Роли Концептуализация, куриране на данни, формален анализ, разследване, методология, валидиране, визуализация, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

приемане

Партньорско училище за био-приложения и системно инженерство, Токийски университет по земеделие и технологии, Koganei, Токио, Япония

Концептуализация на роли, Куриране на данни, Формален анализ, Придобиване на финансиране, Разследване, Администриране на проекти, Валидиране, Визуализация, Писане - оригинален проект, Писане - преглед и редактиране

Присъединяване Висше училище по био-приложения и системно инженерство, Токийски университет по земеделие и технологии, Koganei, Токио, Япония, Департамент по интегрирана биология, Висше училище по гранични науки, Университета в Токио, Кашива, Япония

Разследване на роли, визуализация

Партньорско училище за био-приложения и системно инженерство, Токийски университет по земеделие и технологии, Koganei, Токио, Япония

Методология на ролите, ресурси, надзор, писане - преглед и редактиране

Специализирано училище по земеделие, Университет Тамагава, Мачида, Токио, Япония

Методология на ролите, ресурси, надзор, писане - преглед и редактиране

Отделение за интегрирана биологична наука, Висше училище по гранични науки, Токийският университет, Кашива, Япония

Роли Концептуализация, придобиване на финансиране, администриране на проекти, ресурси, надзор, писане - преглед и редактиране

Партньорско училище за био-приложения и системно инженерство, Токийски университет по земеделие и технологии, Koganei, Токио, Япония

  • Кана Цунето,
  • Харука Ендо,
  • Фумика Ший,
  • Кен Сасаки,
  • Шинджи Нагата,
  • Рьоичи Сато
  • Член
  • Автори
  • Метрика
  • Коментари
  • Медийно покритие
  • Партньорска проверка

Фигури

Резюме

Цитат: Tsuneto K, Endo H, Shii F, Sasaki K, Nagata S, Sato R (2020) Избор на диета: Двуфакторната система за приемане от ларви на копринени буби. PLoS Biol 18 (9): e3000828. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000828

Академичен редактор: Анураг А. Агравал, Университет Корнел, САЩ

Получено: 20 януари 2020 г .; Прието: 17 август 2020 г .; Публикувано: 16 септември 2020 г.

Наличност на данни: Всички релевантни данни се намират в хартията и нейните поддържащи информационни файлове.

Финансиране: 1. Японско общество за популяризиране на науката (JSPS) KAKENHI Номер на безвъзмездна помощ 17K19261 за RS (https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-17K19261/) Номер на безвъзмездна помощ 18J00733 за HE (https: //kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-18J00733/) 2. Финансиращите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Съкращения: AN, антена; ANOVA, дисперсионен анализ; CGA, хлорогенова киселина; ISQ, изокверцитрин; LS, страничен стилоконичен сенсил; MG, максиларна галея; MP, максиларна палпа; МС, медиален стилоконичен сенсил; Q3R, кверцетин-3-О-рамнозид; βCD, метил-β-циклодекстрин; βsito, β-ситостерол

Въведение

Изборът на диета е от съществено значение за оцеляването във всички организми. Много тревопасни насекоми са се приспособили към ограничен кръг от растения гостоприемници, преодолявайки защитата на растенията срещу насекомото тревопасно, което води до моно- и олигофаги (така наречените специализирани насекоми) [1]. Успоредно с това, специалистите са в състояние точно да различават своите растения гостоприемници от други нехостови растения в тяхната екосистема, като използват химически сетива, включително густация и обоняние [2]. Като цяло, густотата е важна при определянето на приемането или отхвърлянето на потенциален източник на храна, докато обонянието се изисква при търсене на растения гостоприемници от разстояние [3].

Ларвите на насекомите, хранещи се с растения, показват типично поетапно поведение на хранене, включващо търсене на храна, палпация, хапане и преглъщане [4,5]. Сензорното изследване чрез палпация на листната повърхност е важно за селекцията на растението гостоприемник при различни насекоми, хранещи се с растения, като гъсеници, бръмбари и скакалци [6–9]. Например, ливадният скакалец Chorthippus parallelus понякога отхвърля диета след палпация, използвайки периферни хемосензорни органи, без да хапе [6]. Обратно, екстрактите от листната повърхност на растението гостоприемник Poa annua индуцираха хапливо поведение в мигриращия скакалец Locusta migratoria, докато тези на нехостовите растения бяха отхвърлени [10]. По този начин насекомите използват съединения на листната повърхност като химически сигнали за селекция на растение-гостоприемник, но невроналната основа за това поведение и до каква степен поведението на листната повърхност допринася за избора на цялостно растение-гостоприемник или избора на листа са слабо разбрани.

