Торстен Н. Кристенсен

1 Катедра по биологични науки, Орхуски университет, Ню Мункегаде, сграда 1540, 8000 Орхус С, Дания

развитието

2 Катедра по генетика и биотехнологии, Орхуски университет, Blichers Allé 20, 8830 Tjele, Дания

Йоханес Овергаард

1 Катедра по биологични науки, Орхуски университет, Ню Мункегаде, сграда 1540, 8000 Орхус С, Дания

Фолкер Лошке

1 Катедра по биологични науки, Орхуски университет, Ню Мункегаде, сграда 1540, 8000 Орхус С, Дания

Дейвид Мейнц

1 Катедра по биологични науки, Орхуски университет, Ню Мункегаде, сграда 1540, 8000 Орхус С, Дания

2 Катедра по генетика и биотехнологии, Орхуски университет, Blichers Allé 20, 8830 Tjele, Дания

Резюме

Способността да се използват различни източници на храна вероятно ще бъде подложена на силен подбор, ако организмите са изправени пред естествени промени в наличността на макро-хранителни вещества (протеини, въглехидрати и липиди). Тук използваме експериментална еволюция, за да проучим как променливото съдържание на диетични протеини влияе върху състава на тялото на възрастните и успеха в развитието при Drosophila melanogaster. Отглеждахме мухи или на стандартна диета, или на обогатена с протеини диета в продължение на 17 поколения, преди да ги тестваме и на двата вида диети. Мухите от линии, избрани на богата на протеини диета, произвеждат фенотипове с по-висока обща телесна маса и относително съдържание на липиди в сравнение с тези, избрани на стандартна диета, независимо на коя от двете диети са тествани. Въпреки това, подборът на богата на протеини диета е довел до разходи, тъй като мухите, отглеждани на тази диета, са имали значително по-нисък успех в развитието по отношение на жизнеспособността на яйцата до възрастни и при двата средни типа, което предполага възможен компромис между изследваните черти.

1. Въведение

Drosophila melanogaster е известно, че се храни и размножава със зрели или гниещи плодове [18], където съотношенията протеин/въглехидрати варират временно и пространствено [4,19]. Заедно с факта, че D. melanogaster има кратко време на поколение, това прави този вид идеален за експериментални изследвания, целящи да изследват как съставът на диетата оформя еволюцията на чертите от житейската история. Тук тестваме как лабораторният подбор на диети с различно съдържание на протеини влияе върху телесния състав и жизнеспособността. Ние изследваме взаимодействието между пластичните и еволюционните отговори на диети с различно съдържание на протеини и липиди, като използваме повторени експериментални еволюционни подходи.

2. Материал и методи

а) Популации на мухи и диети на ларви

В експеримента бяха използвани пет независими реплицирани линии на D. melanogaster. Те произхождат от генетично разнообразна масова популация, отглеждана в лабораторията от 2002 г. Преди експеримента мухите се държат на основна „среда на Лийдс“, съставена от захароза (40 gl -1 вода), дрожди (60 gl -1 вода), агар (16 gl -1 вода), овесени ядки (30 gl -1 вода), нипаген (12 ml 1 -1 вода) и оцетна киселина (1,2 ml 1 -1 вода). Във всички поколения преди експеримента, докладван тук, линиите са се провеждали при голям преброен размер (над 1000). През юни 2008 г. мухите от всички линии бяха прехвърлени на два нови вида диети; или незабавна среда на Каролина (Carolina Biological Supply, Бърлингтън, Северна Каролина, САЩ, формула 4–24 обикновена) или обогатена с протеини диета. Каролина муха среда е широко използвана диета ларви за дългосрочно поддържане на D. melanogaster. Обогатената с протеини диета е направена чрез смесване на 60% казеин (Sigma C-5890, Sigma-Aldrich) и 40% среда Carolina на база сухо тегло. Към средата се добавя вода в съотношение 1: 1 (5 ml вода към 1 g среда).

