JoVE Journal > Genetics
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Genetics

قياس التصبغ البطن في<em> ذبابة الفاكهة ميلانوغاستر</em

Published: June 01, 2017
doi:
10.3791/55732
,
1Department of Biology,Lake Forest College

Summary

يقدم هذا العمل طريقة لقياس بسرعة وبدقة تحديد تصبغ البطن من ميلانوغاستر ذبابة الفاكهة باستخدام تحليل الصورة الرقمية. هذا الأسلوب يبسط الإجراءات بين اكتساب النمط الظاهري وتحليل البيانات ويشمل عينة تصاعد، والحصول على الصور، واستخراج قيمة بكسل، وقياس سمة.

Abstract

التصبغ هو سمة مورفولوجيا بسيطة ولكنها متغيرة للغاية والتي غالبا ما يكون لها أهمية تكيفية. وقد خدم على نطاق واسع كنموذج لفهم تطور وتطور المظاهر المورفولوجية. كان تصبغ البطن في ذبابة الفاكهة ميلانوغاستر مفيدة بشكل خاص، مما يسمح للباحثين لتحديد موقع التي تكمن وراء الاختلافات بين وداخل الاختلافات في التشكل. حتى الآن، ومع ذلك، D. ميلانوغاستر تصبغ البطن قد تم تقييمه إلى حد كبير نوعيا، من خلال التهديف، وليس كميا، مما يحد من أشكال التحليل الإحصائي التي يمكن تطبيقها على بيانات التصبغ. يصف هذا العمل منهجية جديدة تسمح لكمية من جوانب مختلفة من نمط تصبغ البطن من الكبار D. ميلانوغاستر . ويتضمن البروتوكول تصاعد العينة، التقاط الصور، استخراج البيانات، والتحليل. جميع البرامج المستخدمة لالتقاط الصور وتحليلها وحدات الماكرومكتوبة لتحليل الصور مفتوحة المصدر. ميزة هذا النهج هو القدرة على قياس بدقة الصباغ تصبغ باستخدام منهجية التي يمكن استنساخه للغاية عبر أنظمة التصوير المختلفة. في حين تم استخدام هذه التقنية لقياس الاختلاف في أنماط تصبغ تيرغال للكبار D. ميلانوغاستر ، منهجية مرنة وقابلة للتطبيق على نطاق واسع في أنماط تصبغ في عدد لا يحصى من الكائنات الحية المختلفة.

Introduction

ويظهر التصبغ تباين ظاهري هائل بين الأنواع، والسكان، والأفراد، وحتى داخل الأفراد خلال أونتوجيني 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 . على الرغم من أن هناك دراسات لا تعد ولا تحصى من تصبغ في مجموعة واسعة من الحيوانات، وربما كان أفضل تصبغ في ذبابة الفاكهة ميلانوغاستر ، حيث تم استخدام القوة الكاملة للعلم الوراثي الجزيئي لتوضيح الآليات التنموية والفسيولوجية التي تنظم تصبغ وكيف تتطور هذه الآليات 1 ، 6 . ومن المعروف الكثير عن الجينات التي تنظم التركيب الكيميائي الحيوي للأصباغ في D. ميلانوغاستر 7 ، 8 والجينات التي تتحكم في الزمانية والمكانية ديستريبوتيون أوف ذي بيوسينثيسيس 9 ، 10 ، 11 ، 12 ، 13 . وعلاوة على ذلك، وقد رسم الخرائط الجينية تحديد الموقع الجيني الكامنة وراء الاختلافات داخل والتداخل في تصبغ في D. ميلانوغاستر 14 ، 15 ، 16 ، 17 . وقد تم أيضا استكشاف العلاقات بين تصبغ و سمات متعددة المظاهر، مثل السلوك 18 و 19 والحصانة 19 و 20 ، وكذلك أهمية التكيف من أنماط تصبغ 15 ، 21 ، 22 . على هذا النحو، وقد ظهرت تصبغ في D. ميلانوغاستر باعتبارها قوية لكنها بسيطة مأوديل لتطوير وتطور الظواهر المعقدة.

