Ants. , (1990).
  20. da Souza, D. J., Marques Ramos Ribeiro, M., Mello, A., Lino-Neto, J., Cotta Dângelo, R. A., Della Lucia, T. M. C. A laboratory observation of nuptial flight and mating behaviour of the parasite ant Acromyrmex ameliae (Hymenoptera: Formicidae). Italian Journal of Zoology. 78 (3), 405-408 (2011).
  21. Woyke, J. What happens to diploid drone larvae in a honeybee colony. Journal of Apicultural Research. 2 (2), 73-75 (1963).
  22. Schmidt, A. M., Linksvayer, T. A., Boomsma, J. J., Pedersen, J. S. No benefit in diversity? The effect of genetic variation on survival and disease resistance in a polygynous social insect. Ecological Entomology. 36 (6), 751-759 (2011).
  23. Schrempf, a., Aron, S., Heinze, J. Sex determination and inbreeding depression in an ant with regular sib-mating. Heredity. 97 (1), 75-80 (2006).

Play Video

Citar este artigo
Miyakawa, M. O., Miyakawa, H. Induction and Evaluation of Inbreeding Crosses Using the Ant, Vollenhovia Emeryi. J. Vis. Exp. (140), e58521, doi:10.3791/58521 (2018).

View Video