Субекти

Резюме

Въведение

Прекомерната консумация на калории се свързва с нарастването на световните нива на затлъстяване, сърдечно-съдови заболявания, диабет и други разстройства и заболявания при хората и редица животински видове, свързани с хората в индустриализираните общества (Klimentidis et al. 2011; Raubenheimer et al. . 2015 г.). Това свръхпотребление е озадачаващо, защото теорията за оптимално хранене предсказва, че животните трябва да развият регулаторни механизми за търсене на храна, за да оптимизират своята еволюционна годност (Stephens and Krebs 1986; Simpson and Raubenheimer 2012). Традиционно теорията предполага, че оптимизирането на фитнеса изисква максимизиране на енергийния прием (Stephens and Krebs 1986). Въпреки това, по-новите разработки, използващи хранителна геометрия, са установили, че оптимизирането на годността изисква животните да регулират както енергийния си прием, така и специфичния баланс (или съотношение) на хранителните вещества (Simpson and Raubenheimer 2012).

Материали и методи

Изследвайте видове

Изкуствени диети

Използвайки протокола, установен в South et al. (2011), направихме четири прахообразни, холидни (т.е. химически дефинирани) диети. Тези четири диети бяха използвани, за да се направят четири диетични двойки, като всяка двойка съдържаше по една диета със съотношение P: C 1: 8 и една със съотношение P: C 5: 1. Ние осигурихме тези диети в едно от двете хранителни разреждания (% P + C съдържание), 36 или 84%. Четирите DP са както следва: DP1: 1: 8 (36%) срещу 5: 1 (36%), DP2: 1: 8 (84%) срещу 5: 1 (36%), DP3: 1: 8 (36%) срещу 5: 1 (84%) и DP4: 1: 8 (84%) срещу 5: 1 (84%) със състав, представен също в таблица S1. Диетите са избрани от по-голям геометричен набор от 24 диети, тъй като осигуряват широко покритие на потенциалното хранително пространство (фиг. S1) и са били използвани в предишни експерименти с хранене (South et al. 2011; Bunning et al. 2015).

Количествен дизайн на генетично размножаване

В деня на еклозията разпределихме на случаен принцип трима синове и три дъщери на язовир за всеки от четирима DP (общо н = 1080 синове и 1080 дъщери; вижте фиг. S2 за схематично представяне на нашия развъден дизайн). На всеки 3 дни се осигуряваше прясна диета (т.е. общо седем периода на хранене). Експерименталните животни се чифтосват с животно от противоположния пол вечерта на ден 8 след еклозия и се отстраняват на ден 9 с женски, снабдени с петри с влажен пясък след това за яйцекладка.

Режим на хранене

Експерименталното хранене следва нашите установени протоколи (South et al. 2011). Накратко, на всеки щурец бяха предоставени две диетични ястия с измерено сухо тегло според назначения DP. Храната беше осигурена в платформи за хранене, конструирани чрез залепване на обърнатия капак на флакон (1,6 см в диаметър, 1,6 см в дълбочина) върху средата на петриева чаша (5,5 см в диаметър) и вода по желание в 5-милилитрова епруветка, запушена с памучна вата. Всяка диета, разлята по време на хранене, се събира в чашката на Петри и се претегля. Всички диети се сушат във фурна (Binder FD115, Германия) при 30 ° С в продължение на 72 часа преди претегляне. Платформите за хранене бяха претеглени преди и след всеки период на хранене с помощта на електронна везна (Ohaus Explorer Professional EP214C, Швейцария). Фекалиите бяха отстранени от диетата и платформата за хранене с помощта на форцепс преди повторно претегляне. Диетичната консумация се изчислява като разлика в сухото тегло на диетата преди и след хранене. Това количество консумирана диета се преобразува в тегло на P и C, погълнато чрез умножаване по дела на тези хранителни вещества в диетата (South et al. 2011).

Измерване на липидната маса

На 21 ден щурците се замразяват и съхраняват при -20 ° C и се извършва екстракция на липиди, използвайки протокола, очертан в South et al. (2011). Накратко, всеки щурец се размразява до стайна температура и се прави цепка по корема с помощта на дисекционни ножици. След това щурецът се суши при 60 ° С в продължение на 24 часа и се претегля с помощта на електронна везна. След това всеки щурец се поставя в 10 ml 2: 1 (v/v) разтвор на дихлорометан: метанол и се разбърква в продължение на 48 h за екстрахиране на липиди. След това щурците се отстраняват от този разтвор и се сушат още 24 часа при 60 ° С и след това се претеглят. Разликата между теглото преди и след екстракция се приема като липидна маса.

