Училище по земеделие, храни и вино, Университетът в Аделаида, Аделаида, Южна Австралия, Австралия

Изследователски център за познание на животните (CRCA), Център за интегративна биология (CBI), Университет в Тулуза, CNRS, UPS, Тулуза, Франция

Кореспонденция

Área de Biodiversidad y Conservación, Universidad Rey Juan Carlos, Мадрид, Испания

Центърът на Чарлз Пъркинс и Училището за науките за живота и околната среда, Университетът в Сидни, Сидни, NSW, Австралия

Изследователски център за познание на животните (CRCA), Център за интегративна биология (CBI), Университет в Тулуза, CNRS, UPS, Тулуза, Франция

Тези автори допринесоха еднакво за изследването. Потърсете още статии от този автор

Училище по земеделие, храни и вино, Университетът в Аделаида, Аделаида, Южна Австралия, Австралия

Тези автори допринесоха еднакво за изследването. Потърсете още статии от този автор

Училище по земеделие, храни и вино, Университетът в Аделаида, Аделаида, Южна Австралия, Австралия

Изследователски център за познание на животните (CRCA), Център за интегративна биология (CBI), Университет в Тулуза, CNRS, UPS, Тулуза, Франция

Кореспонденция

Área de Biodiversidad y Conservación, Universidad Rey Juan Carlos, Мадрид, Испания

Центърът на Чарлз Пъркинс и Училището за науките за живота и околната среда, Университетът в Сидни, Сидни, NSW, Австралия

Изследователски център за познание на животните (CRCA), Център за интегративна биология (CBI), Университет в Тулуза, CNRS, UPS, Тулуза, Франция

Тези автори допринесоха еднакво за изследването. Потърсете още статии от този автор

Училище по земеделие, храни и вино, Университетът в Аделаида, Аделаида, Южна Австралия, Австралия

Тези автори допринесоха еднакво за изследването. Потърсете още статии от този автор

Резюме

Резюме на обикновен език е достъпно за тази статия.

1. ВЪВЕДЕНИЕ

Термитите предлагат рядък пример, който съвпада точно с такава хранителна екология. Докато Hymenoptera се редуват между храни, които се различават по своя състав на макроелементите, за да достигнат балансирана диета (напр. Плячка срещу медена роса при мравките), термитите се хранят предимно с един вид храна, дърво, което е относително инвариантно в състава си на макроелементи (Pettersen, 1984). Избрахме австралийския термит Nasutitermes exitiosus като наш модел модел, защото те са специалисти по Евкалипт дървета. Като всички дървета, Евкалипт са съставени предимно от въглехидрати и техният състав във въглехидрати, протеини и липиди е стабилен (Evtuguin & Neto, 2007). Затова очакваме N. exitiosus фуражи, за да регулират само количеството храна, което събират, за да отговорят на техните изисквания за макроелементи.

2. МАТЕРИАЛИ И МЕТОДИ

2.1 Изследвани видове и условия за отглеждане

Четири колонии на N. exitiosus с подобни размери бяха събрани в Аделаида (Южна Австралия) в края на пролетта, между 22 ноември и 2 декември 2016 г., на гребен на хълм, където Евкалипт дърветата бяха основната растителност. Майчините колонии са били държани в лабораторията най-малко 2 седмици с дърво ad libitum, витамини от насекоми (витаминна смес Vanderzant за насекоми - Sigma) и солна смес W (MP biomedical) преди експеримента за намаляване на евентуалната вариабилност в първоначалното хранително състояние на колониите . От тези майчини колонии са построени 76 експериментални колонии от 100 индивида.

Всяка експериментална колония се състоеше от 70 големи работници (етап 2–5, вж. McMahan & Watson, 1975) и 30 непълнолетни войници. Използвахме стерилни касти, за да можем да изучаваме ефектите от хранителните предизвикателства, независимо от репродуктивните усилия. Термитите са били настанени в 10 × 10 cm чаша на Петри. Две трети от чашата на Петри беше напълнена с 4% агарен гел, за да се осигури влажност и да се позволи тунелиране. Този вид животновъдство е бил използван по-рано при този вид (Eutick, Veivers, O'Brien и Slaytor, 1978). За да се предотвратят гъбични инфекции, разтвор на фунгицид (10 капки Zaleton на литър) се напръсква върху агара и се оставя да изсъхне преди въвеждането на термитите. Всяка експериментална колония беше прехвърлена в ново гнездо на всеки 6 дни, за да се предотвратят инфекции и сухота. Гнездата се държат при стайна температура (27 ° C) при пълна тъмнина.

