Brian S Mautz, PhD, Martin I Lind, PhD, Alexei A Maklakov, PhD, Diet Restriction подобрява годността на застаряващите родители, но намалява годността на техните потомци при нематоди, The Journal of Gerontology: Series A, Volume 75, Issue 5, May 2020, Страници 843–848, https://doi.org/10.1093/gerona/glz276

подобряват

Резюме

Диетичните ограничения (DR) са добре установена намеса за удължаване на продължителността на живота на таксоните. Последните проучвания показват, че управляваното от DR удължаване на продължителността на живота може да бъде безплатно, поставяйки под въпрос централен наемател на еволюционната теория за стареенето. Въпреки това, повишаването на дълголетието на родителите може да намали фитнеса на потомството. Такива компромиси между поколенията често се игнорират, но могат да отчетат „липсващите разходи“ за дълголетието. Тук използваме нематода Caenorhabditis remanei, за да тестваме ефектите на DR чрез гладуване върху годността на женските и техните потомци. Жените, лишени от храна в продължение на 6 дни, наистина са имали повишена плодовитост, оцеляване и устойчивост на стрес след повторно излагане на храна в сравнение с техните колеги с постоянен достъп до храна. Въпреки това, потомството на майки с DR има намалена плодовитост в началото и през целия живот, по-бавен темп на растеж и по-малък размер на тялото при полова зрялост. Тези констатации подкрепят прекия компромис между инвестиции в сома и гамети, оспорвайки хипотезата, че увеличената соматична поддръжка и нарушената репродукция могат да бъдат отделени.

Диетичното ограничение (DR), дефинирано като намаляване на приема на хранителни вещества без недохранване, е известно, че увеличава продължителността на живота на дървото на живота, от едноклетъчни организми през глисти до гризачи до примати (1–4). Освен това DR често се свързва с подобрена устойчивост на стрес (5), намалена скорост на стареене (6) и дори подобрено възпроизводство в късния живот (7). Въпреки повсеместното удължаване на продължителността на живота на DR и значителния мултидисциплинарен интерес към тази тема, еволюционните основи на този ефект остават слабо разбрани. Водещата еволюционна хипотеза поддържа, че DR е еволюирала стратегия за разпределение на ресурсите („хипотеза за разпределение на ресурси“), насочена към увеличаване на оцеляването по време на временен глад (8). Тази хипотеза твърди, че организмите умишлено преразпределят оскъдните ресурси далеч от размножаването до соматичното поддържане. Всъщност DR обикновено води до намалена плодовитост и този ефект се съобщава толкова често, че понякога намалената репродукция е включена в официалната дефиниция на DR (9).

Хипотезата за разпределение на ресурсите беше оспорена през последните години от емпирични проучвания, които показват, че връзката между удължаването на продължителността на живота и намаленото възпроизводство при DR не е задължителна и може да бъде отделена. Grandison и колеги показаха, че добавянето на хранителната аминокиселина, метионин, възстановява плодовитостта на плодовите мухи Drosophila melanogaster под DR до нормални нива, без да се засяга тяхното продължително дълголетие. Освен това DR удължава продължителността на живота при стерилни или невъзпроизвеждащи се животни (10–13). Експерименталните еволюционни проучвания показват, че дълголетието и възпроизводството не е задължително да се развиват съвместно при DR (14, 15). Тези предишни резултати предполагат, че животните под DR могат да не живеят по-дълго поради преразпределение на ресурсите от репродукция към оцеляване и кара някои да се запитат дали има „липсващи разходи“ за компромиси с продължителността на живота и репродукцията. Ефектът на DR върху плодовитостта и дълголетието може би е най-добре разглеждан като случай на фенотипна пластичност, позволяваща на организмите да увеличат максимално своята годност в различни среди (16). Тази гледна точка се подкрепя допълнително от факта, че генетичните пътища, които са в основата на отговора на DR, засягат широк спектър от черти, включително растеж, имунен отговор и метаболизъм.

За да тестваме за „липсващи разходи“ на DR, манипулирахме диетата, като лишаваме жените от бактериален източник на храна за шест последователни дни или постоянен достъп до храна. След лечението изследвахме възрастово специфично възпроизводство, оцеляване и устойчивост на топлинен шок при майки и техните женски потомци, за да изследваме ефектите от поколение на майката на ТФ. Въз основа на предишните изследвания и прогнози, получени от теорията за житейската история, ние предположихме, че ТФ по време на ранна зряла възраст ще повлияе положително на свързаните с фитнеса черти на застаряващите майки, но ще има отрицателни ефекти между поколенията, които ще намалят годността на дъщерите им.