التصبغ في البالغين D. ميلانوغاستر يتميز أنماط متميزة من ميلانيزاتيون في جميع أنحاء الجسم، وخاصة على الأجنحة والصدر الظهرية والبطن. هذا هو تصبغ كل لوحة جراحية (تيرجيت) على البطن الظهرية، ومع ذلك، التي تلقت معظم الاهتمام البحثي. هناك تباين كبير في هذا التصبغ ( الشكل 1A -F )، وذلك بسبب كل من 17 و 23 وراثية 24 و 25 العوامل الوراثية. يتكون بشرة ترجيت البطن تتكون من المقصورات التنموية الأمامية والخلفية ( الشكل 1G )، كل منها يمكن تقسيمها أكثر اعتمادا اعتمادا على تصبغ والزخرفة 26 . يتضمن المقصورة الأمامية ستة بشرةأنواع (a1-a6)، وتشمل المقصورة الخلفية ثلاثة (p1-p3) ( الشكل 1G ). من هذه، p1، p2، ​​a1 بشرة وعادة ما تطوى تحت تيرجيت في الامم المتحدة– امتدت البطن بحيث تكون مخفية. وتتميز بشرة مرئية موثوق بها من قبل مجموعة من التصبغ الثقيل، ويشار إليها هنا باسم "الفرقة الصباغ"، تتألف من أنواع بشرة a4 (شعر مع شعيرات معتدلة) و a5 (شعر مع شعيرات كبيرة)، مع الحافة الخلفية من الفرقة أكثر مصطبغة بشكل مكثف من الحافة الأمامية ( الشكل 1G ). الأمامي إلى هذا النطاق هو منطقة من بشرة مصطبغة بخفة، والتي لديها شعيرات الخلفي (a3) ​​ولكن ليس الأمامي (a2). ويلاحظ التباين في تصبغ بين الذباب في كل من كثافة التصبغ وفي عرض الفرقة الصباغ. بشكل عام، والتباين هو الأكبر في الجزء الخلفي الخلفي (شرائح البطن 5 و 6 و 7)، وأقل في الأجزاء الأمامية أكثر (البطن البطنالبندان 3 و 4) 24 . وعلاوة على ذلك، هناك ديمورفيسم الجنسي في D. ميلانوغاستر تصبغ، مع الذكور عموما مصطبغة كليا الخامس والسادس تيرجيتس البطن ( الشكل 4C ).

في معظم دراسات تصبغ البطن في D. ميلانوغاستر ، تم التعامل مع التصبغ كصفية أو سمة ترتيبية، مع نمط قياس نوعيا 27 ، 28 ، 29 أو شبه كميا على مقياس 14 ، 15 ، 16 ، 17 ، 24 ، 30 ، 31 ، 32 ، 33 ، 34 ، 35، 36 ، 37 . هذه الطرق لا محالة تعاني من نقص في الدقة، ولأنها تعتمد على التقييم الذاتي للتصبغ، فمن الصعب مقارنة البيانات عبر الدراسات. وقد قيم العديد من المؤلفين الأبعاد المكانية لتصبغ 38 ، 39 ، وشدة تصبغ نوع بشرة معينة 23 ، 25 ، 39 ، 40 ، أو متوسط ​​شدة تصبغ عبر تيرجيت البطن ككل 41 ، 42 ، 43 . ومع ذلك، فإن هذه الطرق الكمية لا تقيس كل من كثافة والتوزيع المكاني لتصبغ البطن في وقت واحد، وبالتالي لا التقاط الفروق الدقيقة في كيفية تصبغ يختلف عبر عبدالترجيت الأميني. وعلاوة على ذلك، العديد من هذه الطرق الكمية 38 ، 41 ، 42 ، 43 تتطلب تشريح وتركيب بشرة في البطن. هذا على حد سواء مضيعة للوقت ويدمر العينة، مما يجعلها غير متوفرة للتحليلات المورفولوجية إضافية. كما أن فهم تطور وتطور تصبغ البطن يعمق، وسوف تكون هناك حاجة إلى أدوات أكثر تطورا لقياس بسرعة وبدقة كل من التوزيع المكاني وكثافة التصبغ.