2.2 Синтетични диети

Име на диетата C P L съотношение P: C съотношение L: C съотношение P: L
p1 0,99 0,007 0,003 0,007 0,003 2.333
p2 0,95 0,048 0,002 0,05 0,002 24
p3 0.9 0,09 0,01 0,1 0,011 9
стр4 0.8 0,16 0,04 0.2 0,05 4
l1 0,99 0,003 0,007 0,003 0,007 0,428
l2 0,95 0,002 0,048 0,002 0,05 0,042
l3 0.9 0,01 0,09 0,011 0,1 0,111
l4 0.8 0,04 0,16 0,05 0.2 0,25
s1 0,99 0,005 0,005 0,005 0,005 1
s2 0.9 0,05 0,05 0,055 0,055 1
ce 1 0 0 0 0 NA

2.3 Експериментирайте

В този експеримент изследвахме връзката между храненето и производителността по отношение на събирането на храна, дълголетието, тунелната активност и състава на тялото при термитите.

2.3.1 Събиране на храни

Всички експериментални колонии имаха свободен достъп до храна, която се попълваше на всеки 3 дни. Колониите никога не са събирали цялата предлагана храна, преди да бъде подновена. За да се оцени приемът на колониите, храната се изсушава при 40 ° C и се претегля, преди да се постави в гнездото и отново след отстраняването. Разделихме приема на колониите по броя на термитите във всяка колония по време на предлагане на храната, за да вземем предвид разликите в смъртността между колониите.

2.3.2 Оцеляване

За да се оцени смъртността във всички експерименти, броят на мъртвите термити във всяка експериментална колония се отчита всеки ден през първите 2 седмици и след това на всеки 3 дни, докато всички термити умрат. Труповете бяха извадени от колонията и държани в тръби на Eppendorf при -14 ° C (за анализ на телесния състав). Снимки на гнездото също се правят, когато гнездото се сменя, за да се провери дали смъртността е точно записана и дали не са пропуснати мъртви тела (чрез преброяване на живи термити).

2.3.3 Тунелна дейност

По време на целия експеримент правехме снимка на гнездото на всеки 6 дни (подкрепяща информационна снимка S1), точно преди всяко преместване на колонията в ново гнездо. Тунелната активност се определя количествено чрез измерване на общата дължина на тунела с помощта на ImageJ. Бяха анализирани общо 562 снимки.

2.3.4 Състав на тялото

Измерихме телесния състав на термитите, намерени мъртви в гнездото по време на експеримента. Проучвания, проведени върху мравки, показват, че ефектите от състава на диетата върху запасите от енергия все още се наблюдават върху мъртви индивиди (Arganda et al., 2017; Bazazi, Arganda, Mathieu, Jeanson, & Dussutour, 2016). Първо, използвахме протокол за екстракция на хлороформ, модифициран от Marden (1987), за да извлечем липиди в цялото тяло. Групи от пет термита (петима работници или петима войници) се сушат в продължение на 24 часа при 50 ° C (за постигане на стабилно сухо тегло), претеглят се с точност до 0,01 mg и се поставят в Eppendorf. След това добавихме 0,3 ml хлороформ към всеки Eppendorf. След 24 часа аспирирахме хлороформа и добавихме пресен хлороформ. Бяха завършени общо три накисвания с хлороформ. След тези екстракции оставихме термитите да изсъхнат напълно при 50 ° C и претеглихме всяка група от пет термита. Разликата в теглото на термитни тела преди и след екстракция на липиди ни даде теглото на липидите в пробите.

