Floresan, sindirim böceklerde sıvı alımını yeteneklerini belirlemek için manyetik nano tanecikleri
Summary
Sıvı besleme böcekler dakika miktarlarda sıvı gözenekli yüzeyler elde etmek için yeteneği var. Bu iletişim kuralı doğrudan sıvılar gözenekli yüzeyler Floresan, manyetik nano tanecikleri ile besleme çözümleri kullanarak yemek böcek için yetenek belirlemek için bir yöntem açıklanır.
Abstract
Sıvı besleme böcekler havuzları, Filmler, ortamda mevcut olan veya küçük gözenekleri için sınırlı sıvılar, çeşitli yemek. Sıvı Alım çalışmaları mouthpart yapısı ve fonksiyonu ilişkileri değerlendirme gerektirir; Ancak, sıvı alımını mekanizmaları tarihsel olarak yapısal mimarisi, deneysel kanıtlar ile bazen refakatsiz gözlemleri değişkenden. Burada, kelebekler (Lepidoptera) ve az miktarda sıvı kullanarak sinekler (Diptera) ile sıvı alımını yeteneklerini değerlendirmek için bir roman yöntemi raporu. Böcekler belirli gözenek boyutları filtre kağıtları üzerinden Floresan, manyetik nano tanecikleri ile karışık bir % 20 Sükroz çözüm ile beslenir. Kırpma (sıvılar depolamak için kullanılan iç yapısı) böcek kaldırılır ve üzerinde confocal mikroskop yer. Bir mıknatıs böcekler sıvıları yemek mümkün olup olmadığını gösteren nano tanecikleri, varlığını belirlemek için ürün tarafından el salladı. Bu yöntem, Lepidoptera ve solucanlar arasında gözenekli yüzeyler arasında beslenirken paylaşılan potansiyel bir yaygın besleme mekanizması (kılcal eylem ve sıvı köprü oluşumu) ortaya çıkarmak için kullanılır. Buna ek olarak, bu yöntem mekanizmaları arasında sıvı besleme böcekler önemli hastalık iletim ve Biyomimetik ve nano veya mikro ölçekli kanalları dahil olabilecek diğer çalışmalarda da dahil olmak üzere çeşitli beslenme çalışmaları için kullanılabilir nerede sıvı taşıma doğrulama gerektirir.
Introduction
Birçok böcek ağız (proboscises) gruplarınız sıvılar üzerinde beslenmesi için uyarlanmış, meyve, çürüyen nektar gibi su akar (örneğin Diptera1, Lepidoptera2, Hymenoptera3), xylem (Hemiptera4), gözyaşları (Lepidoptera 5) ve kan (Phthiraptera6, sinek7, yani7, Hemiptera8, Lepidoptera9). Böcekler üzerinde sıvı besleme yeteneği ekosistem Sağlığı (örneğin tozlaşma10), hastalık iletim4,11, biodiversification2,12ve çalışmalar için uygundur yakınsak evrim13. Çeşitli gıda kaynaklarına rağmen bazı sıvı besleme böcekler arasında bir tema mikro veya nano boyutlu damlacıkları, sıvı Filmler veya gözenekli yüzeyler için sınırlı sıvı az miktarda elde etmek için yeteneğidir.
Böcekler (% 20 tüm hayvan türlerinin14,15) sıvı beslenme ve gıda kaynakları çeşitli üzerinde beslemek için yeteneklerini geniş çeşitliliği göz önüne alındığında, onların beslenme anlama davranışları ve sıvı alımını mekanizmaları çok alanda önemli. Böcek mouthpart işlevi, örneğin, biomimetic teknoloji, örneğin, küçük miktarlarda sıvı istihdam benzer yöntemlerle kazanılması gibi görevleri gerçekleştirebilirsiniz mikrosıvısal cihazlar gelişiminde bir rol oynamıştır böcekler tarafından16. Sıvı alımını mekanizmaları, ancak, çalışmalarda temel bir sorun sadece nasıl böcekler üzerinde sıvı besleme belirleme ama mekanizmasını destekler deneysel kanıt alınıyor. Sadece davranış kullanarak (örneğin, hortum12,17ile sondalama) beslenme için bir gösterge çünkü başarılı sıvı alımını onaylamak değil, ne de rota belirlemek için bir yol sağlamaz yetersiz olduğu gibi bu Onlar böcek geçerken sıvıları seyahat. Buna ek olarak, deneyler ile az miktarda sıvı daha iyi performans sıvı bir sınırlayıcı kaynak2,12nerede doğal beslenme senaryoları temsil eder.