الهدف العام من هذه الطريقة هو الاستفادة من تحليل الصور الرقمية للحصول على مقياس قابل للتكرار وأكثر دقة لتصبغ البطن في D. ميلانوغاستر . وتشمل المنهجية ثلاث مراحل. أولا، ذبابة الكبار هو غير مدمرة شنت، ويتم أخذ صورة رقمية للبطن الظهرية. ثانيا، باستخدام ماكرو إيماجيج، المستخدمويحدد الشريط الأمامي الخلفي من بكسل يمتد من الأمامي من بشرة a2 إلى الخلفي من بشرة a5 (المربع الأخضر، الشكل 1G ) على كل من شرائح البطن الثالث والرابع. ثم يتم استخراج متوسط ​​قيمة بكسل عبر عرض هذا الشريط على طول محورها الطويل، وتوليد ملف تعريف الذي يلتقط التوزيع المكاني وكثافة التصبغ لأنها تتغير من الأمامي إلى الخلفي من الترجيت. ثالثا، يستخدم النص البرمجي R لوصف التشكيل الجانبي رياضيا باستخدام خط مكعب. ثم يستخدم النصي R الخيط ومشتقاته الأولى والثانية لاستخراج عرض بشرة a2-a5، وعرض الفرقة الصباغ، والحد الأقصى ومستويات الحد الأدنى من تصبغ. وبالتالي فإن الطريقة تحدد كل من الخصائص المكانية وعمق تصبغ البطن.

هذه المنهجية كميا تصبغ من تيرجيتس البطن الثالث والرابع،والتي كانت محور العديد من الدراسات السابقة 1 ، 15 ، 23 ، 24 ، 25 ، 28 ، 33 ، 39 ، 42 ، إما حصريا أو بالاقتران مع تارجيتس الخلفي أكثر. على الرغم من أن أقل تغيرا من تارجيتس الخامس والسادس في البطن، و تيرجيتس الثالث والرابع ليست مصطبغة تماما في الذكور، لذلك هذا البروتوكول يمكن تطبيقها على كل من الذكور والإناث. ومع ذلك، كما هو مبين هنا، يمكن استخدام بروتوكول لقياس التصبغ في تارجيتس البطن الخامس والسادس في الإناث. وعلاوة على ذلك، فإن التعديلات الطفيفة للنصوص المستخدمة لاستخلاص خصائص المظهر الجانبي للصبغ ينبغي أن تسمح باستخدام الطريقة لتحديد التغير في التصبغ في مجموعة واسعة من الأنواع الأخرىالكائنات الحية.

Protocol

1. تركيب العينة ملاحظة: تخزين الذباب الميت في الايثانول 70٪ في الماء قبل التصوير. صب 10 مل من أجار 1.25٪ المذاب في الماء المغلي في 60 مم × 15 ملم طبق بتري والسماح لها لتعيين. <li style=";text-align…

Representative Results

تم استخدام البروتوكول لاستكشاف تأثير تربية درجات الحرارة على تصبغ البطن. وقد أظهرت الدراسات السابقة أن زيادة في درجة الحرارة التنموية النتائج في انخفاض في انتشار تصبغ البطن في عدة أنواع من ذبابة الفاكهة ، بما في ذلك D. ميلانوغاستر <sup class="xre…

Discussion

وتسمح هذه المنهجية بالاكتساب الدقيق والسريع والمتكرر لبيانات التصبغ في شكل كمي مناسب للتحليلات المتعددة للمصب. وقد استخدمت هذه الطريقة للحصول على بيانات عن تأثير درجة الحرارة على تصبغ البطن في خط إيزوجينيك من الذباب. ومع ذلك، يمكن استخدام المنهجية في الدراسات الور?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وقد تم تمويل هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية المنح يوس-1256565 و يوس-1557638 إلى أوس. نشكر باتريشيا ويتكوب وثلاثة مراجعين مجهولين لتعليقاتهم المفيدة على نسخة سابقة من هذه الورقة.