Храненето с тревопасни насекоми се контролира от техните физиологични реакции на фитохимикали, които определят приемането или отхвърлянето на листа въз основа на баланса на хранителните стимуланти и възпиращи вещества, съдържащи се в листата на растенията [3,11,12]. Химическите екологични проучвания са идентифицирали растителните вторични метаболити като хранителни стимуланти и възпиращи фактори за много тревопасни насекоми [2]. Например по отношение на копринената буба Bombyx mori, специалист по черничевите листа, Hamamura и колегите му идентифицират нелетливите съединения от черничевите листа като ключови сигнали: изокверцитрин (ISQ) и β-ситостерол (βsito) като хапащи фактори и хлорогенова киселина (CGA) ) като стимулант за хранене, който увеличава количествата хранене при дългосрочен анализ [11,13,14,15]. По този начин стимулантите и възпиращите средства за хранене при избора на диета в повечето случаи са оценени въздействието им върху броя на ухапванията и количествата хранене. Тези наблюдения обаче не винаги отразяват моментното поведение на насекомите, които приемат или отхвърлят определени растения [16], и следователно е необходимо внимателно проучване на поведението на листната повърхност за по-нататъшно разбиране на ролята на вторичните метаболити на растенията в селекцията гостоприемно растение.

В настоящото проучване ние възложихме химически сигнали на гостоприемника на вкусовите органи и поведението на храненето, за да разберем точно механизмите, които подкрепят приемането на гостоприемника в копринената буба. Установихме, че свръхчувствителните хемосензорни неврони в максиларната палпа (MP) на ларвите на копринената буба откриват набор от ключови съединения от черница, включително CGA, кверцетин гликозиди и βsito, предизвиквайки пробно ухапване. Захарозата и мио-инозитолът в листните сокове стимулират страничната сенсила в максиларната галея (MG), за да предизвикат непрекъснато хапане и приемане на листата. Ние предлагаме двуфакторна система за приемане на гостоприемници, контролирана от 2 периферни хемосензорни органа и главно задвижвана от 6 фитохимикала, която е в основата на олигофагията в копринените буби.

Резултати

Два периферни хемосензорни органа контролират двуетапното поведение на хапане в копринената буба

(А) Хранене с черница от ларви на копринени буби. (1) Палпация: ларва на копринена буба първо палпира листната повърхност с нейната максила (MP и MG) за 5–30 секунди. Бялата стрелка и върха на стрелката показват MP и MG. (2) Тестово ухапване: ларвата хапва ръба на листа няколко пъти периодично по време на палпация. (3) Постоянно хапане: ларвата хапва ръба на листа многократно (2-3 пъти в секунда) с главата си, движеща се в дорзовентрална посока по ръба на листата. Пурпурните стрелки показват посоката на движение на главата. (Б) Устни на ларва на копринена буба. Горна ларва на устата, включително 1 чифт максила. Долен по-голям изглед на максилата. Максилата се състои от MG и MP. MG има 2 вкусови сенсили, LS и MS. (C) Честота на ухапване от непокътнати, MP-аблатирани, MG-аблатирани и AN-аблатирани ларви на черничеви листа за период от 10 секунди. Данните са средни ± SD (n = 5). За числени сурови данни, моля, вижте S2 данни. (D) Представителни растерни графики за времето и продължителността на хапещото поведение на ларвите в (C). Червените и зелените линии показват съответно тестови и постоянни захапки. AN, антена; LS, страничен стилоконичен сенсил; MG, максиларна галея; MP, максиларна палпа; МС, медиален стилоконичен сенсил.

MP разпознава годни за консумация листа чрез засичане на съединения на листната повърхност и предизвиква пробно ухапване

За да оценим как такова поведение на хапене, контролирано от МР и MG, допринася за приемането от страна на домакина на копринената буба, наблюдавахме поведение на хранене към листата на различни растителни видове. Копринената буба е специалист за някои видове Morus, включително M. alba. В допълнение, листата на няколко растения Cichorioideae от Asteraceae се консумират в относително малки количества от ларвите на копринената буба [17,18]. От ларвите 88,9% ± 5,3% показват пробно ухапване от M. alba в рамките на 1 минута след достигане на ръба на листа, в сравнение със 70,0% ± 10,0% и 63,3% ± 13,3% за 2 растения Cichorioideae, Sonchus oleraceus и Taraxacum officinale (фиг. 2А). От ларвите 80% ± 11,5%, 53,3% ± 14,5% и 30% ± 10% продължават към упорито ухапване, съответно от M. alba, S. oleraceus и T. officinale. За разлика от тях, ларвите са имали по-малка вероятност от пробно ухапване (3% -33%) от 12 негодни за консумация листа, които накрая са били отхвърлени от повечето от тях без упорито захапване (Фиг. 2А и 2В). По този начин вероятността от пробно ухапване е по-висока за годни за консумация листа, отколкото за негодни за консумация листа, а постоянното кълване се предизвиква само от годни за консумация листа. Тези резултати предполагат, че ларвите на копринените буби избират диетата си последователно на 2 точки, преди тест и упорито хапане, и че разпознаването на растението гостоприемник е завършено до голяма степен, когато направят първа хапка.

