Gândacii scăpați mănâncă ghinde pentru a-și crește dezvoltarea ovariană și toleranța termică

José R. Verdú

1 I. U. CIBIO, Universitatea din Alicante, Alicante, Spania,

José L. Casas

1 I. U. CIBIO, Universitatea din Alicante, Alicante, Spania,

Jorge M. Lobo

2 Muzeul Național de Științe Naturale, CSIC, Madrid, Spania,

Catherine Numa

1 I. U. CIBIO, Universitatea din Alicante, Alicante, Spania,

Conceput și proiectat experimentele: JRV JLC JML CN. Experimentele efectuate: JRV JLC. Am analizat datele: JRV JLC JML. Reactivi/materiale/instrumente de analiză contribuite: JRV JLC. Am scris lucrarea: JRV JLC JML CN.

Abstract

Animalele mănâncă diferite alimente în proporții care produc un echilibru mai favorabil al nutrienților. În ciuda exemplelor cunoscute ale acestor comportamente în diferite impozite, beneficiile lor ecologice și fiziologice rămân neclare. Am identificat o schimbare dietetică surprinzătoare care conferă avantaje ecofiziologice la o specie de gândac de bălegar. Thorectes lusitanicus, o specie ecosistemică mediteraneană adaptată să mănânce balegă demisecă și uscată (consumatori de fibre de balegă) este, de asemenea, atrasă activ de ghindele de stejar, consumându-le și îngropându-le. Consumul de ghindă pare să confere potențiale avantaje față de gândacii care nu mănâncă ghindă: gândacii hrăniți cu ghindă au prezentat îmbunătățiri importante în masa corpului gras, în compoziția hemolimfei și în dezvoltarea ovarelor. În perioada de reproducere (octombrie-decembrie) gândacii care încorporează ghinde în dieta lor ar trebui să aibă o rezistență îmbunătățită mult la condiții de temperatură scăzută și o dezvoltare ovariană îmbunătățită. Pe lângă îmbunătățirea înțelegerii relevanței plasticității dietetice pentru biologia evolutivă a gândacilor, aceste rezultate deschid calea către o înțelegere mai generală a implicațiilor ecofiziologice ale selecției dietetice diferențiale asupra ecologiei și biogeografiei acestor insecte.

Introducere

Modificările nutriționale pot modifica toleranța termică prin influența lor asupra producției de proteine ​​antigel [12], [13]. Deși alte nevoi dietetice decât colectarea de energie pot fi critice, predicțiile generale ale teoriei optime a hrănirii este că organismele care hrănesc să își maximizeze rata netă de consum de energie cu pierderea minimă de timp; animalul își mărește capacitatea fizică prin adoptarea unor modele de hrănire care maximizează aportul pe unitate de timp al unei monede dietetice critice, în general energie [14]. Unele preziceri frecvente ale acestei teorii sunt „faptul că alimentele mari ar trebui preferate alimentelor mici și neuniforme față de alimentele distanțate; alimente bogate în calorii la alimente sărace în calorii ”. Cu toate acestea, animalele pot consuma alimente diferite în proporții care produc un echilibru mai favorabil de nutrienți decât din oricare dintre aceste alimente, o strategie comportamentală numită auto-selecție dietetică [14], [15], [16], [17]. Aici arătăm pentru prima dată modul în care diversificarea dietei unei specii de gândaci de bălegar pentru a consuma ghinde permite îmbunătățirea toleranței termice și a capacității de reproducere în condiții de laborator. Acest lucru, la rândul său, poate ajuta la explicarea unor date ecologice și de distribuție ale acestei specii.

În perioada de reproducere, T. lusitanicus îngropă și se hrănește cu ghinde de Quercus, cu implicații ecologice importante.

