James Warbrick-Smith

* Departamentul de zoologie, Universitatea din Oxford, South Parks Road, Oxford OX1 3PS, Regatul Unit;

Spencer T. Behmer

Kwang Pum Lee

‡ Școala de Științe Biologice, clădirea Heydon - Laurence, A08, Universitatea din Sydney, Sydney NSW 2006, Australia; și

David Raubenheimer

§ Secția Școala de Științe Biologice, Ecologie, Evoluție și Comportament și Institutul Liggins, Universitatea din Auckland, Auckland, Private Bag 92019, Noua Zeelandă

Stephen J. Simpson

* Departamentul de zoologie, Universitatea din Oxford, South Parks Road, Oxford OX1 3PS, Regatul Unit;

‡ Școala de Științe Biologice, clădirea Heydon - Laurence, A08, Universitatea din Sydney, Sydney NSW 2006, Australia; și

Contribuțiile autorului: S.J.S., D.R., S.T.B. și J.W.-S. cercetare proiectată; J.W.-S., S.T.B. și K.P.L. cercetări efectuate; J.W.-S. și S.J.S. date analizate; și J.W.-S., S.J.S., S.T.B. și D.R. a scris ziarul.

Abstract

O problemă centrală, dar ne studiată, în ecologia evolutivă este modul în care animalele se adaptează la schimbările din mediul lor nutritiv pentru a echilibra costurile și beneficiile achiziției, alocării și stocării nutrienților (1-3). Acest lucru are o relevanță evidentă pentru oamenii moderni, dar se aplică mai general în cazul în care schimbările climatice, utilizarea terenului și biodiversitatea modifică mediul nutrițional al unui animal. De exemplu, modificările concentrației atmosferice de CO2 vor avea ca rezultat creșterea ratei de fotosinteză și, prin urmare, stocarea carbohidraților de către plante (4). Se știe că erbivorele insectelor posedă diverse răspunsuri adaptive pe termen scurt la variabilitatea spațială și temporală care este tipică plantelor (5, 6), inclusiv hrănirea compensatorie, selecția alimentelor complementare și modificările procesării nutrienților postestivi (1, 2). Cu toate acestea, rămâne întrebarea cu privire la modul în care populațiile se adaptează de-a lungul generațiilor în fața schimbărilor persistente în tiparele de disponibilitate a nutrienților și modul în care răspunsurile diferitelor etape ale vieții sunt coordonate.

Când se confruntă cu diete dezechilibrate nutrițional, hrănirea compensatorie pentru nutrienții limitativi are ca rezultat supraingestia altor nutrienți, așa cum se vede adesea când insectele sunt limitate la alimente cu conținut scăzut de proteine ​​față de carbohidrați (P/C) (1). Multe animale, nu doar insecte, reglează foarte strâns aportul de proteine ​​(7, 8) și, prin urmare, tind să ingereze excese substanțiale de energie atunci când se hrănesc cu alimente cu P/C scăzut. Deși insectele sunt capabile să disipeze o proporție a exceselor de energie ingerate prin termogeneza crescută (9, 10), excedentele suficient de mari pot avea ca rezultat creșterea stocării lipidelor și reducerea fitnessului (2, 11). Încă nu a fost stabilit dacă depozitarea grăsimilor este cauza directă a unei condiții fizice reduse sau un corelat al altor efecte nocive ale consumului excesiv de carbohidrați.

Prin urmare, s-ar putea prezice că, în medii persistente cu P/C, selecția va funcționa pentru a atenua costurile de depozitare a excesului de lipide. Există două trăsături care s-ar putea schimba ca răspuns la selecție: cantitățile de astfel de diete consumate și modul în care sunt prelucrate substanțele nutritive ingerate. Deoarece animalul trebuie să consume cantități adecvate de proteine ​​și restricționarea aportului pentru a evita ingerarea exceselor de carbohidrați va presupune în mod inevitabil consumul de mai puține proteine, rezultă că un rezultat probabil al selecției în medii cu nivel scăzut de P/C ar fi fenotipurile care disipă excesul de carbohidrați, mai degrabă decât acumulați-l și păstrați-l ca grăsime. În schimb, mediile în care există o scurtare cronică a carbohidraților ar trebui să favorizeze modificările metabolismului care promovează stocarea energiei prin lipogeneză. Echilibrul dintre disipare și depozitare a fost mutat la rozătoarele obeze genetic (12), iar eșecul disipării, mai degrabă decât stocării, a energiei ca răspuns la dietele moderne bogate în energie a fost implicat ca un factor cauzal important în epidemia de obezitate umană ( 13).

