JoVE Journal > Biology
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.
Biology

Experimentele Protocol voor het gebruik van Drosophila als een ongewervelde modelsysteem voor toxiciteitstests in het laboratorium

Published: July 10, 2018
doi:
10.3791/57450
,
1Communities for Building Active STEM Engagement,Colorado State University-Pueblo, 2Department of Biology,Colorado State University-Pueblo

Summary

In deze paper bieden wij een gedetailleerd protocol voor het blootstellen van de soort van het geslacht Drosophila aan verontreinigende stoffen, met het doel van het bestuderen van de impact van blootstelling over een scala van fenotypische resultaten op verschillende ontwikkelingsstadia en voor meer dan één generatie.

Abstract

Emergente eigenschappen en externe factoren (populatieniveau en ecosysteem-niveau interacties, in het bijzonder) een belangrijke rol spelen in het bemiddelen van ecologisch belangrijke eindpunten, hoewel ze zijn zelden beschouwd als in het toxicologisch onderzoek. D. melanogaster ontpopt zich als een model van de toxicologie voor de gedrags, neurologische en genetische effecten van toxische stoffen, om enkelen te noemen. Wat nog belangrijker is, kunnen soort van het geslacht Drosophila worden gebruikt als een modelsysteem voor een integratieve kaderbenadering ecologisch relevante vragen in de toxicologie onderzoek te nemen emergente eigenschappen. Het doel van dit document is bedoeld als een protocol voor het blootstellen van de soort van het geslacht Drosophila aan verontreinigende stoffen moet worden gebruikt als een modelsysteem voor een scala aan fenotypische uitgangen en ecologisch relevante vragen. Meer in het bijzonder, dit protocol kan worden gebruikt om 1) koppeling van meerdere biologische niveaus van organisatie en begrijpen van de invloed van toxische stoffen op zowel individueel – en bevolking-level fitness; 2) test de invloed van toxische stoffen in verschillende stadia van ontwikkelingsstoornissen blootstelling; 3) test multigeneratie en evolutionaire implicaties van verontreinigende stoffen; en 4) test meerdere contaminanten en stressoren gelijktijdig.

Introduction

Elk jaar worden ongeveer 1.000 nieuwe chemicaliën ingevoerd door de chemische industrie1,2; echter, de milieueffecten van slechts een klein percentage van deze chemische stoffen zijn getest voordat de distributie2,3. Hoewel grootschalige rampen zijn ongewoon, subletale and chronische blootstelling aan een grote verscheidenheid van verontreinigende stoffen zijn wijdverspreid in zowel mensen als dieren in het wild4,5. De historische focus van ecotoxicologie en milieutoxicologie moest testen letaliteit, enkele blootstelling aan chemische stoffen, acute blootstelling en de fysiologische effecten van blootstelling, als een middel van het meten van de impact van verontreinigende stoffen op overleving6, 7 , 8 , 9 , 10. Hoewel er een verschuiving naar ethische en niet-invasieve benaderingen voor dierproeven bevorderen, huidige benaderingen zijn beperking vanwege de rol die ontwikkeling, emergente eigenschappen en externe factoren (zoals populatieniveau en ecosysteem-niveau interacties) spelen in het bemiddelen van ecologisch belangrijke eindpunten8. Daarom is er behoefte aan een methoden die een meer holistische benadering te nemen zonder in te boeten, wild en/of gewervelde dieren in het laboratorium.

Ongewervelde modelsystemen, zoals Drosophila melanogaster, zijn een aantrekkelijk alternatief inspelen op de behoefte aan een meer holistische benadering van toxiciteit. D. melanogaster, werd oorspronkelijk ontwikkeld als een ongewervelde modelsysteem voor mens-gerelateerde genetisch onderzoek ongeveer een eeuw geleden11. D. melanogaster is nu prominent gebruikt als een alternatief gewervelde model om verschillende redenen: 1) de instandhouding van genen en trajecten tussen D. melanogaster en mensen; 2) korte generatietijd in vergelijking met gewervelde modellen; 3) goedkope kosten van onderhoud; 4) gemak bij het genereren van grote steekproeven; en 5) overvloed van fenotypische en ecologisch-relevante eindpunten beschikbaar voor het testen van11,12,13,14,15,16,17 .