Метод

Използвахме щамове от див тип Caenorhabditis remanei SP8, които се поддържаха в продължение на 50 поколения при стандартни условия от 20 ° C и 60% влажност и по-късно се съхраняваха във фризер -80 ° C преди употреба в експерименти (наричани SP8-50). Червеите се размразяват и се поддържат при 20 ° С за още 5 поколения при стандартни лабораторни условия върху NGM агарови плаки, съдържащи канамицин и стрептомицин и засяти с бактерии Е. coli OP50-1 (pUC4K) като източник на храна. Плаките се съхраняват в Panasonic MLR-352H Environmental Chamber при стандартни условия. Червеите бяха избелени два пъти, 4 и 8 дни след размразяването, за да убият нежелани микроби и да генерират червеи, които узряват приблизително по едно и също време за експериментална употреба.

Два дни след второто избелване, L4-женските ларви бяха поставени на групи от по 10 върху стандартни NGM агарови плаки с храна и оставени да завършат половото съзряване за една нощ. Рано на следващата сутрин възрастните девствени жени бяха разделени между две лечения или с либитумен достъп до храна (AL), или без достъп до храна (временно гладуване, TF). Женските червеи се поддържат в продължение на 6 дни в съответните им диетични процедури. Червеите бяха преместени в свежи плаки приблизително на всеки 48 и 24 часа, преди да бъдат поставени в анализи. Проведохме поредица анализи, за да изследваме ефекта от диетичното лечение върху редица фитнес компоненти на лекуващите жени и на техните потомци. Вижте Допълнителен материал 1 за диаграма на експерименталния дизайн.

Кръг 1: Лечение и продължителност на живота на жените

От всяко третиране с храна, 50 жени бяха поставени поотделно върху стандартни NGM плочи (с антибиотици), засяти със стандартна храна. Всяка женска беше поставена с двама мъже, получени от популации от запаси SP8-50. Мъжете, предоставяни на жени, са били на същата възраст (1–3 дни след полова зрялост) и двама нови мъже са били предоставяни на всеки трети ден след отстраняване на предишните мъже. За да се оцени репродукцията и продължителността на живота, женските и мъжките се прехвърляха на нова плоча на всеки 24 часа. Яйцата, приютяващи плочи от предишния 24-часов период на снасяне, се държат при стандартни условия за допълнително

30 часа, за да се позволи излюпването на потомството. След този период ларвите бяха евтаназирани в камера за околната среда при 39 ° C в продължение на 2 часа. След това плочите се поставят незабавно в хладилник при 4 ° C, докато се извърши преброяване на ларвите. Преброяването на ларвите се извършва в рамките на 24 часа след евтаназията. След 13 дни възпроизводството е спряло и женските са били прехвърляни на нови плочи на всеки трети ден, но въпреки това са проверявани ежедневно за оценяване на продължителността на живота. Женските са били поддържани както по-горе до смъртта. Записахме датата на смъртта за всяка жена. Една жена при лечението ad libitum почина от дехидратация след изкачване на пластмасовата страна на чашата на Петри и беше изключена от данните.

Устойчивост на топлинен стрес

За да оценим устойчивостта на топлинен стрес, поставихме 6 плочи от 10 жени от всяка обработка (общо 12 плочи) в камера за околната среда при 37,5 ° C. Започвайки 2 часа след и на всеки час до 7 часа след първоначалната експозиция, женските се наблюдават за реакция на нокдаун. Във всеки момент от време, жените са били отбелязвани и поставяни в една от трите категории, следвайки Herndon и колеги (26): (i) свободно движещи се или нормални движения, след като са били подтиквани внимателно от секретаря; (ii) необичайно, несинусоидално движение или недвижещо се движение (т.е. само предната част на тялото се движи), след като е леко подтикната от секретаря; и (iii) не се движи, дори след като е бил стимулиран от секретаря, но с движеща се букална помпа или напълно не реагира. Жените, отбелязани в категории 2 и 3, бяха комбинирани по-късно за аналитични цели. След 7-часовия период на топлинен шок плочите се съхраняват при 20 ° C и женските преоценяват, като се използват същите категории за възстановяване

21 часа след последното оценяване на седмия час.

Ефекти върху размножаването на потомството и продължителността на живота

Събрахме 1 женски ларви от L4 етап от първия 24-часов период на снасяне от всяка женска и при двете обработки. Анализите за възпроизводство и продължителност на живота следват същата процедура, както при майките по-горе, но женските потомци веднага се поставят в репродуктивни анализи след събирането, за да се гарантира, че репродукцията започва веднага щом достигнат полова зрялост. Записвахме ежедневни измервания на производството на ларви и датата на смъртта за всяко женско потомство. Поради логистични ограничения и тъй като тестовете за топлинен стрес са крайни, трябваше да измерим времето за развитие, размера на тялото и топлинния стрес, използвайки потомство от различни жени в допълнителен кръг от експерименти.