Adaptarea la un mediu nutrițional în schimbare poate necesita coordonarea răspunsurilor fenotipice în diferite etape ale vieții. În cazul erbivorelor insectelor în care larvele sunt principalele etape de hrănire, nu numai că răspunsurile nutriționale larvare trebuie să se adapteze, dar alegerea locurilor de ouat de către femelele adulte poate fi necesară și schimbarea pentru a urmări răspunsurile nutriționale în evoluție ale larvelor, ducând la o corelație pozitivă între preferința femelelor de a depune ovopozite pe o anumită plantă și capacitatea larvelor de a se dezvolta pe acea plantă (14, 15). Până în prezent, dovezile unei astfel de relații pozitive sunt contradictorii, multe studii raportând doar corelații parțiale sau negative (16, 17).

În consecință, am efectuat două experimente de selecție cvasi-naturale separate, replicate de laborator, folosind molia diamantată, Plutella xylostella L., pentru a testa ipotezele că (i) pragul pentru depunerea grăsimii în larve este o țintă de selecție împotriva costurilor obezității și (ii) că preferințele de ouă ale femeilor se vor deplasa către dieta la care larvele s-au adaptat.

Rezultate

Schimbarea depunerii de lipide pe regimurile de dietă artificială.

Larvele au fost crescute timp de opt generații pe regimuri artificiale influențate fie de proteine, fie de carbohidrați [compoziția medie în procente din masa uscată de P/C de 45: 7 și respectiv 14:38]. După una, patru și opt generații de selecție, cohorte aleatorii de larve au fost îndepărtate din fiecare dintre liniile replicate, crescute pe o dietă „ancestrală” comună de P/C de 26:26 pentru primele trei stadii larvare și apoi plasate pentru stadionul lor final pe una din cele cinci diete de testare diferite în P/C (P/Cs de 12:40, 19:33, 30:22, 40:12 și 47: 5). Utilizarea carbohidraților a fost investigată prin trasarea conținutului de lipide pupale în funcție de cantitatea de carbohidrați ingerată pe parcursul stadionului larval final.

obezitate

Parcele de utilizare a carbohidraților (18) pentru experimentul de selecție a dietei artificiale. Punctele reprezintă medii (± SE) pentru fiecare dintre cele cinci diete de test grupate pe cele trei linii replicate în cadrul fiecărui regim de selecție (n ≈ 20 pentru fiecare punct de date). (A - C) Dietele de testare sunt afișate de la stânga la dreapta după cum urmează, ca P/Cs: 47: 5, cercuri; 40:12, triunghiuri inversate; 30:22, pătrate; 19:33, diamante; și 12:40, triunghiuri. Simbolurile umplute și liniile punctate corespund regimului bogat în carbohidrați, în timp ce simbolurile deschise și liniile solide corespund regimului bogat în proteine. Rețineți că, în unele cazuri, barele de eroare sunt ascunse de punctele de date. Se afișează generațiile unu (A), patru (B) și opt (C). Pentru fiecare regim, regresiile pătratice au fost adaptate datelor. Rețineți cum, pe măsură ce experimentul a progresat, larvele bogate în carbohidrați au consumat mai mulți carbohidrați înainte de a începe să stabilească niveluri ridicate de lipide, în timp ce larvele bogate în proteine ​​au început să stabilească niveluri ridicate de lipide la niveluri mai mici de consum de carbohidrați.

Schimbarea depunerii de lipide la mutanții nutriționali ai Arabidopsisului.

Un al doilea experiment a imitat designul primelor mutante de expresie a amidonului Arabidopsis thaliana, dar utilizate, în locul dietelor artificiale. Utilizarea plantelor care exprimă mutații în căile metabolice oferă un cadru ideal pentru combinarea realismului ecologic cu controlul asupra variabilelor predictive biochimice (19). Insectele au fost crescute timp de opt generații pe unul dintre cei doi mutanți Arabidopsis, diferind foarte mult în profilul lor P/C. Unul dintre mutanți, fosfoglucomutaza (pgm), este incapabil să sintetizeze amidonul (20). Celălalt, sex1, este defect în abilitatea sa de degradare și mobilizare a amidonului și, prin urmare, conține o abundență de carbohidrați (21). În ceea ce privește profilul macronutrienților, pgm are un P/C mai mare decât sexul 1 (raporturile reale au fost 1,5: 1 și 0,4: 1 pentru pgm și respectiv sex1).