Materials

Dumont #5 Biology Forceps FST 11252-30
Agar Sigma-Aldrich 5040
Dissecting Scope Leica MZ16FA
Base Leica MDG41
Camera Leica DFC280
Gooseneck Cold Light Source Schott ACE 1
Image Acquisition Control Software Micro-Manager v1.3.20 https://micro-manager.org/
Image Analysis Software ImageJ https://imagej.nih.gov/ij/
Data Analysis Software R 3.3.2 https://www.r-project.org/
LED Thor Labs LEDWE-15
Multimeter Fluke Fluke 75 Series II
60 x 15 mm Petri dish Celltreat Scientific Products 229663
Stage micrometer Klarman Rulings, Inc. KR-867
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wittkopp, P. J., Beldade, P. Development and evolution of insect pigmentation: Genetic mechanisms and the potential consequences of pleiotropy. Semin. Cell Dev. Biol. 20 (1), 65-71 (2009).
  2. Lindgren, J. Interpreting melanin-based coloration through deep time: a critical review. Proc Roy Soc B-Biol Sci. 282 (1813), (2015).
  3. Kronforst, M. R., Papa, R. The Functional Basis of Wing Patterning in Heliconius Butterflies: The Molecules Behind Mimicry. Genetics. 200 (1), 1-19 (2015).
  4. Albert, N. W., Davies, K. M., Schwinn, K. E. Gene regulation networks generate diverse pigmentation patterns in plants. Plant Signal Behav. 9, e29526 (2014).
  5. Monteiro, A. Origin, development, and evolution of butterfly eyespots. Annu Rev Entomol. 60, 253-271 (2015).
  6. Kronforst, M. R. Unraveling the thread of nature’s tapestry: the genetics of diversity and convergence in animal pigmentation. Pigm Cell Melanoma Res. 25 (4), 411-433 (2012).
  7. Wright, T. R. The genetics of biogenic amine metabolism, sclerotization, and melanization in Drosophila melanogaster. Adv Genet. 24, 127-222 (1987).
  8. True, J. R. Insect melanism: the molecules matter. TREE. 18 (12), 640-647 (2003).
  9. Kopp, A., Duncan, I. Control of cell fate and polarity in the adult abdominal segments of Drosophila by optomotor-blind. Development. 124 (19), 3715-3726 (1997).
  10. Kopp, A., Muskavitch, M. A., Duncan, I. The roles of hedgehog and engrailed in patterning adult abdominal segments of Drosophila. Development. 124 (19), 3703-3714 (1997).
  11. Kopp, A., Blackman, R. K., Duncan, I. Wingless, decapentaplegic and EGF receptor signaling pathways interact to specify dorso-ventral pattern in the adult abdomen of Drosophila. Development. 126 (16), 3495-3507 (1999).
  12. Kopp, A., Duncan, I., Godt, D., Carroll, S. B. Genetic control and evolution of sexually dimorphic characters in Drosophila. Nature. 408 (6812), 553-559 (2000).
  13. Williams, T. M. The regulation and evolution of a genetic switch controlling sexually dimorphic traits in Drosophila. Cell. 134 (4), 610-623 (2008).
  14. Wittkopp, P. J., Williams, B. L., Selegue, J. E., Carroll, S. B. Drosophila pigmentation evolution: divergent genotypes underlying convergent phenotypes. Proc Natl Acad Sci Usa. 100 (4), 1808-1813 (2003).
  15. Brisson, J. A., De Toni, D. C., Duncan, I., Templeton, A. R. Abdominal pigmentation variation in drosophila polymorpha: geographic variation in the trait, and underlying phylogeography. Evolution. 59 (5), 1046-1059 (2005).
  16. Brisson, J. A., Templeton, A. R., Duncan, I. Population genetics of the developmental gene optomotor-blind (omb) in Drosophila polymorpha: evidence for a role in abdominal pigmentation variation. Genetics. 168 (4), 1999-2010 (2004).
  17. Dembeck, L. M. Genetic Architecture of Abdominal Pigmentation in Drosophila melanogaster. PLoS Genet. 11 (5), e1005163 (2015).