În plus față de posibilele implicații ecologice pentru regenerarea pădurilor, există un mare interes în înțelegerea avantajelor acestei schimbări dietetice a gândacilor de gunoi de la balegă la ghindă, precum și a posibilelor implicații fiziologice și reproductive ale acestei diversificări în nișa trofică. În această lucrare, prezentăm dovezi experimentale care ajută la explicarea posibilelor beneficii ale acestui comportament izbitor [19]. Având în vedere conținutul ridicat de acizi grași polinesaturați, trigliceride și steroli prezenți în ghindă [25], demonstrăm că această expansiune a dietei afectează în mod semnificativ dezvoltarea corpului grăsimilor, compoziția hemolimfei, rezistența la frig și dezvoltarea ovarelor în condiții de laborator. În plus, includem și câteva date de teren și dovezi de istorie ecologică și naturală care susțin relevanța consumului de ghindă în condiții naturale, sugerând astfel că unele insecte probabil au capacitatea de a-și spori capacitatea de mediu și de reproducere prin schimbarea comportamentului lor trofic.

Rezultate

Gândacii hrăniți cu ghinde au dezvoltat un corp gras de 4,6 ori mai greu decât cei hrăniți cu balegă de vacă (tabelul 1). Dimensiunea impresionantă atinsă de acest țesut la gândacii hrăniți cu ghindă a fost chiar evidentă cu ochiul liber (Fig. 2A).

Dietele pe bază de ghinde (A și C) și balegă de vacă (B și D). FB: corp gras; Oo (m): ovocit matur; Oo (u): ovocit nedezvoltat.

tabelul 1

Compoziția hemolimfei a fost, de asemenea, modificată pe larg de dietă, în special în ceea ce privește tipul și conținutul de acizi grași și conținutul de proteine. Toți acizii grași găsiți în hemolimfa gândacilor hrăniți cu balegă de vacă (palmitic, 16: 0; palmitoleic, 9-cis 16: 1; oleic, 9-cis 18: 1; și acid linoleic, 9,12-cis 18: 2 ) a crescut de două până la trei ori în hemolimfa gândacului hrănită cu ghindă (Tabelul 1). Dieta cu ghindă a determinat, de asemenea, prezența în hemolimfă a acidului stearic (18: 0) și linolenic (9,12,15-cis 18: 3), ambii nedetectabili în dieta cu bălegar de vacă (Tabelul 1).

Probabil, cea mai remarcabilă caracteristică a hemolimfei gândacilor hrăniți cu ghindă a fost legată de conținutul de proteine, care a fost de 4,6 ori mai mare decât cel găsit în hemolimfa gândacilor hrăniți cu balegă de vacă (Tabelul 1). Deși tipul și identitatea acestor proteine ​​sunt cercetate în prezent în laboratorul nostru, prima consecință a acestei mari diferențe în conținutul de proteine ​​derivat din dietă a fost variația unor caracteristici biofizice ale hemolimfei (Tabelul 1). Am constatat o reducere a punctului de răcire superioară (SCP) de la -8,50 ± 2,17 ° C (medie ± sd) în hemolimfa gândacilor hrăniți cu balegă de vacă la -13,48 ± 1,15 ° C față de cea a gândacilor hrăniți cu ghindă. Pe lângă modificarea hemolimfei SCP, dieta a adus și o modificare a activității de histerezis termică (THA) detectată în hemolimfă, care a crescut de la 0,41 ± 0,02 ° C la gândacii hrăniți cu balegă de vacă la 0,64 ± 0,04 ° C în gândacii hrăniți cu ghindă. Glicerolul a fost găsit la concentrații similare în hemolimfă, indiferent de dietă (Tabelul 1).

Datele comportamentale privind activitatea T. lusitanicus în condiții de laborator au arătat că acei indivizi care se hrănesc cu ghinde au fost semnificativ mai activi la cele două temperaturi de mediu examinate. Nouăzeci și unu la sută și 85,5% dintre persoanele care se hrănesc cu ghinde rămân active atât la 20 ° C, cât și la 10 ° C, în timp ce 43,6% și 17,2% dintre persoanele care se hrănesc cu balegă de vacă au fost active la ambele temperaturi, respectiv (Tabelul 1).

