Détermination des limites thermiques pour le zooplancton à l’aide d’un bloc thermique
Summary
Le présent protocole illustre l’utilisation de composants disponibles dans le commerce pour générer un gradient thermique stable et linéaire. Un tel gradient peut ensuite être utilisé pour déterminer la limite thermique supérieure des organismes planctoniques, en particulier des larves d’invertébrés.
Abstract
Les limites thermiques et la largeur ont été largement utilisées pour prédire la répartition des espèces. Alors que la température mondiale continue d’augmenter, il est essentiel de comprendre comment la limite thermique change avec l’acclimatation et comment elle varie entre les stades de vie et les populations pour déterminer la vulnérabilité des espèces au réchauffement futur. La plupart des organismes marins ont des cycles de vie complexes qui comprennent les premiers stades planctoniques. Bien que la quantification de la limite thermique de ces petits stades de développement précoces (des dizaines à des centaines de microns) aide à identifier les goulots d’étranglement du développement, ce processus peut être difficile en raison de la petite taille des organismes cibles, de l’espace de banc et du coût de fabrication initial élevé. Ici, une configuration orientée vers de petits volumes (mL à des dizaines de mL) est présentée. Cette configuration combine des composants disponibles dans le commerce pour générer un gradient thermique stable et linéaire. Les spécifications de production de l’installation, ainsi que les procédures pour introduire et dénombrer les individus vivants par rapport aux individus morts et calculer la température létale, sont également présentées.
Introduction
La tolérance thermique est essentielle à la survie et au fonctionnement des organismes 1,2. Alors que la planète continue de se réchauffer en raison des émissions anthropiques de carbone, une attention croissante est accordée à la détermination et à l’application des limites thermiques3. Divers paramètres, tels que la mortalité, l’incapacité à se développer et la perte de mobilité, ont été utilisés pour déterminer les limites thermiques supérieure et inférieure4. Ces limites thermiques sont souvent considérées comme un indicateur de la niche thermique d’un organisme. Ces informations sont à leur tour utilisées pour identifier les espèces les plus vulnérables au réchauffement climatique, ainsi que pour prédire la répartition future des espèces et les interactions entre espèces qui en résultent 3,5,6,7. Cependant, la détermination des limites thermiques, en particulier pour les petits organismes planctoniques, peut être difficile.
Pour les organismes planctoniques, en particulier les stades larvaires des invertébrés marins, la limite thermique peut être déterminée par exposition chronique. L’exposition chronique est obtenue en élevant les larves à plusieurs températures pendant des jours ou des semaines et en déterminant la température à laquelle la survie des larves et/ou le taux de développement réduit 8,9,10. Cependant, cette approche prend beaucoup de temps et nécessite de grands incubateurs et de l’expérience dans l’élevage larvaire (voir la référence11 pour une bonne introduction à l’élevage de larves d’invertébrés marins).
Alternativement, l’exposition aiguë au stress thermique peut être utilisée pour déterminer les limites thermiques. Souvent, cette approche de détermination consiste à placer de petits flacons contenant des larves dans des bains secs à température contrôlée 12,13,14, à tirer parti des fonctions de gradient thermique dans les thermocycleurs PCR 15,16, ou à placer des flacons en verre / tubes microcentrifugeuses le long d’un gradient thermique généré par le chauffage et le refroidissement appliqués aux extrémités de grands blocs d’aluminium percés de trous dans lesquels les flacons s’adaptent parfaitement 17, 18,19. Les bains secs typiques génèrent une température unique; Par conséquent, plusieurs unités doivent être exploitées simultanément pour évaluer les performances dans une gamme de températures. Les thermocycleurs génèrent un gradient mais ne s’adaptent qu’à un petit volume d’échantillon (120 μL) et nécessitent des manipulations minutieuses. Semblables aux thermocycleurs, les gros blocs d’aluminium créent des gradients de température linéaires et stables. Les deux approches peuvent être couplées à une régression logistique ou probit pour calculer la température létale pour 50% de la population (LT50)12,20,21. Cependant, les blocs d’aluminium utilisés mesuraient ~100 cm de long; Cette taille nécessite un grand espace de laboratoire et l’accès à des fraiseuses spécialisées à commande numérique par ordinateur pour percer les trous. Avec l’utilisation de deux bains d’eau de qualité recherche pour maintenir la température cible, le coût financier de l’assemblage de l’installation est élevé.