Кръг 2

Извършен е втори кръг от експерименти, чиято цел е да се съберат допълнителни черти на потомството. Както в първия кръг, групи от 10 жени бяха изложени на 6 дни от едно от диетичните лечения (ad libitum или временно гладуване). След излагането на диетата, всички жени в рамките на всяка диета бяха поставени в същите групи от по 10 на засети стандартни NGM плочи, които имаха десет 2-дневни (постсексуална зрялост) възрастни мъже, така че имаше съотношение 1: 1 пола. Женските са държани на тези плочи в продължение на 2 часа, за да се даде възможност за хранене, чифтосване и започване на снасянето на яйца. Всички яйца, снесени през този период, бяха изхвърлени. След това женските и мъжките бяха прехвърлени в нова засадена плоча и им беше позволено да снасят яйца за 1 час. Тази процедура беше извършена за втори път върху нова празна, засета плоча. Яйцата от двата отделни часови периода бяха използвани за оценка на времето за развитие на потомството и размера на тялото при зрялост (плоча 1), както и за оценка на устойчивостта на топлинен стрес (плоча 2). Третираните жени и мъже бяха отстранени и изхвърлени след двата периода на снасяне.

Време и размер на разработката в падеж

Устойчивост на топлинен стрес

Девствените женски са събрани от втората плоча на третия ден след наслагването (както по-горе). При всяка обработка изолирахме две плочи с по 10 жени от всяка от трите плочки за полагане (общо 12 плочи). На ден 4 постсексуална зрялост женските бяха преместени в нови чинии и незабавно поставени за третиране с топлинен стрес. Следвахме същите протоколи, които бяха използвани за родителското поколение в експеримент 1, за да оценим отговора на потомството.

Статистически анализ

Данните бяха анализирани с помощта на статистически софтуер R 3.4.0 (28). Репродуктивната продукция, специфична за възрастта, и продължителността на живота бяха анализирани с помощта на многостепенен смесен модел в пакета lme4 (29) с разпределение на грешките на Поасон, функция за свързване на лога Както възрастта, така и възрастта 2 бяха включени в модела, за да се оценят линейните и квадратичните ефекти на този фактор (вж. Допълнителен материал). Индивидуални (за отчитане на повтарящи се измервания) и индивидуални рекордни стойности (за отчитане на свръхдисперсия) (30) бяха включени като случайни ефекти за специфичен за възрастта анализ; само реплика е използвана като случаен ефект при репродуктивните анализи. Устойчивостта на топлинен стрес също беше анализирана с помощта на многостепенен модел, но с помощта на биномно разпределение на грешки и функция на logit link. Включихме случаен ефект на „чиния“, за да се отчете вариацията на плочите, върху които са третирани женските. Времето за развитие и размерът на тялото са анализирани с помощта на общ линеен модел. Продължителността на живота беше анализирана с помощта на модел на пропорционални опасности на Cox в пакета за оцеляване (31). Използван е t-тест за тестване на разликата във възрастта при последното възпроизвеждане между леченията. Вижте Допълнителен материал 2 за статистически доклад.

Резултати

Временното гладуване увеличава женските фитнес компоненти

Женските при лечение с временно гладуване (TF) произвеждат значително по-голям брой потомци, след като се върнат към храната и позволяват чифтосване (средно ± se; 463,45 ± 20,70, N = 50) спрямо женските, получили пълен достъп до храна (330. 76 ± 22,73; Wald Z = 19,33, p −5; TF 14,71 ± 0,34 d; AL 12,50 ± 0,34 d). Няма статистическа разлика в дневната репродуктивна продукция между диетичните лечения (Z = 0,650, p> .52, Фигура 1А), въпреки че женските жени с TF непрекъснато произвеждат по-висок среден брой потомци на ден, отколкото женските AL, отчитащи статистически разлики в репродукцията през целия живот ( виж по-горе). В съответствие с плодовитостта, продължителността на живота и устойчивостта на топлинен стрес се различават между леченията. Жените, които са лишени от бактерии, са имали значително по-дълъг живот (медиана [95% ДИ], TF: 17 [15, 22] дни; модел на Coxph, Wald’s Z = 2.497, p Фигура 2А). По същия начин жените, лишени от бактерии (N = 60), са по-устойчиви на топлинен стрес в сравнение с жените с AL (N = 59) (Wald’s Z = 3.939, p Фигура 2C).