În cele din urmă, gândacii hrăniți cu ghinde au prezentat, de asemenea, o dezvoltare mai mare a ovarelor lor, un număr mai mare de ovocite mature pe ovar și o greutate medie mai mare de ovocite care gândacii hrăniți cu balegă de vacă. Mai mult, numărul ovarelor nedezvoltate a fost mai mare la gândacii hrăniți cu balegă de vacă (Tabelul 2) decât la gândacii hrăniți cu ghinde.

masa 2

Discuţie

La speciile intolerante la îngheț și la iernare, precum T. lusitanicus, SCP și THA sunt două caracteristici care cresc în toamnă pentru a promova supraviețuirea în timpul iernii. În cazul T. lusitanicus, modularea nivelurilor SCP și THA în timpul iernii poate fi un mecanism important în prevenirea formării înghețării inoculative (prin contactul cu gheața) în perioadele de îngheț. În zona de distribuție a T. lusitanicus, perioadele de zăpadă și îngheț sunt rare, deși în unele ocazii temperatura mediului înregistrată în timpul iernii poate ajunge la -5 ° C. Cu toate acestea, o specie moderat tolerantă la frig, cum ar fi T. lusitanicus, poate profita în situații naturale atunci când SCP se diminuează, deoarece rata de supraviețuire la temperaturi scăzute poate crește drastic. La speciile moderat tolerante la frig și sensibile la frig, modificările ratelor de supraviețuire sunt legate de valorile SCP [31], fiind creșterea SCP o strategie frecventă de supraviețuire în perioadele cele mai reci [32]. De exemplu, în cazul gândacului curculionid Rhynchaenus fagi, deși această specie are un SCP de -25 ° C, mai puțin de 30% dintre indivizi supraviețuiesc după 50 de zile la -15 ° C [33].

Consumul de ghindă pare să afecteze și capacitatea de reproducere a acestei specii. Greutatea ovarului, numărul de ovocite pe ovar și greutatea medie a ovocitelor au fost semnificativ mai mari la persoanele hrănite cu ghindă (vezi Fig. 2C și Tabelul 2) decât la gândacii hrăniți cu balegă de vacă, care au avut, de asemenea, un număr mai mare de nedezvoltate. ovare. Această dezvoltare ovariană mai mare poate fi îmbunătățită prin conținutul ridicat de acizi grași. Acizii palmitici, oleici și linoleici sunt cei mai abundenți în timpul ciclului de reproducere al multor insecte [34]. Majoritatea insectelor au o cerință nutrițională pentru acizii grași polinesaturați, iar multe studii au subliniat că fie acizii linoleici, fie cei linolenici satisfac această necesitate nutrițională. Absența sau deficiența acestor compuși are ca rezultat eșecuri în metamorfoză, creșterea nimfelor și apariția adulților bine formați [35]. În cazul T. lusitanicus, o dietă pe bază de ghindă nu numai că asigură concentrații mari de acizi grași, ci este și sursa unică a acidului linolenic esențial.

Analiza acizilor grași

Punctul de răcire

Temperaturile de răcire ale hemolimfei sub punctul său de îngheț, fără ca acesta să devină solid, au fost măsurate cu o cameră termică cu infraroșu termică FLIR Thermacam P620 cu o rezoluție de 640 × 480 pixeli și un detector de microbolometru Focal Plane Array cu un interval spectral de 7,5–13 andm și un sensibilitate termică de ± 0,06 ° C la 30 ° C. Am folosit software-ul ThermaCAM ™ Researcher v 2.9 [56] pentru a înregistra și analiza imaginile termice obținute. Punctele de răcire au fost măsurate prin determinarea temperaturii la care are loc reacția exotermă de cristalizare (căldura latentă de cristalizare) la debutul înghețului [57] (Fig. 3). Pentru a standardiza toate măsurile, am selectat punctul de răcire obținut în torace (Fig. 3). Am stabilit viteza de răcire la 0,5 ° C/min. Viteza de răcire a fost menținută folosind un incubator încălzit și răcit programabil MIR-153 (SANYO Electric Co., Ltd) cu o precizie de ± 0,2 ° C. Experimentele punctului de răcire au fost efectuate cu o probă de hemolimfă de cel puțin zece indivizi pentru fiecare dietă.

(A) Starea de înghețare când a fost măsurat punctul de răcire; (B) cristalizarea exotermă a hemolimfei conținute în torace (vezi curba neagră de mai jos); și (C) cristalizarea hemolimfei conținute în abdomen (vezi curba cenușie de mai jos) și restul corpului. Semnele roșii indică momentul care corespunde fiecărei termografii și curbe de temperatură (temperatura toracică în curba neagră și temperatura abdominală în linia gri).