Faz kontrast görüntüleme Monarch kelebek (Danaus plexippus L.) ile nasıl kelebekler gözenekli yüzeyler12den küçük miktarlarda sıvı besleme değerlendirmek için kullanılan x-ışını. Monarch kelebek için küçük gözenekleri yemek kanalı içine sınırlı sıvıları getirmek için hortum cuticular projeksiyonlar (dorsal legulae) arasında boşluk üzerinden kılcal eylemini kullanın. Gelen sıvı büyür ve sonra kelebeğin gut için eylem başından emme pompası tarafından taşınır Yaylası istikrarsızlık12,18tarafından sıvı bir köprü çöker gıda kanal duvarda bir film oluşturur. X-ışını faz kontrast görüntüleme böcekler12,19,20,21içinde sıvı akış görüntülenmesi için en uygun bir araç olsa da, teknik hazır değil ve daha kolay yöntemi hızlı alımı sıvıları yeteneği bir böceğin değerlendirilmesi için gerekli değildir ve onları yemek.
D. plexippus için besleme mekanizması diğer Lepidoptera ve sinekler (Diptera) (her iki grup sıvılar üzerinde gözenekli yüzeyler arasında besleme) için geçerli olup olmadığını belirlemek için anıldı vd. 13 burada ayrıntılı rapor gözenekli yüzeyler arasında küçük miktarlarda sıvı beslemeye bir böceğin yeteneği değerlendirmek için bir teknik uygulanır. Burada özetlenen protokolü kullanan çalışmalar ıslak ve gözenekli yüzeyler için olsa da, bu havuzu besleme mekanizmaları adresleme gibi diğer çalışmalar için yöntemler değiştirilebilir. Buna ek olarak, uygulamaları havacilik ve bioinspired teknolojisi de dahil olmak üzere diğer alanlarına genişletmek.
Protocol
Representative Results
Discussion
Böcek mouthpart işlevselliği tarihsel olarak brüt Morfoloji çalışmalardan anlaşılmaktadır (örn., Lepidoptera hortum işlevi ilgili bir içme saman25,–26); Ancak, deneysel kanıt dahil son yıllarda yapılan çalışmalarda bir paradigma kayması böcek ağız ve yapı-fonksiyon ilişkileri2,12,13 karmaşıklığı anlayışımız içinde sonuçlandı …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser Ulusal Bilim Vakfı (NSF) tarafından desteklenen hayır vermek. IOS 1354956. Dr Andrew D. Warren (Lepidoptera ve biyolojik çeşitlilik, Florida doğa tarihi Müzesi ‘, University of Florida merkezi McGuire) kelebek resimleri kullanmak için izin için teşekkür ederiz.
Materials
| 20% sucrose solution | Domino Sugar | Sugar needed to produce the sucrose solution with dH2O | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P5493 | 10X concentration diluted to 1X in dH2O for insect dissections |
| Single depression concave slide | AmScope | BS-C6 | Slide is necessary for feeding stage setup |
| Filter paper | EMD Millipore | NY6004700 (60 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | NY4104700 (41 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | NY3004700 (30 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | NY2004700 (20 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | NY1104700 (11 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | TCTP04700 (10 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | TETP04700 (8 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | TMTP04700 (5 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Filter paper | EMD Millipore | RTTP04700 (1 µm) | Nylon net filters and isopore filters needed to produce a porous surface for insect feeding |
| Iris microdissecting scissors | Carolina Biological Supply Company | 623555 | Scissors used for dissections |
| Insect pins (#1) | Bioquip Products | 1208B1 | Pins used during dissections and feeding trials |
| Extra-fine point dissecting forceps | Carolina Biological Supply Company | 624684 | Dissecting equipment |
| Leica M205 C Stereoscope | Leica Microsystems | M205 C | Stereoscope used for dissections |
| Inverted confocal microscope | Olympus | IX81 | Fluorescent microscope used to detect magnetic nanoparticles |
| Fisherbrand PTFE Disposable Stir Bar | Fisherscientific | S68067 | Magnet used to detect nanoparticles |
| Kimtech Science Kimwipes | Kimberly-Clark Professional | 34155 | Tissues used to secure insects during feeding trials |
| House fly (Musca domestica) pupae | Mantisplace.com | insects for experiments | |
| Blue bottle fly (Calliphora vomitoria) pupae | Mantisplace.com | insects for experiments | |
| Cabbage butterfly (Pieris rapae) larvae | Carolina Biological Supply Company | 144102 | insects for experiments |
| Finnpipette F1 | ThermoFisher Scientific | 4641080N | micropipette for dispensing liquids |
| Finntip 250 pipette tips | ThermoFisher Scientific | 9400250 | micropipette tips |
| Microscope Glass cover slides (=coverslips) (24 x 24 mm) | AmScope | CS-S24-100 | coverslips for viewing the insect's crop on confocal microscope |
References
- Vijaysegaran, S., Walter, G. H., Drew, R. A. I. Mouthpart structure, feeding mechanisms, and natural food sources of adult Bactrocera (Diptera: Tephritidae). Ann Entomol Soc Am. 90, 184-201 (1997).
- Lehnert, M. S., Monaenkova, D., Andrukh, T., Beard, C. E., Adler, P. H., Kornev, K. G. Hydrophobic-hydrophilic dichotomy of the butterfly proboscis. J R Soc Interface. 10, 1-10 (2013).
- Zhao, J., Wu, J., Yan, S. Erection mechanism of glossal hairs during honeybee feeding. J Theor biol. 386, 62-68 (2015).