Par conséquent, ce travail vise à développer un moyen alternatif de générer un gradient de température stable et linéaire avec des pièces disponibles dans le commerce. Un tel produit doit avoir un faible encombrement et devrait pouvoir être facilement utilisé pour des expériences d’exposition à des contraintes thermiques aiguës pour les organismes planctoniques. Ce protocole est développé avec du zooplancton d’une taille de <1 mm en tant qu’organismes cibles, et il a donc été optimisé pour l’utilisation d’un tube microcentrifuge de 1,5 ou 2 mL. Les organismes de plus grande taille nécessiteront des contenants plus grands que les tubes de microcentrifugation de 1,5 mL utilisés et des trous agrandis dans les blocs d’aluminium.
En plus de rendre l’appareil expérimental plus accessible, ce travail vise à simplifier le pipeline de traitement des données. Bien que les logiciels statistiques commerciaux fournissent des routines pour calculer LT50 en utilisant la régression logistique ou probit, le coût de licence n’est pas négligeable. Par conséquent, un script facile à utiliser qui repose sur le programme statistique open source R22 rendrait l’analyse des données plus accessible.
Ce protocole montre comment un bloc thermique compact peut être fabriqué avec des pièces disponibles dans le commerce et être appliqué à l’exposition du zooplancton (larves du Dendraster excentricus à un dollar des sables) à un stress thermique aigu pour déterminer leur limite thermique supérieure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole fournit une approche accessible et personnalisable pour déterminer les limites thermiques des petits organismes planctoniques lors d’une exposition thermique aiguë. La conception à 10 trous et les paramètres de température flexibles, contrôlés par le bain-marie à l’extrémité inférieure et le chauffage à l’extrémité supérieure, permettent de déterminer LT50 avec précision. En utilisant cette approche, une différence dans la limite thermique de <1 °C a pu être détectée (<…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est soutenu par le Faculty Research Fund du Swarthmore College [KC] et la bourse de recherche d’été Robert Reynolds et Lucinda Lewis ’70 pour BJ.
Materials
| 0.45 µm membrane filter | VWR | 74300-042 | |
| ½” Acrylic sheet | McMaster-Carr | 8560K266 | Used to construct a ridged case with sufficient insulation. |
| 1 mL syringe | VWR | 76290-420 | |
| 2 Channel 7 Thermocouple Types Datalogger | Omega Engineering | HH506A | Can be replaced with any thermometer that will fit inside a microcentrifuge tube |
| Automatic pipette | Ranin | ||
| Bolt- and Clamp-Mount Strip Heater with 430 Stainless Steel Sheath, 120V AC, 1-1/2" Wide, 100W |
McMaster-Carr | 3619K32 | |
| Crystal Sea Bioassay Mix | Pentair | CM2B | Use to make aritifical seawater |
| Denraster excentricus | M-Rep | Sand dollars from California | |
| Dissecting microscope | Nikon | SMZ645 | |
| DIYhz Aluminum Water Cooling Block, Liquid Water Cooler Heat Sink System for PC Computer CPU Graphics Radiator Heatsink Endothermic Head Silver(40 mm x 120 mm x 12 mm) | Amazon | Connects to water bath and used to cool one end of the block. | |
| Easy-to-Machine MIC6 Cast Aluminum Sheet 2" thick 8" x 8" | McMaster-Carr | 86825K953 | Machined to 2" x 6" x 8" with 60 equally spaced holes (11 mm dia., 42 mm depth) with two addition holes drilled in one side for thermostat probes. |