Verschillende laboratoria11,15,16,17,18,19,20,21,22, 23 , 24 , 25 nu gebruikt D. melanogaster als een alternatief gewervelde model voor toxiciteitstests te begrijpen van de effecten van verontreiniging op de mens. Plaatselijke wilde soorten van Drosophila kan worden gebruikt, zo goed, als toxiciteit modellen voor wilde dieren (en mensen) te beantwoorden ecologisch-, gedragsgestoorde-, en evolutionair relevante vragen op meerdere biologische niveaus van de organisatie. Met behulp van soorten binnen het geslacht Drosophila als een model, zijn verschillende meetbare eindpunten mogelijk11,15,16,18,19,20 ,21,22,23,24,25. In addition, met behulp van het model van de Drosophila , toxicologen kunnen: 1) ethisch koppelen effecten op meerdere biologische niveaus van de organisatie; 2) nemen de rol van de opkomende factoren en ontwikkeling; 3) studie ecologisch belangrijke eindpunten (naast medisch belangrijke eindpunten); 4) test meerdere stressoren tegelijkertijd; 5) en test op lange termijn multigeneratie (bijvoorbeeld evolutionaire en transgenerationele) gevolgen van stressoren. Daarom kunt gebruik van Drosophila als een modelsysteem een veelheid aan benaderingen, niet beperkt tot het bestuderen van mechanistische benaderingen met ingeteelde stammen van D. melanogaster in het laboratorium.

In deze paper presenteren we de methoden voor het fokken en het verzamelen van Drosophila om verschillende toxicologische vragen te beantwoorden. Meer in het bijzonder, beschrijven we de methodologie voor 1) kippen Drosophila in medium doorweven met een of meer verontreinigende stoffen; 2) verzamelen Drosophila in de gehele ontwikkeling (bijvoorbeeld zwerven derde-instar-larven, pop gevallen, nieuw-eclosed volwassenen en volwassen volwassenen); en 3) Drosophila fokken in de besmette middellange tot test tussen de generaties en transgenerationele overdracht, alsmede de evolutionaire gevolgen van langdurige blootstelling van de toxische. Met behulp van dit protocol, de vorige auteurs18,19,20,21,22,23,24hebben,25 gemeld verschillende fysiologische, genetische en gedragsmatige gevolgen van ontwikkelingsstoornissen leiden (Pb2 +) blootstelling. Dit protocol maakt toxicologen te gebruiken van een meer holistische benadering van toxicologische, die essentieel is om te begrijpen hoe verontreinigende stoffen zijn risicofactoren voor zowel mens en dier in een steeds meer en meer vervuilde omgeving.

Protocol

Het volgende protocol is een experimenteel protocol gebruikt om de soort van het geslacht van de Drosophila op de drager van de verontreinigde aan de achterkant bij orale inname van een toxine passend is; andere vormen van blootstelling zijn mogelijk met behulp van de Drosophila model11,15,16,26. De in dit protocol omschreven methoden zijn eerder beschreven door Hirsch et …

Representative Results

Door mondeling Drosophila bloot te stellen aan een contaminant(s) in de gehele ontwikkeling, kunnen verschillende toxicologische vragen worden getest door Drosophila op verschillende niveaus van biologische organisatie bloot te leggen. Deze sectie bevat representatieve resultaten verkregen met behulp van dit protocol in eerder gepubliceerde documenten23,24. In het bijzonder werd dit protocol eerder gebruikt om te…

Discussion

Drosophila melanogaster is opgezet als een krachtig model voor een scala aan biologische processen als gevolg van de uitgebreide instandhouding van genen en trajecten tussen D. melanogaster en mensen13,14. Om dezelfde redenen dat er een krachtig model voor medische wetenschap, heeft Drosophila ontpopt als een geschikt modelsysteem te bestuderen van de gevolgen van antropogene vervuiling voor tal van toxicologische eindpunten. Verschille…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Deze publicatie werd gesteund door een subsidie van het ministerie van onderwijs (PR Award #P031C160025-17, titel van het Project: 84.031 C) tot de Colorado State University-Pueblo (CSU-Pueblo) Gemeenschappen tot actieve stam bouwen Engagement (C-BASE). Wij danken huidige zoölogie en Elsevier voor het verstrekken van de rechten op het gebruik van de representatieve resultaten gepubliceerd in vorige documenten, evenals de redactie van JoVE voor het verstrekken van ons met de mogelijkheid om het publiceren van dit protocol. Wij willen ook dank aan de C-BASE programma, Dr. Brian Vanden Heuvel (C-BASE en departement biologie, CSU-Pueblo), CSU-Pueblo biologie-afdeling, Thomas Graziano, Dr Bernard Possidente (departement biologie, Skidmore College), en Dr. Claire Varian Ramos (Departement biologie, Universiteit van de staat Colorado-Pueblo) voor hun steun en hulp.