- Redak, R. A., Purcell, A. H., Lopes, J. R. S., Blua, M. J., Mizell, R. F., Andersen, P. C. The biology of xylem fluid-feeding insect vectors of Xylella fastidiosa and their relation to disease epidemiology. Ann. Review Entomol. 49, 243-270 (2004).
- Büttiker, W., Krenn, H. W., Putterill, J. F. The proboscis of eye-frequenting and piercing Lepidoptera (Insecta). Zoomorphology. 116, 77-83 (1996).
- Light, J. E., Smith, V. S., Allen, J. M., Durden, L. A., Reed, D. L. Evolutionary history of mammalian sucking lice (Phthiraptera: Anoplura). BMC Evol Biol. 10, (2010).
- Krenn, H. W., Aspock, H. Form, function and evolution of the mouthparts of blood-feeding Arthropoda. Arthropod Struct Dev. 41, 101-118 (2012).
- Lehnert, M. P., Pereira, R. M., Koehler, P. G., Walker, W., Lehnert, M. S. Control of Cimex lectularius using heat combined with dichlorvos resin strips. Med Vet Entomol. 25, 460-464 (2011).
- Zaspel, J. M., Kononenko, V. S., Goldstein, P. Z. Another blood feeder? Experimental feeding of a fruit-piercing moth species on human blood in the Primorye Territory of far eastern Russia (Lepidoptera: Noctuidae: Calpinae). J Insect Behav. 20, 437-451 (2007).
- Barth, F. G. . Insects and flowers: the biology of a partnership. , (1991).
- Foil, L. D., Adams, W. V., McManus, J. M., Issel, C. J. Bloodmeal residues on mouthparts of Tabanus fuscicostatus (Diptera: Tabanidae) and the potential for mechanical transmission of pathogens. J Med Entomol. 24, 613-616 (1987).
- Monaenkova, D., et al. Butterfly proboscis: combining a drinking straw with a nanosponge facilitated diversification of feeding habits. J R Soc Interface. 9, 720-726 (2012).
- Lehnert, M. S., et al. Mouthpart conduit sizes of fluid-feeding insects determine the ability to feed from pores. Proc. R. Soc. B. 284, (2017).
- Grimaldi, D., Engel, M. S. . Evolution of the insects. , (2005).
- Adler, P. H., Foottit, R. G. . Insect biodiversity: science and society. , (2009).
- Tsai, C. C., et al. Nanoporous artificial proboscis for probing minute amount of liquids. Nanoscale. 3, (2011).
- Krenn, H. W. Proboscis sensilla in Vanessa cardui (Nympahlidae, Lepidoptera): Functional morphology and significance of flower-probing. Zoomorphology. 118, 23-30 (1998).
- Plateau, J. A. F. Experimental and theoretical researches on the figures of equilibrium of liquid mass withdrawn from the action of gravity. (Transl). Annual Report of the Board Regents Smithsonian Institution. , 207-285 (1863).
- Socha, J. J., Westneat, M. W., Harrison, J. F., Waters, J. S., Lee, W. -. K. Real-time phase-contrast x-ray imaging: a new technique for the study of animal form and function. BMC Biol. 5, 6 (2007).
- Westneat, M. W., Socha, J. J., Lee, W. -. K. Advances in biological structure, function and physiology using synchrotron x-ray imaging. Annu Rev Physiol. 70, 119-142 (2008).
- Lee, W. -. K., Socha, J. J. Direct visualization of hemolymph flow in the heart of a grasshopper (Schistocerca americana). BMC Physiology. 9, 2 (2009).
- Lehnert, M. S., Mulvane, C. P., Brother, A. Mouthpart separation does not impede butterfly feeding. Arthropod Struct Dev. 43, 97-102 (2014).
- Lehnert, M. S., Beard, C. E., Gerard, P. D., Kornev, K. G., Adler, P. H. Structure of the lepidopteran proboscis in relation to feeding guild. J Morphol. 277, 167-182 (2016).
- Yan, H., Sung, B., Kim, M. -. H., Kim, C. A novel strategy for functionalizable photoluminescent magnetic nanoparticles. Mater. Res. Express. 1, 045032 (2014).
- Kingsolver, J. G., Daniel, T. L. On the mechanics and energetics of nectar feeding in butterflies. J Theor Biol. 76, 167-179 (1979).
- Krenn, H. W. Feeding mechanisms of adult Lepidoptera: Structure, function, and evolution of the mouthparts. Ann Rev Entomol. 55, 307-327 (2010).
- Tsai, C. -. C., Monaenkova, D., Beard, C. E., Adler, P. H., Kornev, K. G. Paradox of the drinking-straw model of the butterfly proboscis. J Exp Biol. 217, 2130-2138 (2014).
- Bauder, J. A. S., Handschuh, S., Metscher, B. D., Krenn, H. W. Functional morphology of the feeding apparatus and evolution of proboscis length in metalmark butterflies (Lepidoptera: Riodinidae). Biol J Linn Soc. 110, 291-304 (2013).