După opt generații de selecție, nivelurile de lipide pupale din diferitele regimuri de selecție au diferit semnificativ (ANOVA: F3,231 = 80,74, P Fig. 2). În medie, pupele selectate cu amidon scăzut conțineau 27,4 ± 0,52% din masă lipide, comparativ cu 14,4 ± 0,52% (medie ± SE) pentru pupele selectate cu amidon ridicat. Acest rezultat este în concordanță cu datele din experimentul de dietă artificială, în care larvele cu un regim bogat în carbohidrați au evoluat pentru a converti mai puțini carbohidrați ingerați în grăsimi corporale. Nivelurile de lipide din pupa dintr-o linie de control (neselectată) au fost similare cu cele ale pupelor cu conținut scăzut de carbohidrați, iar nivelurile de lipide pupale au fost similare în cadrul regimurilor de selecție, indiferent dacă s-au hrănit cu mutantul cu amidon ridicat sau scăzut (ANOVA: F1, 231 = 0,10, P = 0,750).

Conținutul de lipide al pupelor din experimentul de selecție mutantă Arabidopsis. Larvele au fost luate din trei regimuri, neselectate, selectate pe mutant Arabidopsis cu amidon ridicat (sex1) sau selectate pe mutant Arabidopsis cu amidon scăzut (pgm) și au fost testate pe oricare dintre cei doi mutanți ai plantelor (barele negre reprezintă mutanții cu amidon scăzut, iar barele gri reprezintă mutanții cu amidon ridicat). Masa lipidică este prezentată ca mijloc (± SE), iar numerele direct deasupra barelor de eroare indică dimensiunea eșantionului. Nu a existat nicio diferență în conținutul de lipide la cei doi mutanți într-un regim de selecție, dar între regimuri s-au detectat diferențe semnificative. Literele de deasupra barelor se referă la contrastele post hoc ale lui Tukey, iar regimurile cu aceeași literă nu sunt semnificativ diferite la α = 0,05. Rețineți cum larvele crescute timp de opt generații pe mutantul cu amidon ridicat (sex1) au avut niveluri substanțial mai scăzute de lipide ale corpului decât pupele cu amidon redus (pgm) sau neselectate.

Schimbare în preferința ovipoziției după creșterea pe mutanți Arabidopsis.

A existat un efect semnificativ al regimului de selecție asupra preferinței gazdei prin ovipozitarea moliilor. Femelele din liniile de selecție cu amidon scăzut au preferat să se depoziteze pe gazda lor de creștere (test bidirecțional, cu un singur eșantion: t22 = 2,32, P = 0,030), dar femelele din liniile selectate și neselecționate cu amidon înalt nu au prezentat preferință pentru oricare mutant (test t cu două căi și cu o singură probă: t51 = -0,77, P = 0,446; t28 = 0,26, respectiv P = 0,797) (Fig. 3).

Preferințe de ovipoziție la molii cu conținut ridicat de amidon (sex1), cu conținut redus de amidon (pgm) și molii neselectate Datele indică media (± SE) a scorurilor de ovipoziție ajustate cu Levene. Valorile pozitive indică o preferință pentru mutantul cu amidon scăzut, în timp ce numerele negative indică o preferință pentru mutantul cu amidon ridicat. Numerele de deasupra barelor de eroare se referă la dimensiunea eșantionului la femelele testate.

Discuţie

Consumul de carbohidrați în exces față de necesități duce la depunerea unor niveluri ridicate de grăsime corporală și la o viabilitate redusă la insectele larvare (1), inclusiv la Lepidoptera (2, 11), la fel și la alte animale, în special la oameni, la care carbohidrații se deplasează oxidarea grăsimilor, crescând astfel stocarea grăsimilor. Rezultatele noastre indică faptul că restricția la o dietă bogată în carbohidrați pe mai multe generații în Plutella duce la scăderea depunerii de grăsime corporală pentru același consum de carbohidrați, în timp ce restricționarea la o dietă cu conținut scăzut de carbohidrați duce la creșterea stocării grăsimilor. Aceste rezultate implică puternic faptul că depozitarea excesivă a grăsimilor are un cost de fitness și că un astfel de cost merită plătit în mediile în care carbohidrații sunt puțini.