Второ, използвахме протокол за екстракция на протеини, описан от Rho and Lee (2014). Останалите тела от екстракцията на липиди бяха използвани и беше последвана подобна процедура, като се използва 0,35 М разтвор на натриев хидроксид вместо хлороформ. Разликата в теглото на телата на термитите преди и след екстракцията на протеини ни даде теглото на протеините в пробите. Анализирани са общо 469 групи работници и 264 групи войници.

2.3.5 Статистика

За да сравним събирането на храна по всяка диета, използвахме тест на Kruskal – Wallis. Всички обобщени линейни смесени модели (използвайки функцията fitglme, с разпределение = нормално, функция на връзката = идентичност) и повърхностна регресия (използвайки функцията fitlme) бяха направени в Matlab, с колония като случаен фактор. Всички консумации бяха стандартизирани ((стойност - средно)/стандартно отклонение). Тази процедура намалява ковариацията между линейните променливи и условията за тяхното взаимодействие (Aiken, West и Reno, 1991). Всички статистически тестове бяха проведени с помощта на Matlab .

3 РЕЗУЛТАТА

3.1 Събиране на храни

Първо, измерихме събирането на храна от експериментални колонии термити, принудени да се хранят от една диета, която варираше в състава си на макроелементи. По този начин термитите са изправени пред ситуацията, при която съществува потенциален конфликт между задоволяването на техните изисквания за протеини, липиди и въглехидрати. Термитите не са модифицирали събирането на храна в зависимост от дела на макроелементите (подкрепяща информация, фигура S1), но поддържат количеството събрана храна постоянно при всички диети (Фигура 1, χ 2 = 14,14, df = 10, стр = 0,167, Таблица за поддържаща информация S1).

използване

3.2 Ефект от събирането на макронутриенти върху продължителността на живота

След това изследвахме дали има съотношение и количество протеини, липиди и въглехидрати, събрани от работници, което увеличава живота на работниците и войниците. Експерименталните колонии, ограничени до контролната диета (дърво), оцеляват добре (Среден полуживот на колонията ± CI 95% = 57,25 ± 12,9 дни) и подобно на това, което се съобщава в литературата (Cookson, 1987). Това показва, че нашите експериментални гнезда са подходящи за изследването.

Взети заедно, нашите 11 диети ни позволиха да генерираме карти на пространството за прием на макронутриенти, върху които може да се представи и регресира продължителността на живота (Фигура 2). Смъртността на работниците е повлияна значително от състава на макроелементите и най-вече е повлияна от количеството събрани въглехидрати (стр

Продължителността на живота на войника леко е намаляла, когато съотношението L: C се е увеличило (стр = 0,009, т = -2,67, df = 68, Таблица с поддържаща информация S3). Ако включим продължителността на живота на работника като обяснителна променлива в уравнението, това се превръща в най-значимия фактор, влияещ върху оцеляването на войника (коригирано R 2 = 0,20 срещу 0,39, поддържащи информационни таблици S3 и S4). Накратко, оцеляването на работниците зависи от събирането на храна, докато оцеляването на войниците се влияе главно от броя на работниците, останали в колонията, за да ги хранят (Фигура 2, R 2 за регресията на повърхността на войниците са много ниски, за разлика от работниците, поддържащи Информационни таблици S5 – S10).

3.3 Ефект от събирането на макроелементи върху тунелната активност

Също така измерихме как тунелната активност е повлияна от събирането на храна (Фигура 3). Дължините на тунелите са положително корелирани с въглехидратите (стр

3.4 Ефект от събирането на макроелементи върху състава на тялото

След това изследвахме ефекта от събирането на макроелементи върху телесното съдържание на липиди и протеини. Съдържанието на липиди в тялото е много ниско при работниците (среден процент на липиди със сухо тегло ± 95% CI = 0,73 ± 0,13), докато е относително високо при войници (20,9 ± 1,19) (Фигура 4а). Въпреки това, когато телата на войниците са анализирани без главите им, съдържанието на липиди е сравним с тези на пълните трудови тела. По този начин само главите отчитат по-високото съдържание на липиди в телата на войниците (Фигура 4b). Съдържанието на протеин също е по-високо при войниците, отколкото при работниците (средно съотношение на протеин ± 95% CI = 82,5 ± 3,2 срещу 62,7 ± 3,6, съответно).