  18. Drapeau, M. D., Radovic, A., Wittkopp, P. J., Long, A. D. A gene necessary for normal male courtship, yellow, acts downstream of fruitless in the Drosophila melanogaster larval brain. J Neurobiol. 55 (1), 53-72 (2003).
  19. Hodgetts, R. B., O’Keefe, S. L. Dopa decarboxylase: a model gene-enzyme system for studying development, behavior, and systematics. Annu Rev Entomol. 51, 259-284 (2006).
  20. Marmaras, V. J., Charalambidis, N. D., Zervas, C. G. Immune response in insects: the role of phenoloxidase in defense reactions in relation to melanization and sclerotization. Arch Insect Biochem Physiol. 31 (2), 119-133 (1996).
  21. Kalmus, H. The Resistance to Desiccation of Drosophila Mutants Affecting Body Colour. Proc Roy Soc London B. 130 (859), 185-201 (1941).
  22. Rajpurohit, S., Gibbs, A. G. Selection for abdominal tergite pigmentation and correlated responses in the trident: a case study in Drosophila melanogaster. Biol J Linn Soc. 106 (2), 287-294 (2012).
  23. Pool, J. E., Aquadro, C. F. The genetic basis of adaptive pigmentation variation in Drosophila melanogaster. Mol Ecol. 16 (14), 2844-2851 (2007).
  24. Gibert, P., Moreteau, B., David, J. R. Developmental constraints on an adaptive plasticity: reaction norms of pigmentation in adult segments of Drosophila melanogaster. Evol Dev. 2 (5), 249-260 (2000).
  25. Shakhmantsir, I., Massad, N. L., Kennell, J. A. Regulation of cuticle pigmentation in drosophila by the nutrient sensing insulin and TOR signaling pathways. Dev Dyn. 243 (3), 393-401 (2014).
  26. Struhl, G., Barbash, D. A., Lawrence, P. A. Hedgehog organises the pattern and polarity of epidermal cells in the Drosophila abdomen. Development. 124 (11), 2143-2154 (1997).
  27. Jeong, S., Rokas, A., Carroll, S. B. Regulation of body pigmentation by the Abdominal-B Hox protein and its gain and loss in Drosophila evolution. Cell. 125 (7), 1387-1399 (2006).
  28. Wittkopp, P. J., True, J. R., Carroll, S. B. Reciprocal functions of the Drosophila yellow and ebony proteins in the development and evolution of pigment patterns. Development. 129 (8), 1849-1858 (2002).
  29. True, J. R. Drosophila tan encodes a novel hydrolase required in pigmentation and vision. PLoS Genet. 1 (5), e63 (2005).
  30. David, J. R., Capy, P., Gauthier, J. P. Abdominal pigmentation and growth temperature in Drosophila melanogaster: Similarities and differences in the norms of reaction of successive segments. J Evol Biol. 3 (5-6), (1990).
  31. Gibert, J. M., Peronnet, F., Schlotterer, C. Phenotypic plasticity in Drosophila pigmentation caused by temperature sensitivity of a chromatin regulator network . PLoS Genet. 3 (2), e30 (2007).
  32. Gibert, P., Moreteau, B., Scheiner, S. M. Phenotypic plasticity of body pigmentation in Drosophila: correlated variations between segments. Genet Sel Evol. 30 (2), 181 (1998).
  33. Matute, D. R., Harris, A. The influence of abdominal pigmentation on desiccation and ultraviolet resistance in two species of Drosophila. Evolution. 67 (8), 2451-2460 (2013).
  34. Das, A., Mohanty, S., Parida, B. Abdominal pigmentation and growth temperature in Indian Drosophila melanogaster: Evidence for genotype-environment interaction. J Biosci. 19 (2), 267-275 (1994).
  35. Hollocher, H., Hatcher, J. L., Dyreson, E. G. Evolution of abdominal pigmentation differences across species in the Drosophila dunni subgroup. Evolution. 54 (6), 2046-2056 (2000).