Пет независими репликирани линии бяха създадени или на стандартната диета (среда на Каролина), или на обогатената с протеини диета и се поддържаха в продължение на 17 поколения. Във всяко поколение бяха създадени пет бутилки с приблизително 200 мухи на бутилка на линия и тип диета. По време на експеримента мухите се отглеждат при 20 ° С и 12 часа светлина/12 часа тъмни цикли. След 17 поколения отглеждане на двата вида диети, мухите от двата режима на диета бяха прехвърлени обратно в средата на Лийдс, където бяха държани в продължение на три поколения преди тестване. Тази процедура беше спазена, за да позволи тестване на мухи в обща градина.

(б) Разследвани черти

След три поколения на среда в Лийдс (плътност, контролирана чрез позволяване на 100 мухи да снасят яйца за 6 часа във всяка от 10 бутилки на линия), ние събрахме яйца и ги разпределихме в две експериментални диети за отглеждане, състоящи се или от стандартна диета, или от диета, обогатена с протеини . За всяка от 20-те експериментални групи (две селекционни диети, всяка с пет независими линии, тествани на две тестови диети), събрахме яйца за три повторни флакона с 60 яйца във всеки флакон от 40 ml. Всички флакони съдържаха 7 ml хранителна среда и жизнеността на яйцата до възрастни се определяше от броя на появяващите се мухи.

Приблизително 10 женски мухи (в няколко случая не получихме 10 женски) бяха взети проби от всяка комбинация от селекционна диета, тестова диета и линия за определяне на телесния размер и съдържанието на липиди. Мухите се сушат при 60 ° С в продължение на 48 часа и сухата маса се измерва с точност до 10 µg. Телесната мазнина се отстранява чрез поставяне на отделни мухи в 1 ml чист петролев етер за 24 h, след което супернатантата се отстранява. Тази процедура беше повторена, след което мухите бяха изсушени отново преди определяне на чистата телесна маса. Общата телесна мазнина се изчислява като първоначална суха маса минус чиста телесна маса.

(в) Статистически анализи

Вложен анализ на отклоненията (ANOVA) е използван за тестване на ефектите от диета за подбор (обогатена с каролина или протеин), диета за изпитване (обогатена с каролина или протеин) и тяхното взаимодействие върху жизнеспособността на яйцата до възрастни, сухата маса на тялото, постно тяло маса и относителен състав на мазнините. Линията беше вложена в селективната диета и тестовата диета. Данните за жизнеспособността и относителната телесна мазнина бяха преобразувани в квадрат arcsin корен преди допълнителни анализи.

3. Резултати

За всички изследвани черти линейните ефекти са много значими (таблица 1), което предполага, че линиите реагират променливо на отглеждането на диета и тестовата диета. Сухата телесна маса и съставът на телесните мазнини бяха значително повлияни от селекционната диета със суха маса и съдържание на липиди, които бяха по-високи при мухите, поддържани с диета, обогатена с протеини (таблица 1 и фигура 1). Мухите, тествани на обогатена с протеини диета, имат по-висока суха маса и относително по-ниско съдържание на липиди в сравнение с мухите, тествани на стандартна диета (фигура 1). Това се наблюдава независимо дали мухите са били отглеждани на обогатена с протеини диета или стандартна диета в продължение на 17 поколения преди тестването. Чистата телесна маса се повлия значително от линията, диетата за подбор и диетата за изпитване (таблица 1). Жизнеспособността на яйцата до възрастни е била значително повлияна от селекционната диета с по-ниска жизнеспособност, наблюдавана в линиите, избрани на диета, обогатена с протеини (фигура 1 и таблица 1). Никога не сме наблюдавали значителни взаимодействия между селекционната диета и тестовата диета (фигура 1 и таблица 1). По този начин еволюиралите отговори при различни диетични протеинови състави са последователни при тестовите диети.

маса 1.