Статистически анализ

Количествените генетични анализи бяха извършени с помощта на животински модели, монтирани в ASReml (версия 3) (Gilmour et al. 2009). Животинският модел е форма на линеен модел със смесен ефект, при който генетичното родословие на индивида е включено като случаен ефект, позволяващ оценката на адитивната генетична (съвместна) дисперсия за фенотипни признаци (Wilson et al. 2010). Изследвахме три фенотипни признака: общото количество изядена диета (TE) (включително хранителни и нехранителни компоненти), общо хранително предпочитание (TP) (изчислено като общ прием на протеини, разделен на общия прием на въглехидрати, където по-високите стойности показват пристрастие към прием на протеини) и обща телесна липидна маса (LM) (като мярка за отлагане на мазнини). Преди анализ всяка черта беше стандартизирана до средна стойност на нула и стандартна грешка на една, използвайки a Z.-трансформацията и размерът на тялото (измерен като ширина на пронотума) е включен като фиксиран ефект във всички модели, за да се контролират каквито и да било ефекти върху размера върху TE, TP или LM.

За първи път тествахме ефекта на секса и DP върху трите ни черти, използвайки Wald-F тестове. Като се има предвид значителният ефект на пола и DP върху всичките три черти (вж. Резултати), ние ги включихме като фиксирани ефекти в едновариатен модел и оценихме адитивната генетична дисперсия (VА) за всяка черта чрез сравняване на едномерни модели, изпълнявани без и с добавяне на размножителните стойности като случаен ефект за всяка черта. След това изследвахме наличието и силата на всякакви взаимодействия между генотипа (G) и хранителната среда и между G и пола. Тествахме за взаимодействие G-by-DP, като стартирахме едномерни модели за всяка черта, но се разделихме на четирите DP с включен пол като фиксиран ефект. По същия начин тествахме за G-by-Sex взаимодействие, като пускахме едномерни модели за всяка черта, но разделяме между половете с включен DP като фиксиран ефект. И в двата случая беше извършен вторичен анализ, за ​​да се изследват разликите между половете и DP, като се ограничат моделите G-by-DP до един пол наведнъж и моделите G-by-Sex до един DP наведнъж. И накрая, тествахме за взаимодействия G-by-Sex-by-DP, като стартирахме едномерни модели за всеки признак, разделен на всеки DP за мъже и жени.

Също така извличаме оценки на адитивни генетични (съвместни) отклонения, наследствености (з 2) и генетични корелации (rА) от тези модели (Таблица 3). Тези оценки са представени под формата на матрица, обикновено наричана матрица на генетична (съвместна) дисперсия (или обикновено наричана G матрица), съдържаща адитивните генетични дисперсии по диагонала, адитивни генетични ковариации под диагонала и генетични корелации над диагонала (Таблица 3). Резюмета на модели и вероятности за регистрация за всички наши количествени генетични модели могат да бъдат намерени в таблици S2 и S3, а примерният код на ASReml може да бъде намерен в текст S1. Всички статистически изводи се основават на тестове за съотношение на вероятността (LRT). Поради по-голямата математическа сложност при монтирането на многовариантни модели с нарастващ брой променливи на отговора, не успяхме да стартираме един мултивариатен (мулти-черен) модел, който включваше всяка черта, разделена по пол и ДП (напр. 3 черти × 2 пола) × 4 DP = 24 черта × Пол × DP комбинации).

И накрая, като се има предвид разликата в TE, TP и LM при ДП и половете (вж. Резултати), ние също изследвахме ефектите от приема на Р и С върху ЛМ и дали това се различава при половете. Използвахме подход на повърхността за реакция, за да характеризираме линейните и нелинейни (квадратични и корелационни) ефекти на хранителните вещества върху LM при всеки пол (South et al. 2011). Визуализирахме ефектите от приема на P и C върху LM във всеки пол, използвайки тънкопластинкови сплайни, конструирани с помощта на Tps функция в пакета FIELDS на R (версия 2.15.1, www.r-project.org). След това статистически сравнихме линейните, квадратични и корелационни ефекти от приема на хранителни вещества в двата пола, използвайки последователен подход за изграждане на модел, очертан в South et al. (2011).

Резултати

Имаше значителен ефект от DP и пола върху общото количество изядена диета (TE) (включително хранителни и нехранителни компоненти), общото хранително предпочитание (TP) (изчислено като общ прием на протеини, разделен на общия прием на въглехидрати) и общия телесна липидна маса (LM) (като мярка за отлагане на мазнини) (Таблица 1). И за двата пола TE е най-висок при DP1, последван от DP3, DP2 и най-нисък при DP4, което съответства на компенсаторното хранене при половете. Мъжете и жените са увеличили консумацията на диета съответно с 58 и 72%, когато се хранят с най-ниското (DP1, 36% хранене) спрямо най-високото (DP4, 84% хранене) хранително вещество DP, което е показателно за компенсаторното хранене. Жените консумират повече диети, отколкото мъжете, за всяко ДП и консумацията им на диети е средно с 20% по-висока от мъжете при всички ДП (Фиг. S3).