Materials

Carolina Biological Instant Drosophila Medium Formula 4-24 Carolina Biological 173204
Drosophila vials, Narrow (PS), Polystyrene, Superbulk, 1000 vials/unit Genessee Scientific 32-116SB Used to store flies
Flugs Closures for vials and bottles, Narrow plastic vials Genessee Scientific 49-102 Used to store flies
Cardboard trays, trays only, narrow Genessee Scientific 32-124 Used to organize populations of flies
Cardboard trays, dividers only, narrow Genessee Scientific 32-126 Used to organize populations of flies
Thermo Scientific Nalgene Square Wide-Mouth HDPE Bottles with Closure Fischer Scientific 03-312D Useful for storage of contaminants
Thermo Scientific Nalgene Color-Coded LDPE Wash Bottles Fischer Scientific 03-409-17C Useful for storage of contaminants
Eppendorf Repeater M4 Manual Handheld Pipette Dispenser Fischer Scientific 14-287-150 Used to prepare medium
Combitips Advanced Pipetter Tips – Standard, Eppendorf Quality Tips Fischer Scientific 13-683-708 Used to prepare medium
Flypad, Standard Size (8.1 X 11.6cm) Genessee Scientific 59-114 Used to anesthetize flies
Flystuff foot valve Genessee Scientific 59-121 Used to anesthetize flies
Tubing, green (1 continguous foot/unit) Genessee Scientific 59-124G Used to anesthetize flies
Mineral Oil, Light, White, High Purity Grade, 500 mL HDPE Bottle VWR 97064-130 Used to make a morgue
Glass Erlenmeyer Flask Set – 3 Sizes – 50, 150 and 250ml, Karter Scientific 214U2 Walmart Not applicable Used to make a morgue
BGSET5 Glass Beaker Set Of 5 Walmart
Inbred or wildtype line of Drosophila Bloomington Drosophila Stock Center at Indiana University https://bdsc.indiana.edu
Wild popultions of Drosophila UC San Diego Drosophila Stock Center https://stockcenter.ucsd.edu/info/welcome.php
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Postel, S. . Defusing the Toxics Threat: Controlling Pesticides and Industrial Waste. , (1987).
  2. Vitousek, P. M., Mooney, H. A., Lubchenco, J., Melillo, J. M. Human domination of earth’s ecosystems. Science. 277, 494-499 (1997).
  3. United Nations Environment Program (UNEP). . Saving Our Planet: Challenges and Hopes. , (1992).
  4. Hansen, L. J., Johnson, M. L. Conservation and toxicology: Integrating the disciplines. Conservation Biology. 13, 1225-1227 (1999).
  5. Johnston, E. L., Mayer-Pinto, M., Crowe, T. P. REVIEW: Chemical contaminant effects on marine ecosystem functioning. Journal of Applied Ecology. 52, 140-149 (2015).
  6. Dell’Omo, G. . Behavioral ecotoxicology. , (2002).
  7. Clotfelter, E. D., Bell, A. M., Levering, K. R. The role of animal behaviour in the study of endocrine-disrupting chemicals. Animal Behaviour. 68, 665-676 (2004).
  8. Peterson, E. K., Buchwalter, D. B., Kerby, J. L., LeFauve, M. K., Varian-Ramos, C. W., Swaddle, J. P. Integrative behavioral ecotoxicology: bringing together fields to establish new insight to behavioral ecology, toxicology, and conservation. Current Zoology. 63, 185-194 (2017).
  9. Scott, G. R., Sloman, K. A. The effects of environmental pollutants on complex fish behaviour: Integrating behavioural and physiological indicators of toxicity. Aquatic Toxicology. 68, 369-392 (2004).
  10. Zala, S. M., Penn, D. J. Abnormal behaviors induced by chemical pollution: A review of the evidence and new challenges. Animal Behaviour. 68, 649-664 (2004).
  11. Abolaji, A. O., Kamdem, J. P., Farombi, E. O., Rocha, J. B. T. Drosophila melanogaster as a promising model organism in toxicological studies. Archives of Basic & Applied Medicine. 1, 33-38 (2013).
  12. Jennings, B. H. Drosophila-a versatile model in biology and medicine. Materials Today. 14, 190-195 (2011).
  13. Pandey, U. B., Nichols, C. D. Human disease models in Drosophila melanogaster and the role of the fly in therapeutic drug discovery. Pharmacology Reviews. 63, 411-436 (2011).