Doi factori sugerează un rol semnificativ pentru adaptarea genetică în aceste răspunsuri, pe lângă orice rol jucat de efectele de mediu ale părinților (22). În primul rând, regimurile de selecție Arabidopsis au folosit un mediu de creștere comun pentru o generație completă înainte de a testa larvele pe ambele gazde, dar au dat totuși rezultate care le-au coroborat pe cele ale experimentului de dietă artificială, unde doar primele trei stadii larvare înainte de testare erau comune, dieta ancestrală. O astfel de concordanță produce un efect parental indus de mediu asupra metabolismului descendenților, asemănător răspunsurilor adaptive predictive în dezvoltarea mamiferelor (23, 24), un mecanism puțin probabil pentru explicarea tiparelor de acumulare a grăsimilor observate în timpul experimentului de dietă artificială. În al doilea rând, modificările observate în stocarea lipidelor au fost direcționale și progresive; prin urmare, dacă au fost implicate efecte parentale, acestea trebuie să fi fost cumulative.

Având în vedere că larvele reprezintă etapa principală de hrănire în istoria vieții Plutella și a multor alte insecte holometabolice, selecția nutrienților larvați folosiți ca răspuns la dietă va avea un impact asupra întregii istorii de viață a animalului. Astfel, când larvele Drosophila melanogaster au fost selectate artificial pentru rate de hrănire scăzute, au depus mai puțină grăsime înainte de pupație și au dat naștere adulților care au trăit mai mult și au o fecunditate mai mică a vieții timpurii decât larvele selectate pentru rate de hrănire ridicate (25). În sens invers, când focalizarea selecției în Drosophila a fost longevitatea adulților și fecunditatea timpurie a vieții, metabolismul larvelor s-a schimbat în mod similar, ca și cum ar fi fost selectată rata de hrănire a larvelor (26). În mod similar, selecția pentru rezistența la înfometare la adultul Drosophila a dus la creșterea depunerii de grăsime larvară, dar a costat un cost al supraviețuirii larvelor reduse (27).

O altă componentă cheie din istoria vieții este alegerea locului de ouat de către molii femele. Am constatat o schimbare către o preferință pentru depunerea ouălor pe gazda natală la femelele crescute timp de opt generații pe mutantul Arabidopsis cu conținut scăzut de carbohidrați pgm, chiar și după o generație de creștere pe o altă gazdă (Brassica napus). În schimb, nu a existat nicio schimbare semnificativă către ovipoziția preferențială pe mutantul sex1 cu amidon ridicat după selecția pe acea plantă. Răspunsul observat al comportamentului de ovipoziție la selecție, cel puțin în cadrul populației pgm, indică faptul că femelele pot distinge între cei doi mutanți. Nu se știe dacă molii au răspuns la nivelurile de nutrienți din (sau pe) plante (28-30) sau la diferențele corelate în chimia secundară a plantelor (31).

Natura mecanismelor care stau la baza modificărilor metabolismului glucidic și lipidic în Plutella larvară este încă necunoscută, dar ar putea implica o creștere a ratei respirației (9, 10), o capacitate crescută de a anula excesul de carbohidrați din intestin și/sau o scădere în eficiența cu care carbohidrații digerați sunt transformați în lipide stocate (32 –34). Oricare ar fi mecanismele, demonstrația că fiziologia nutrițională a larvelor și comportamentul ovipoziției adulților răspund rapid la schimbările din mediul nutrițional are implicații nu numai pentru prezicerea răspunsurilor speciilor de dăunători de insecte la diferite soiuri de plante și schimbări climatice (35), ci și, mai general, pentru orice organism heterotrof care se găsește într-un mediu nutrițional modificat. Rezultatele sugerează că, cel puțin în cadrul simplificat al unui mediu de laborator, diferențele în profilurile macronutrienților din plante pot promova divergența populației asociate gazdei.