| Economical Flexible Polyethylene Foam Pipe Insulation | McMaster-Carr | 4530K121 | Covers the plastic tubing between chiller and block to reduce heat loss. Can be omitted if temperature range is close to room temperature |
| EVERSECU 72w 110-240v Aquarium Water Chiller Warmer/Cooler Temperature Controller for Fish Shrimp Tank Marine Coral Reef Tank Below 20 L/30 L Aquarium Chiller | Amazon | Can be used in place of the lab-grade water bath | |
| Example with larval sand dollar | |||
| GENNEL 100 g Silver Silicone Thermal Conductive Compound Grease Paste For GPU CPU IC LED Ovens Cooling | Amazon | Improves the thermal conductance between the block and the heating and cooling elements. | |
| Inkbird WiFi Reptile Thermostat Temperature Controller with 2 Probes and 2 Outlets, IPT-2CH Reptiles Heat Mat Thermostat (Max 250 W per Outlet) | Amazon | Monitors hot and cold ends. Maintains hot end in range | |
| Lauda Ecoline Silver Air-Cooled Refrigerated Circulators | VWR | 89202-386 | Can be replaced with an aquarium chiller |
| Microcentrifuge Tubes | VWR | 76019-014 | If larger animals are used, scanilation vials (VWR 66022-004) is a good alternative |
| Nitex mesh filter | Self made | Used hot glue to attached Nitex mesh to 1/2" PVC tubing | |
| Pasteur pipette | VWR | 14673-010 | |
| Potassium Chloride (0.35 M) | Millpore-Sigma | P3911-500G | |
| R statistical software. | The R Project for Statistical Computing | ||
| Syringe needle | VWR | 89219-346 | Depending on size of target organism gague 14 and 16 can be used |
| Tygon Tubing | McMaster-Carr | 5233K65 | Adjust to match the chiller and block used |
| Zoo Med Repti Temp Rheostat | Chewy.com | Rated to 150 W and rewired to feed directly into the heating element. Used to control rate of heat output |
Referências
- Dowd, W. W., King, F. A., Denny, M. W. Thermal variation, thermal extremes and the physiological performance of individuals. Journal of Experimental Biology. 218 (12), 1956-1967 (2015).
- García, F. C., Bestion, E., Warfield, R., Yvon-Durocher, G. Changes in temperature alter the relationship between biodiversity and ecosystem functioning. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (43), 10989-10994 (2018).
- Sinclair, B. J., et al. Can we predict ectotherm responses to climate change using thermal performance curves and body temperatures. Ecology Letters. 19 (11), 1372-1385 (2016).
- Lutterschmidt, W. I., Hutchison, V. H. The critical thermal maximum: history and critique. Canadian Journal of Zoology. 75 (10), 1561-1574 (1997).
- Bennett, J. M., et al. The evolution of critical thermal limits of life on Earth. Nature Communications. 12 (1), 1198 (2021).
- Sunday, J. M., Bates, A. E., Dulvy, N. K. Thermal tolerance and the global redistribution of animals. Nature Climate Change. 2 (9), 686-690 (2012).
- Deutsch, C. A., et al. Impacts of climate warming on terrestrial ectotherms across latitude. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (18), 6668-6672 (2008).
- Collin, R., Chan, K. Y. K. The sea urchin Lytechinus variegatus lives close to the upper thermal limit for early development in a tropical lagoon. Ecology and Evolution. 6 (16), 5623-5634 (2016).
- Wang, W., Ding, M. -. w., Li, X. -. x., Wang, J., Dong, Y. -. w. Divergent thermal sensitivities among different life stages of the pulmonate limpet Siphonaria japonica. Marine Biology. 164 (6), 1-10 (2017).
- Mak, K. K. -. Y., Chan, K. Y. K. Interactive effects of temperature and salinity on early life stages of the sea urchin Heliocidaris crassispina. Marine Biology. 165 (3), 1-11 (2018).