При работниците съдържанието на липиди и протеини в тялото намалява с времето (стр = 0,002, т = −3.12, df = 452, Таблица за поддържаща информация S15; стр

4. ДИСКУСИЯ

Докато термитите изглежда не са в състояние да регулират приема на макроелементи, те са в състояние да контролират точно приема на микроелементи (Judd, Landes, Ohara и Riley, 2017). Този на пръв поглед противоречив резултат се обяснява лесно с факта, че термитите получават своите микроелементи от почвата (Janzow & Judd, 2015; Seymour et al., 2014). За разлика от дървото, съставът на почвата в микроелементите е променлив и корелацията между отделните елементи е ниска (Heuvelink & Webster, 2001; Yavitt et al., 2009) - условия, за които се предполага, че водят до еволюция на регулаторните способности за хранене. Всъщност, предишни проучвания от Judd et al. (2017) и Botch, Brennan и Judd (2010) са предоставили доказателства за такова активно регулиране на микроелементите от термити. Доказано е, че други насекоми балансират приема на минерали ортогонално на макронутриенти чрез подбор на храна (Simpson & Raubenheimer, 2015; Trumper & Simpson, 1993). По този начин термитът може да се държи като специалист по храните за макронутриенти, но като общ специалист към микроелементите.

Тъй като се предвижда, че екстремните специалисти няма да регулират активно приема на макронутриенти, следва, че тяхната ефективност (напр. Отговори в историята на живота) ще бъде чувствителна към експериментално наложени промени в състава на хранителните макронутриенти. Термитите наистина бяха силно засегнати от такава вариация в настоящото проучване. Ключовият определящ фактор за връзката между диетата и дълголетието в термитите е количеството събрани въглехидрати и протеини и в много по-малка степен спрямо количеството събрани липиди. Работниците на термитите оцеляват най-добре, когато събират дневно количество въглехидрати, съдържащи между 0,02 и 0,04 mg от всеки индивид и малко количество протеини (0–0,001 mg) и липиди (0–0,003 mg). Този оптимум по отношение на продължителността на живота е относително тесен в сравнение с други изследвани насекоми (Arganda et al., 2017; Dussutour & Simpson, 2012; Lee et al., 2008; Maklakov et al., 2008).

В обобщение, нашият експеримент показа, че термитите не са компенсирали активно експериментално наложените промени в съдържанието на макроелементи в храните, като са коригирали приема на храна, нито са избегнали вредния ефект от дисбаланса на макроелементите. Ние постулираме, че при видове като термити с високоспециализирани диети се губи необходимостта от фино регулиране на приема на макроелементи: Регулирането на количеството само погълната храна ще бъде достатъчно, за да се постигне хранителен баланс, когато съставът на храните е неизменен. Допълнителен капацитет да разчитат на общности на чревни симбионти позволи на термитите да експлоатират дървесина, иначе хранително обещаващ субстрат.

ПРИЗНАВАНИЯ

Благодарим на Патрик Мадиган за помощта при събирането на могили от термити и на Клер Диксън за помощта по време на експериментите.

ПРИНОС НА АВТОРИТЕ

L.A.P. замислил и извършил всички експерименти и статистически анализи и написал първия проект на ръкописа. S.A. подпомага статистическите анализи. A.D. и J.B. съвместно ръководиха работата на L.A.P. и проектира проучването. J.B. финансира експериментите. Всички автори допринесоха критично за черновите и дадоха окончателно одобрение за публикуване.

ДОСТЪПНОСТ НА ДАННИ

Данни, депозирани в цифровото хранилище Dryad https://doi.org/10.5061/dryad.482h6h2 (Poissonnier, Arganda, Simpson, Dussutour и Buhl, 2018).

Описание на името на файла
fec13200-sup-0001-Summary.pdf PDF документ, 128,8 KB
fec13200-sup-0002-Supinfo.docxДокумент на Word, 558,1 KB

Моля, обърнете внимание: Издателят не носи отговорност за съдържанието или функционалността на която и да е поддържаща информация, предоставена от авторите. Всички заявки (различни от липсващо съдържание) трябва да бъдат насочени към съответния автор на статията.