Materiale și metode

Experiment de selecție a dietei artificiale.

Regimurile de selecție au fost continuate timp de opt generații. După una, patru și opt generații de selecție, un subset de ouă a fost îndepărtat din fiecare linie de replică, iar larvelor rezultate li s-a asigurat dieta ancestrală (de control) a P/C de 26:26 până la atingerea stadionului final. Larvele au fost apoi prezentate cu teste bio-hrănitoare fără alegere, proiectate în contextul cadrului geometric descris în referințe. 1 și 37. Larvele de instar final proaspăt mutați au fost plasate individual în cutii Petri de 35 mm conținând un disc de hârtie de filtru umezit și un bloc de dietă pre-cântărit. Au fost utilizate cinci diete diferite de testare (P/Cs de 12:40, 19:33, 30:22, 40:12 și 47: 5) și fiecare a fost reprodusă de opt ori. Dieta nemâncată a fost scoasă zilnic din vase, uscată până la masa constantă și cântărită la 0,01 mg. Blocurile dietetice de control au fost, de asemenea, uscate și cântărite pentru a oferi regresii cu care să se calculeze greutățile inițiale uscate ale blocurilor dietetice oferite larvelor în timpul studiilor de hrănire.

Experiment de selecție mutantă Arabidopsis.

Extracția lipidelor pupale.

Pupele din ambele experimente de selecție au fost uscate la o masă constantă la 40 ° C și cântărite până la 0,01 mg. Pupele uscate au fost plasate individual în godeurile unei plăci cu 96 de godeuri multichem Whatman (Brentford, Middlesex, Marea Britanie) și acoperite cu cloroform. După 8 ore de înmuiere, cloroformul a fost îndepărtat cu o pipetă de aspirație și înlocuit cu cloroform proaspăt. Acest proces de extracție a fost repetat pentru un total de trei spălări. Pupele au fost apoi uscate și cântărite. Conținutul de lipide a fost calculat ca masă uscată prechloroform minus masă uscată postcloroform.

Evaluarea preferinței ovipoziției în liniile crescute pe mutanți Arabidopsis.

S-au luat măsuri ale preferințelor de supunere atât la începutul experimentului (populație neselectată), cât și după opt generații de selecție. Ca și în cazul testelor de performanță larvară, populațiile selectate au fost crescute pe răsaduri de B. napus pentru o singură generație înainte de testarea ovipoziției. Aceasta a fost pentru a se asigura că orice schimbări observate în preferința ovipoziției ar putea fi atribuită mai degrabă modificărilor genetice decât principiului de selecție a gazdei Hopkins [condiționarea preimaginală determină adulții să se depoziteze preferențial pe plante pe care le-au experimentat ca larve (40)] sau moștenire chimică rămășițele mediului de creștere a larvelor influențează preferința de ovipoziție față de gazda larvelor (41)].

Pentru testul de alegere cu plante întregi, plantele individuale ale fiecărui mutant au fost potrivite pentru dimensiune și plasate una față de cealaltă în căzi de plastic de 500 ml. Ca și în cazul testelor de frunze excizate, au fost luate măsuri de precauție pentru a evita efectele de poziție. Pupaele erau împerecheați, iar adulții împerecheați au fost introduși în arene ca înainte. Ouăle au fost numărate pe fiecare plantă. O analiză inițială a fost efectuată pentru a determina dacă tipul de studiu (frunze excizate vs. plante întregi) a influențat preferința ovipoziției. Tipul de încercare nu a avut nicio influență semnificativă, fie ca efect principal (F1.96 = 1.22, P = 0.273), fie ca interacțiune cu populația (F3.96 = 0.83, P = 0.482). Prin urmare, scorurile de ovipoziție ajustate cu Levene au fost reunite în toate tipurile de studii pentru toate analizele ulterioare și reprezentarea grafică. Statistica Levene a fost calculată ca (x - y)/(x + y), unde x este numărul total de ouă depuse pe plante pgm și y este numărul de ouă depuse pe sex1. Valorile pozitive ale statisticii reprezintă astfel o preferință pentru mutantul pgm. Populațiile individuale de molii au fost analizate utilizând teste bidirecționale cu o singură probă pentru a determina dacă au prezentat o preferință de semnificație pentru oricare dintre mutanți (Levene ≠ 0).