Резултати от вложените ефекти на ANOVA за тестване на линия, диета за подбор, диета за изпитване и взаимодействие между диети за селекция и тестове върху сухата телесна маса, чистата телесна маса, процента на телесните липиди и жизнеспособността на яйца към възрастни (% появили се мухи).

източник на променливост.f.сума от квадратиF-ratiop-стойност
суха маса от мухи
линия (диета за подбор, тестова диета)14.0,073.56 таблица 1 и фигура 1). Средната разлика, причинена от еволюционните промени между мухите, адаптирани към двата вида диети, е съответно 6 и 5% за сухата маса и липидния състав на тялото, докато острият пластичен отговор на промяна в типа на диетата са 25 и 36% за тези черти (фигура 1). За мухи за жизнеспособност на яйца до възрастни, поддържани на обогатена с протеини диета за 17 поколения, поддържани средно три четвърти от жизнеспособността на мухите при стандартната диета, докато ефектът от тестовата диета е незначителен за тази черта.

Нашето проучване повдига въпроса защо по-високата достъпност на протеини в околната среда улеснява насочената селекция за по-голяма телесна маса. Предполага се, че по-големите мухи имат по-висок репродуктивен успех [20,21] или подобрена конкурентна способност [22]. Тъй като аминокиселините често са ограничаващите строителни материали по време на периоди на нарастване с висока маса, бедната на протеини среда може да има нарушен подбор за мухи с големи размери, докато в обогатената с протеини среда това ограничение отсъства и следователно насочен подбор за по-висока телесна маса е възможно.

Също така установихме, че мухите, поддържани с обогатена с протеини диета в продължение на 17 поколения, са се превърнали в относително по-дебели от мухите, поддържани при стандартната диета. Един механизъм, който може да е позволил такава промяна, може да бъде подборът за различна ефективност на използване на въглехидратите [16]. Мухите, поддържани с обогатена с протеини диета, имат сравнително нисък достъп до лесно достъпни енергийни източници (въглехидрати). При такива условия мухите с подобрена способност да съхраняват липиди могат да имат селективно предимство. За разлика от това, когато са налични излишни въглехидрати, но ограничени протеини, намалената ефективност на използване на въглехидратите може да е позволила по-голяма консумация на храна за задоволяване на нуждите от протеини, без да осигури същите разходи за пренасяне на големи мазнини.

Фактът, че мухите, еволюирали при богати на протеини/лоши въглехидрати условия, са намалили жизнеспособността на яйцата към възрастни, предполага компромис между изследваните черти. Компромисът между оцеляването на яйцеклетката и възрастната маса и телесната маса може да подскаже, че ограничаващ споделен ресурс е разделен между двете черти. Компромисът обаче беше намерен и при двата вида диети. По този начин е по-вероятно компромисът да е причинен от антагонистична плейотропия, при което алелите, кодиращи по-голям размер на тялото, което е изгодно при условия, обогатени с протеини, в същото време имат отрицателен ефект върху физиологичните процеси, които влияят върху оцеляването.

Новият аспект на това проучване е, че естественият лабораторен подбор на диета, обогатена с протеини, благоприятства генетично по-големите и по-дебели мухи с по-ниска вероятност за оцеляване по време на младежкия живот. Ако този резултат може да бъде екстраполиран върху добитъка и хората, той въвежда интересни предизвикателства и потенциал по отношение на развъдните стратегии и препоръките за хранене. В животновъдството варирането в състава на диетата между фермите може да повлияе на „естествения подбор“ на важни производствени черти, свързани с плодовитостта и телесния състав. Освен това, резултатите от този експеримент показват, че може да има компромиси между фитнес чертите, когато съдържанието на протеини в храната варира. Това може да има последици за популациите (включително популациите от хора), които в последно време са променили коренно диетата си. Нашите данни показват, че подобна промяна може просто да осигури непосредствено предизвикателство за поколенията, изложени на промяната. Еволюционната адаптация към новата диета може потенциално да създаде допълнителен риск поради неблагоприятни компромиси.