(A и B) Пропорция на ларвите, показващи пробно ухапване (A) и упорито ухапване (B) на годни за консумация и негодни за консумация листа. (C и D) Делът на ларвите, показващ пробно захапване на непокътнати черничеви листа или черничеви листа, изтрити с листове хартия Kimwipe (Nippon Paper Crecia Co., Токио, Япония), навлажнена с вода или метанол (C) или филтърна хартия, обработена с метанол или екстракт от листа на черница (D). MP + и MP - означават непокътнати и MP-аблатирани ларви. (A – D) Ухапване на 10 ларви се наблюдава в продължение на 1 минута. Експериментите бяха повторени като независими биологични повторения (n = 3-5). Данните са средно ± SE. Същите букви показват никаква съществена разлика (P> 0,05) от еднопосочен ANOVA, последван от Tukey post hoc тест. (E) Типични скокове от хемосензорна сенсила на MP към 5 mM NaCl (отрицателен контрол) и екстракт от листната повърхност (съединения от лист/10 ml). За числени сурови данни, моля, вижте S2 данни. ANOVA, дисперсионен анализ; MP, максиларна палпа.

Насекомите вероятно ще усетят съединенията на листната повърхност по време на палпация [16]. За да изясним дали съединенията на повърхността на листата предизвикват изпитване на ухапване, избърсахме листата на M. alba с вода или метанол, което значително намали дела на ларвите, показващи изпитване на ухапване (Фигура 2C). Обратно, 76,7% ± 8,8%, 37,5% ± 10,3% и 36,0% ± 10,8% от ларвите показват пробно захапване на филтърна хартия, обработена с метанол и екстракти от листни повърхности на M. alba, S. oleraceus и T. officinale, съответно (Фиг. 2D; S1A – S1C Фиг.). MP аблация намалява тестовото хапане към филтърна хартия, обработена с екстракт от листната повърхност на M. alba (фиг. 2D). Освен това, записването на върха на сенсилата в MP [17] разкрива, че MP невроните реагират на екстракта от листната повърхност (Фиг. 2Е). Тези открития показват, че съединенията в годни за консумация екстракти от листната повърхност стимулират МР и предизвикват тестово ухапване.

Тестовото ухапване изисква набор от съединения на растението гостоприемник, открити от ултрачувствителни MP сензорни неврони

(A – C) Ефекти на Suc (A), Ino (B) и индуктори на тестово ухапване CGA, ISQ и βsito (C) върху увеличаването на телесната маса на ларвите чрез анализ на приема на храна, базиран на агар. Ларвите на петата възраст са били гладувани в продължение на 3 дни, започвайки в края на линеенето. Телесната маса на 3-те ларви се увеличава след хранене с диета на основата на агар (9% целулоза и 1% агар) в продължение на 3 часа. Пурпурните ленти означават медиана. Статистическият анализ беше извършен с помощта на теста на Крускал-Уолис, последван от теста на Дън (A и B) и U-теста на Mann-Whitney (C). „Ns“ означава, че няма значителна разлика; звездичка показва значителна разлика (* P 0,5) от корелационния анализ на Pearson (S3A Фиг.).

Записване на съвети

Статистика

Всички статистически анализи бяха проведени с помощта на Prism ver.8 (GraphPad, La Jolla, CA, USA). Използвахме параметрични тестове (фиг. 2A – 2D, фиг. 3B и 3C и S1C фиг.) И непараметрични тестове (фиг. 4A, 4B и 4C и S3C и S3D фиг.). Вижте S1 данни за повече подробности (например точни размери на пробата и P-стойност).

Подкрепяща информация

S1 Фиг. Анализ на захапване с помощта на филтърна хартия.

(A) Анализ на захапване с помощта на филтърна хартия. Филтърна хартия беше поставена в процеп върху разпенен полистирол. (Б) Всички ларви, палпирани на ръба на филтърната хартия, независимо от обработката (вляво), и ларвите показват пробно ухапване на обработена филтърна хартия. (C) Пропорция на ларвите (n = 10), показваща пробно захапване на филтърна хартия, обработена с екстракти от листни повърхности на 2 ядливи листа от S. oleraceus и T. officinale в продължение на 1 минута. Експериментите бяха повторени като независими биологични повторения (n = 3-5). Данните са средно ± SE. Статистическият анализ беше извършен с помощта на еднопосочен ANOVA, последван от тест на Tukey post hoc. Звездичка показва значителна разлика (* P 2 βsito. Данните са от биологични трикратни експерименти (n = 5); грешките показват SE. За числени сурови данни вижте S2 данни. CGA, хлорогенова киселина; ISQ, изокверцитрин; βsito, β-ситостерол.