  36. Gibert, P., Moreteau, B., David, J. R. Phenotypic plasticity of body pigmentation in Drosophila melanogaster: genetic repeatability of quantitative parameters in two successive generations. Heredity. 92 (6), 499-507 (2004).
  37. Carbone, M. A., Llopart, A., deAngelis, M., Coyne, J. A., Mackay, T. F. Quantitative trait loci affecting the difference in pigmentation between Drosophila yakuba and D. santomea. Genetics. 171, 211-225 (2005).
  38. Kopp, A., Graze, R. M., Xu, S., Carroll, S. B., Nuzhdin, S. V. Quantitative trait loci responsible for variation in sexually dimorphic traits in Drosophila melanogaster. Genetics. 163 (2), 771-787 (2003).
  39. Bastide, H., Yassin, A., Johanning, E. J., Pool, J. E. Pigmentation in Drosophila melanogaster reaches its maximum in Ethiopia and correlates most strongly with ultra-violet radiation in sub-Saharan Africa. BMC Evol Biol. 14, 179 (2014).
  40. Rebeiz, M., Pool, J. E., Kassner, V. A., Aquadro, C. F., Carroll, S. B. Stepwise modification of a modular enhancer underlies adaptation in a Drosophila population. Science. 326 (5960), 1663-1667 (2009).
  41. John, A. V., Sramkoski, L. L., Walker, E. A., Cooley, A. M., Wittkopp, P. J. Sensitivity of Allelic Divergence to Genomic Position: Lessons from the Drosophila tan Gene. G3. 6 (9), 2955-2962 (2016).
  42. Wittkopp, P. J. Local adaptation for body color in Drosophila americana. Heredity. 106 (4), 592-602 (2011).
  43. Wittkopp, P. J. Intraspecific polymorphism to interspecific divergence: genetics of pigmentation in Drosophila. Science. 326 (5952), 540-544 (2009).
  44. Edelstein, A. D. Advanced methods of microscope control using µManager software. Journal of Biological Methods. 1 (2), e10 (2014).
  45. . ImageJ v.1.50i Available from: https://imagej.nih.gov/ij/ (2016)
  46. Mims, F. M. How to Use LEDs to Detect Light. Make:. 36, 136-138 (2013).
  47. R: Language and Environment for Statistical Computing v.3.3.2. R Foundation for Statistical Computing Available from: https://www.r-project.org/ (2016)
  48. Bates, D., Machler, M., Bolker, B. M., Walker, S. C. Fitting Linear Mixed-Effects Models Using lme4. Journal of Statistical Software. 67 (1), 1-48 (2015).
  49. Shingleton, A. W., Estep, C. M., Driscoll, M. V., Dworkin, I. Many ways to be small: different environmental regulators of size generate distinct scaling relationships in Drosophila melanogaster. Proc Roy Soc Lond B Biol Sci. 276 (1667), 2625-2633 (2009).
  50. French, V., Feast, M., Partridge, L. Body size and cell size in Drosophila: the developmental response to temperature. J Insect Physiol. 44 (11), 1081-1089 (1998).
  51. Houle, D., Govindaraju, D. R., Omholt, S. Phenomics: the next challenge. Nat Rev Genet. 11 (12), 855-866 (2010).
  52. Kültz, D. New frontiers for organismal biology. BioSci. 63 (6), 464-471 (2013).

Tags

Keywords: Abdominal PigmentationDrosophila MelanogasterEvolutionary BiologyMorphological PhenotypesNon-destructive MeasurementPigmentation PatternsInsectsAnimal TaxaMounting PadAgar GelMicroscope ImagingDigital CameraImage Analysis SoftwareGrayscaleLight SourceStage MicrometerScale Calibration
check_url/55732?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Saleh Ziabari, O., Shingleton, A. W. Quantifying Abdominal Pigmentation in Drosophila melanogaster. J. Vis. Exp. (124), e55732, doi:10.3791/55732 (2017).
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