TP е най-висок за DP3 и при двата пола, което показва силно пристрастие към консумацията на протеини, последвано от DP1, DP4 и DP2, като стойностите на TP са по-високи за жените от мъжете за всеки DP. Това може да бъде визуализирано на фиг. 1, която показва средния прием на P и C от половете за всеки DP, както и RIP за всеки пол (изчислен като среден прием на тези хранителни вещества през DP и представлява точката в хранителното пространство че хората активно защитават, когато им е даден избор на диета). С изключение на DP3, щурците на всички останали DP показват предпочитание да консумират относително повече C от P (фиг. 1). Това предпочитание към C обаче е по-видно при мъжете с RIP при съотношение P: C 1: 2,02, отколкото при жените с RIP при съотношение P: C 1: 1,71 (фиг. 1), с неслучайно хранене, потвърждаващ активната регулация на хранителните вещества, намерен и за двата пола във всичките четири DP (фиг. S4).

генотип

Средният (± SE) прием на P и C от мъжки (сини символи) и женски (червени символи) T. commodus. Отворените символи представляват средния прием на хранителни вещества във всяка от четирите диетични двойки (обозначени с номер на двойка), докато плътните символи представляват регулираната точка на прием (RIP), изчислена като средната стойност за четирите диетични двойки. Плътните сини и червени линии представляват хранителните релси (линии в хранителното пространство, което представлява фиксиран прием на хранителни вещества), които преминават през RIP за мъже (P: C съотношение 1: 2.02) и жени (P: C съотношение 1: 1,71). Черните пунктирани линии (P: C съотношения 5: 1 и 1: 8) представляват външните хранителни релси на хранителния пейзаж

И за двата пола LM е най-висок при DP4, последван от DP2, DP3 и DP1 (фиг. 2). Въпреки това, въпреки по-високата консумация на диети от жените, LM всъщност е по-висока при мъжете (фиг. 2). Анализът на повърхността на отговора показа, че LM се увеличава линейно с приема на C и при двата пола и намалява линейно с приема на P при мъжете, но не и при жените (Таблица 2). Имаше значителни положителни квадратични ефекти от приема на Р върху LM и при двата пола, но няма значителни квадратични ефекти от приема на С (Таблица 2). Налице е значителен отрицателен корелационен ефект от приема на хранителни вещества върху LM при мъже, но не и при жени (Таблица 2). Ефектът от приема на хранителни вещества върху LM при двата пола е представен като тънки пластини на фиг. 2 и те потвърждават, че LM е максимизиран при висок прием на C и нисък прием на P и при двата пола. Всъщност подходът на последователно изграждане на модели разкри, че линейните (F2,2068 = 1,16, P = 0,31), квадратичен (F2,2064 = 2,33, P = 0,10) и корелационна (F1,2062 = 2,80, P = 0,10) ефектите от приема на Р и С върху LM не се различават значително при двата пола.

Визуализации на ефекта на приема на протеини (P) и въглехидрати (C) върху липидната маса в а женски и б мъжки пол Teleogryllus commodus. Във всеки сплайн червените области представляват по-високи стойности за измерения признак, докато сините области представляват по-ниски стойности. Белите кръстове представляват RIPs от фиг. 1, насложени върху съответните женски и мъжки пейзажи. Черните символи представляват средния прием на P и C на всяка майка в четирите диетични двойки

Норми за реакции, илюстриращи взаимодействието на двойката генотип по диета (G-by-Sex) за общото количество изядена диета (TE), общото предпочитание на хранителните вещества (TP) и липидната маса (LM) при мъже и жени T. commodus. Женските са представени със сив фон, а мъжките с бял фон. Всяка колона на фигурата представя специфично сравнение на двойки диети между половете за всяка черта. Във всеки панел линиите представляват отговора на даден генотип в две диетични двойки

Норми за реакция, илюстриращи взаимодействието генотип по пол (G-by-Sex) за общото изядено (TE), общото хранително предпочитание (TP) и липидната маса (LM) в различните диетични двойки в T. commodus. Във всеки панел линиите представляват отговора на даден генотип в две диетични двойки

Дискусия

Достъпност на данни

Данните са достъпни от цифровото хранилище Dryad: https://doi.org/10.5061/dryad.cj3315s.

Препратки

Arrese EL, Soulages JL (2010) Тяло от насекоми: енергия, метаболизъм и регулиране. Annu Rev Entomol 55: 207–225