  14. Rubin, G. M., et al. Comparative genomics of the eukaryotes. Science. 287, 2204-2215 (2000).
  15. Rand, M. D. Drosophotoxicology: The growing potential for Drosophila in neurotoxicology. Neurotoxicol Teratol. 32, 74 (2010).
  16. Rand, M. D., Montgomery, S. L., Prince, L., Vorojeikina, D. Developmental toxicity assays using the Drosophila model. Current Protocols in Toxicology. 59, 1.12.1-1.12.20 (2015).
  17. Burke, M. K., Rose, M. R. Experimental evolution with Drosophila. American Journal of Physiology: Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 296, R1847-R1854 (2009).
  18. He, T., Hirsch, H. V. B., Ruden, D. M., Lnenicka, G. A. Chronic lead exposure alters presynaptic calcium regulation and synaptic facilitation in Drosophila larvae. NeuroToxicology. 30, 777-784 (2009).
  19. Hirsch, H. V., et al. Behavioral effects of chronic exposure to low levels of lead in Drosophila melanogaster. NeuroToxicology. 24, 435-442 (2003).
  20. Hirsch, H. V. B., et al. Variations at a quantitative trait locus (QTL) affect development of behavior in lead-exposed Drosophila melanogaster. NeuroToxicology. 30, 305-311 (2009).
  21. Morley, E. J., Hirsch, H. V. B., Hollocher, K., Lnenicka, G. A. Effects of chronic lead exposure on the neuromuscular junction in Drosophila larvae. NeuroToxicology. 24, 35-41 (2003).
  22. Ruden, D. M., et al. Genetical toxicologenomics in Drosophila identifies master- modulatory loci that are regulated by developmental exposure to lead. NeuroToxicology. 30, 898-914 (2009).
  23. Peterson, E. K., et al. Accumulation, elimination, sequestration, and genetic variation of lead (Pb2+) loads within and between generations of Drosophila melanogaster. Chemosphere. 181, 368-375 (2017).
  24. Peterson, E. K., et al. Asymmetrical positive assortative mating induced by developmental lead (Pb2+) exposure in a model system, Drosophila melanogaster. Current Zoology. 63, 195-203 (2017).
  25. Peterson, E. K. . Consequences of developmental lead (Pb2+) exposure on reproductive strategies in Drosophila. , (2016).
  26. Chifiriuc, M. C., Ratiu, A. C., Popa, M., Ecovolu, A. A. Drosophotoxicology: An emerging research area for assessing nanoparticles interaction with living organisms. International Journal of Molecular Sciences. 17, 36 (2016).
  27. Lachaise, D., Cariou, M. L., David, J. R., Lemeunier, F., Tsacas, L., Ashburner, M. Historical biogeography of the Drosophila melanogaster species subgroup. Evolutionary Biology. 22, 159-225 (1988).
  28. Elgin, C. R., Miller, D. W., Ashburner, M., Wright, T. R. F. Mass rearing of flies and mass production and harvesting of embryos. The Genetics and Biology of Drosophila. 2a, 112-121 (1978).
  29. Shaffer, C. D., Wuller, J. M., Elgin, C. R. Chapter 5: Raising large quantities of Drosophila for biochemical experiments. Methods in Cell Biology. 44, 99-108 (1994).
  30. Stocker, H., Gallant, P. Getting started: an overview on raising and handling Drosophila. Methods in Molecular Biology. 420, 27-44 (2008).
  31. Jennings, J. H., Etges, W. J., Schmitt, T., Hoikkala, A. Cuticular hydrocarbons of Drosophila montana: geographic variation, sexual dimorphism and potential roles as pheromones. Journal of Insect Physiology. 61, 16-24 (2014).
  32. Markow, T. A., O’Grady, P. M. . Drosophila: A Guide to Species Identification and Use. , (2005).
  33. Werner, T., Jaenike, J. . Drosopholids of the midwest and northeast. , (2017).
  34. Greenspan, R. J. The basics of doing a cross. Fly Pushing: The theory and practice of Drosophila genetics. , 3-24 (1997).
  35. JoVE Science Education Database. . . Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans. Drosophila Maintenance. , (2018).
  36. Castañeda, P. L., Muñoz, G. L. E., Durán, D. A., Heres, P. M. E., Dueñas, G. I. E. LD50 in Drosophila melanogaster. fed on lead nitrate and lead acetate. Drosophila Information Service. 84, 44-48 (2001).