Histerezis termic

Aceste măsurători au fost făcute folosind un calorimetru cu scanare diferențială (DSC; Q-100, TA Instruments). Fiecare probă de hemolimfă (1 ul) a fost sigilată într-o tavă de aluminiu folosind o tavă goală ca martor. Probele au fost cântărite înainte de lansarea DSC. Albumina serică bovină a fost utilizată ca soluție standard fără AFP pentru a se compara cu probele care conțin AFP [58]. După Hansen și Baust [59], probele au fost răcite și încălzite la 1 ° C/min și s-au înregistrat atât punctele de cristalizare, cât și cele de topire. Am folosit hemolimfă fără ulei și am modificat câțiva parametri experimentali: probele au fost apoi răcite și echilibrate, în acest caz, la -30 ° C (rata de 1 ° C/min), menținute timp de 5 min (timp izotermic), încălzite până la succesive temperaturi parțiale de topire între –10 și 0 ° C în trepte de 0,1 ° C și menținute timp de 5 minute la fiecare increment pentru a permite interacțiunea gheață-proteină și stabilizarea sistemului. În cele din urmă, probele au fost apoi răcite încet la -30 ° C (1 ° C/min), iar păstrarea și debutul curbei exoterme de îngheț au fost înregistrate pentru fiecare ciclu DSC (Fig. 4). Debutul a fost calculat ca începutul curbei exoterme de cristalizare și a fost analizat folosind Universal Analysis 2000 v. Programul 4.1D (TA Instruments).

Curbele calorimetrice de scanare diferențială a înghețării (rata de 0,1 ° C/min) a hemolimfei (A) parțial topite de Thorectes lusitanicus și (B) albuminei serice bovine parțial topite (BSA; ca martor). Nu s-a observat nici un efect de histerezis termic în curbele cu un debit de căldură mai scăzut (temperaturile variază de la –5 la –2 ° C), în timp ce THA a fost observat în intervalele de temperatură oscilante de la -2 la -1 ° C (vezi curbele marcate de o săgeată ). BSA congelat a fost încălzit pentru a se topi parțial la diferite temperaturi de reținere și apoi a fost răcit pentru a recristaliza. Nu a fost observat niciun efect de histerezis termic în acest caz.

Efectul dietei asupra activității

Pentru a explora efectul dietetic asupra activității T. lusitanicus, au fost instalate douăsprezece recipiente de plastic (20 × 20 × 15 cm) cu 20 de indivizi de T. lusitanicus (zece bărbați și zece femele) cu un substrat de vermiculit. Anterior, șase recipiente au fost furnizate cu ghinde și șase cu balegă de vacă timp de 20 de zile în 2008 și 2009. Trei recipiente din fiecare tratament dietetic au fost plasate în camere climatice separate la 20 ° C sau 10 ° C, 60% umiditate relativă și o fotoperioadă de 15∶9 (lumină∶intuneric). Persoanele au fost verificate după patru zile, iar numărul persoanelor active a fost numărat. Persoanele au fost înregistrate ca „active” doar dacă au prezentat un comportament normal, cum ar fi mersul coordonat și extinderea antenelor. Răspunsurile nule (inactive) corespund indivizilor imobili, deoarece atât de multe picioare cât antene au rămas pliate la corp în timpul experimentului. Acest experiment a fost făcut în 2008 și 2009.

Analize statistice

Au fost utilizate teste non-parametrice Mann-Whitney pentru a examina diferențele dintre tratamente folosind StatsDirect 2.5.7 [60].

Mulțumiri

Autorii doresc să mulțumească lui S. L. Chown, B. A. Hawkins, A.T. Peterson, J. Hortal și E. Galante pentru criticile și comentariile lor constructive.

Note de subsol

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Finanțarea: Această cercetare a fost susținută de Ministerul Științei și Inovării-Spania (CGL2008-03878). Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

• Goril-X crește pierderea în greutate
• Fruta Planta mărește cu adevărat metabolismul și ajută la reducerea poftei de mâncare
• Dacă rămâi cu socrii tăi îți îmbunătățește căsnicia sau o înrăutățește
• Creștere și dezvoltare după prematuritate Tommy; s
• China cel mai ieftin preț Slimming Body Shaper - Pătură termică portabilă cu 3 zone pentru saună cu infraroșu îndepărtat