(A) Влиянието на диетичното лечение върху C. remanei (щам SP8) върху ежедневната репродуктивна продукция след 6 дни или на временно гладуване (TF в червено; N = 50) или ad libitum (AL в синьо; N = 49) достъп до храна. Данните бяха анализирани с помощта на смесени модели в пакета lme4 в R с разпределение на грешките на Поасон и функция на лог-линк с индивидуален ефект като случаен ефект за отчитане на повтарящи се мерки. Ежедневното възпроизводство между диетичните лечения не е значително, но има разлика в репродуктивната продукция през целия живот при женски TF, произвеждащи повече ларви през целия живот, отколкото женските AL. (Б) Влиянието на диетичното лечение на майката върху репродукцията на потомството (TF в червено N = 50; AL в синьо N = 48), започвайки от половата зрялост. Данните бяха анализирани както в (А). Лечението на диетата при майките влияе върху възпроизводството на потомството с тези от майки с TF, показващи намалено производство на ларви (дни от 2 до 4) и намален общ брой на ларвите през целия живот в сравнение с потомството от майки с AL. Фигурата показва среден брой ларви ± se.

(A) Влиянието на диетичното лечение върху C. remanei (щам SP8) върху ежедневната репродуктивна продукция след 6 дни или на временно гладуване (TF в червено; N = 50) или ad libitum (AL в синьо; N = 49) достъп до храна. Данните бяха анализирани с помощта на смесени модели в пакета lme4 в R с разпределение на грешките на Поасон и функция на лог-линк с индивидуален ефект като случаен ефект за отчитане на повтарящи се мерки. Ежедневното възпроизводство между диетичните лечения не е значително, но има разлика в репродуктивната продукция през целия живот при женски TF, произвеждащи повече ларви през целия живот, отколкото женските AL. (Б) Влиянието на диетичното лечение на майката върху репродукцията на потомството (TF в червено N = 50; AL в синьо N = 48), започвайки от половата зрялост. Данните бяха анализирани както в (А). Лечението на диетата при майките влияе върху възпроизводството на потомството с тези от майки с TF, показващи намалено производство на ларви (дни от 2 до 4) и намален общ брой на ларвите през целия живот в сравнение с потомството от майки с AL. Фигурата показва среден брой ларви ± se.

Разлики в преживяемостта между жените с TF и ​​AL (A) и ефекта от лечението на майчината диета върху оцеляването на потомството (B) (размери на пробите, както на фигура 1А и В). Данните бяха анализирани с помощта на модели на пропорционална опасност на Cox. Жените с TF са живели значително по-дълго от жените с AL. Нямаше разлика в оцеляването при потомството. Устойчивост на топлинен стрес на жени TF и ​​AL (C) (TF N = 60, AL N = 59) и въздействието на лечението на майчината диета върху устойчивостта на топлинен стрес при техните потомци (D) (TF N = 58, AL N = 59) . Данните бяха анализирани с помощта на обобщени линейни смесени модели. TF женските показват повишена устойчивост на топлинен стрес спрямо женските AL. Няма разлика в реакцията на топлинен стрес при потомството.

Разлики в преживяемостта между жените с TF и ​​AL (A) и ефекта от лечението на майчината диета върху оцеляването на потомството (B) (размери на пробите, както на фигура 1А и В). Данните бяха анализирани с помощта на модели на пропорционална опасност на Cox. Жените с TF са живели значително по-дълго от жените с AL. Нямаше разлика в оцеляването при потомството. Устойчивост на топлинен стрес на жени TF и ​​AL (C) (TF N = 60, AL N = 59) и въздействието на лечението на майчината диета върху устойчивостта на топлинен стрес при техните потомци (D) (TF N = 58, AL N = 59) . Данните бяха анализирани с помощта на обобщени линейни смесени модели. TF женските показват повишена устойчивост на топлинен стрес спрямо женските AL. Няма разлика в реакцията на топлинен стрес при потомството.

Временното гладуване има отрицателни или неутрални ефекти върху потомството

Достъпност на данни

Данните могат да бъдат достъпни на Dryad на 10.5061/dryad.z08kprr8k.

Благодарности

Това изследване беше подкрепено от Европейския изследователски съвет AgingSexDiff и GermlineAgeingSoma и шведския изследователски съвет към A.A.M. Авторите биха искали да благодарят на Хане Карлсон за нейното съдействие и двама анонимни рецензенти за полезните им коментари. А.А.М. замислена за проекта и допринесла за ръкописа. А.А.М. и B.S.M. проектира експеримента. M.I.L. изпълни експеримента и допринесе за ръкописа. B.S.M. изпълнява експериментите, анализира данните и пише ръкописа.

Конфликт на интереси

Авторите декларират, че няма конфликт на интереси, както е определено от Journal of Gerontology: Biological Sciences.