  37. Massie, H. R., Aiello, V. R., Whitney, S. J. P. Lead accumulation during aging of Drosophila and effect of dietary lead on life span. Age. 15, 47-49 (1992).
  38. Akins, J. M., Schroeder, J. A., Brower, D. L., Aposhian, H. V. Evaluation of Drosophila melanogaster as an alternative animal for studying the neurotoxicity of heavy metals. BioMetals. 5, 111-120 (1992).
  39. Zhou, S., et al. The genetic basis for variation in sensitivity to lead toxicity in Drosophila melanogaster. Environmental Health Perspectives. 124, 1062-1070 (2016).
  40. Pitnick, S., Markow, T. A., Spicer, G. S. Delayed male maturity is a cost of producing large sperm in Drosophila. Proceedings of National Academy of Sciences USA. 92, 10614-10618 (1995).
  41. Beauchemin, D. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 82, 4786-4810 (2010).
  42. Tyler, M. S., Tyler, M. S. Development of the fruit fly Drosophila melanogaster. Developmental Biology, a Guide for Experimental Study. , 8-27 (2000).
  43. Ortiz, J. G., Opoka, R., Kane, D., Cartwright, I. L. Investigating arsenic susceptibility from a genetic perspective in Drosophila reveals a key role for glutathione synthetase. Toxicological Sciences. 107, 416-426 (2009).
  44. Bonilla, E., Contreras, R., Medina-Leendertz, S., Mora, M., Villalobos, V., Bravo, Y. Minocycline increases the life span and motor activity and decreases lipid peroxidation in manganese treated Drosophila melanogaster. Toxicology. 294, 50-53 (2012).
  45. Guarnieri, D. J., Heberlein, U. Drosophila melanogaster, a genetic model system for alcohol research. International Review of Neurobiology. 54, 199-228 (2003).
  46. Posgai, R., Cipolla-McCulloch, C. B., Murphy, K. R., Hussain, S. M., Rowe, J. J., Nielsen, M. G. Differential toxicity of silver and titanium dioxide nanoparticles on Drosophila melanogaster development, reproductive effort, and viability: size, coatings and antioxidants matter. Chemosphere. 85, 34-42 (2011).
  47. Gupta, S. C., et al. Adverse effect of organophosphate compounds, dichlorvos and chlorpyrifos in the reproductive tissues of transgenic Drosophila melanogaster: 70kDa heat shock protein as a marker of cellular damage. Toxicology. 238, 1-14 (2007).
  48. Wasserkort, R., Koller, T. Screening toxic effects of volatile organic compounds using Drosophila melanogaster. Journal of Applied Toxicology. 17, 119-125 (1997).
  49. Markow, T. A., O’Grady, P. O. Reproductive ecology of Drosophila. Functional Ecology. 22, 747-759 (2008).
  50. Dev, K., Chahal, J., Parkash, R. Seasonal variations in the mating-related traits of Drosophila melanogaster. Journal of Ethology. 31, 165-174 (2013).
  51. Salminen, T. S., Vesala, L., Laiho, A., Merisalo, M., Hoikkala, A., Kankare, M. Seasonal gene expression kinetics between diapause phases in Drosophila virilus group species and overwintering differences between diapausing and non-diapausing females. Nature Scientific Reports. 5, 11197 (2015).
  52. Miller, R. S., Thomas, J. L. The effects of larval crowding and body size on the longevity of adult Drosophila melanogaster. Ecology. 39, 118-125 (1958).
  53. Peterson, E. K., Ghiradella, H., Possidente, B., Hirsch, H. Transgenerational epigenetic effects of lead exposure on behavior in Drosophila melanogaster. 11, 492-493 (2012).
  54. Soares, J. J., et al. Continuous liquid feeding: New method to study pesticides toxicity in Drosophila melanogaster. Analytical Biochemistry. 537, 60-62 (2017).

Tags

DrosophilaToxicity TestingInvertebrate ModelDose ResponseGrowth MediumDevelopmental StagesLarvaeAdultsExposureContaminants
check_url/57450?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Peterson, E. K., Long, H. E. Experimental Protocol for Using Drosophila As an Invertebrate Model System for Toxicity Testing in the Laboratory. J. Vis. Exp. (137), e57450, doi:10.3791/57450 (2018).
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