- Strathmann, R. R. Culturing larva of marine invertebrates. Developmental Biology of the Sea Urchin and Other Marine Invertebrates. , 1-25 (2014).
- Stillman, J. H., Somero, G. N. A comparative analysis of the upper thermal tolerance limits of Eastern Pacific porcelain crabs, Genus Petrolisthes: Influences of latitude, vertical Zonation, acclimation, and phylogeny. Physiological and Biochemical Zoology. 73 (2), 200-208 (2000).
- Sasaki, M. C., Dam, H. G. Integrating patterns of thermal tolerance and phenotypic plasticity with population genetics to improve understanding of vulnerability to warming in a widespread copepod. Global Change Biology. 25 (12), 4147-4164 (2019).
- Sasaki, M. C., Dam, H. G. Genetic differentiation underlies seasonal variation in thermal tolerance, body size, and plasticity in a short-lived copepod. Ecology and Evolution. 10 (21), 12200-12210 (2020).
- Kelly, M. W., Sanford, E., Grosberg, R. K. Limited potential for adaptation to climate change in a broadly distributed marine crustacean. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 279 (1727), 349-356 (2012).
- Rivera, H. E., Chen, C. -. Y., Gibson, M. C., Tarrant, A. M. Plasticity in parental effects confers rapid larval thermal tolerance in the estuarine anemone Nematostella vectensis. Journal of Experimental Biology. 224 (5), 236745 (2021).
- Sewell, M. A., Young, C. M. Temperature limits to fertilization and early development in the tropical sea urchin Echinometra lucunter. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 236 (2), 291-305 (1999).
- Walther, K., Crickenberger, S. E., Marchant, S., Marko, P. B., Moran, A. L. Thermal tolerance of larvae of Pollicipes elegans, a marine species with an antitropical distribution. Marine Biology. 160 (10), 2723-2732 (2013).
- Byrne, M., Gall, M. L., Campbell, H., Lamare, M. D., Holmes, S. P. Staying in place and moving in space: contrasting larval thermal sensitivity explains distributional changes of sympatric sea urchin species to habitat warming. Global Change Biology. 28 (9), 3040-3053 (2022).
- Zippay, M. L., Hofmann, G. E. Physiological tolerances across latitudes: thermal sensitivity of larval marine snails (Nucella spp). Marine Biology. 157 (4), 707-714 (2010).
- Collin, R., Rebolledo, A. P., Smith, E., Chan, K. Y. K. Thermal tolerance of early development predicts the realized thermal niche in marine ectotherms. Functional Ecology. 35 (8), 1679-1692 (2021).
- R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. , (2021).
- Venables, W. N., Ripley, B. D. . Modern Applied Statistics with S-PLUS. Fourth edn. , (2002).
- Fumo, J. T., et al. Contextualizing marine heatwaves in the southern California bight under anthropogenic climate change. Journal of Geophysical Research: Oceans. 125 (5), (2020).
- Wheeler, M. W., Park, R. M., Bailer, A. J. Comparing median lethal concentration values using confidence interval overlap or ratio tests. Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal. 25 (5), 1441-1444 (2006).
- Kingsolver, J. G., MacLean, H. J., Goddin, S. B., Augustine, K. E. Plasticity of upper thermal limits to acute and chronic temperature variation in Manduca sexta larvae. Journal of Experimental Biology. 219 (9), 1290-1294 (2016).
- Kuo, E. S. L., Sanford, E. Geographic variation in the upper thermal limits of an intertidal snail: implications for climate envelope models. Marine Ecology Progress Series. 388, 137-146 (2009).
- Hammond, L. M., Hofmann, G. E. Thermal tolerance of Strongylocentrotus purpuratus early life history stages: mortality, stress-induced gene expression and biogeographic patterns. Marine biology. 157 (12), 2677-2687 (2010).
- Sasaki, M., Dam, H. G. Global patterns in copepod thermal tolerance. Journal of Plankton Research. 43 (4), 598-609 (2021).
