该协议可用于对自生 的Caenorhabditis 线虫进行大规模的生态调查。该方法的主要优点是有效地组织和分析与从自然界收集的线虫相关的生态和分子数据。
秀丽隐杆线虫 是生物学中的主要模式生物之一,但直到最近,研究人员才开始关注其自然生态学。关于 秀丽隐杆线虫 在其自然环境中的信息相对稀少,这来自于识别自然界中小线虫所涉及的挑战。尽管面临这些挑战,但对 秀丽隐杆线虫 生态学的日益关注已经引起了关于其实验室外生活的大量新信息。在自然界中对 秀丽隐杆线虫 的强化寻找有助于发现许多新的 Caenorhabditis 物种,并揭示了同源线虫经常在野外共存,在那里它们以与腐烂的植物材料相关的微生物水华为食。新物种的鉴定还表明,雄性和自育雌雄同体的雄激素交配系统在 Caenorhabditis中独立进化了三次。另外两个自给自足的物种, C. briggsae 和 C. tropicalis,具有 秀丽隐杆线虫 的实验优势,并且能够对重要性状的机制基础进行比较研究,包括自我受精。尽管取得了这些进展,但这些重要物种的生态和自然多样性仍有待了解。例如,我们仍然缺乏它们许多基因的功能信息,这可能只有通过了解它们的自然生态才能获得。为了促进自发 性Caenorhabditis 线虫的生态学研究,我们开发了一种高度可扩展的方法从野外收集线虫。我们的方法利用移动数据收集平台,基于云的数据库和R软件环境来增强研究人员从野外收集线虫,记录相关生态数据以及使用分子条形码识别野生线虫的能力。
在过去的二十年中,人们对线虫的生态学越来越感兴趣。从这些研究中,我们知道自由生活的Caenorhabditis物种可以从温带和热带地区的短暂微生境中分离出来,在那里它们以与分解植物材料相关的微生物水华为食,有时在sympatry1,2,3,4,5,6,7,8.我们还了解到,该属已经发生了三次自我受精的趋同进化,并且自发是C. briggsae,C. elegans和C. tropicalis的主要繁殖模式9,10。在这些自我者中,秀丽隐杆线虫是地球上研究最广泛的动物之一,已被研究人员用于在生物学方面取得关键进展。重要的是,其他自生的Caenorhabditis物种具有许多秀丽隐杆线虫的实验优势,并且正在迅速推进该属的比较研究。然而,这些线虫在野外的神秘性质使得研究其生态学和自然多样性变得困难,这对于了解其基因的生物学功能以及进化塑造物种遗传多样性的方式至关重要10,11。
研究野外自生 Caenorhabditis 线虫生态学的最大挑战是它们的小尺寸;成虫线虫的长度通常为1毫米或更小。这一挑战要求研究人员从野外采集底物样本,并试图在实验室中将感兴趣的线虫与底物分离,而无需在野外观察动物。因为即使是训练有素的专家也很难在显微镜下将自生 的Caenorhabditis 线虫与其他自由生活的线虫区分开来,因此线虫通常从底物中取出,分离出来,并在使用已建立的分子条形码通过序列标识进行鉴定之前进行增殖3,12,13,14.以这种方式处理每条线虫所需的时间和精力构成了组织上的挑战,因为研究人员必须能够将实验室中分离出的每条线虫的身份追溯到确切的底物和在现场采样的相关生态数据。在这里,我们描述了一个循序渐进的过程,以有效地从现场收集和识别自发 的Caenorhabditis 线虫,并在高尺度上忠实地将这些分离物与其相关的空间和生态数据联系起来。
这种收集方法通过使用移动数据收集平台、基于云的数据库和R软件环境来提高生态调查的规模和准确性。Fulcrum是一个可定制的数据收集平台,可与大多数移动设备配合使用,并允许用户构建自定义应用程序来收集和组织基于位置的数据(https://www.fulcrumapp.com)。该协议提供了有关如何使用定制数据收集应用程序来组织来自现场的空间显式生态数据的详细说明,并将这些数据与实验室中分离的线虫的身份准确联系起来。该协议还解释了如何使用已建立的分子条形码有效地识别自我的Caenorhabditis线虫。来自这些方法的数据可以使用随附的R软件包easyFulcrum15进行简单且可重复的处理,以探索天然Caenorhabditis种群的生态学和遗传多样性。
此协议包含必须谨慎执行的关键步骤。例如,在从现场收集样本或从实验室的样本中分离线虫之前,现场和隔离团队必须谨慎地在应用程序中选择正确的收集项目。如果选择了错误的收集项目,则最好使用在线记录编辑工具在支点数据库中更正错误的数据记录。对于许多放错位置的记录,此过程可能很繁琐。但是,数据库会保留对记录所做的任何更改,以便可以对收集和隔离记录进行完整的审核。该协议中的其他关键步骤涉及处理来自现场的样品以及从这些样品中分离出的线虫。为确保 线虫食 莲属在取样和装运步骤中存活,样品的温度应保持在4°C至25°C之间。 温度高于25°C会导致 秀丽隐杆线虫无菌14。确保尽可能在五天内将样品从收集袋转移到收集板,以尽量减少线虫的损失。在分离线虫后,在它们死亡之前对它们进行基因分型和冷冻保存至关重要。很难在超过两到三周龄的S板上找到活的线虫,因为真菌和细菌污染会使S板不适宜居住。
该协议可以轻松修改,以适应研究人员在现场可能想要收集的不同类型的数据。例如,使用Fulcrum的在线GUI进行应用程序编辑,使用新的数据输入字段可以轻松自定义“线虫场采样”应用程序。此外,数据分析包 easyFulcrum 可以在处理新数据时适应这些编辑15。用户可能发现吸引人的另一个修改是在现场使用不同的采样方法。研究人员可能希望对包含多种基板类型的较大区域进行采样,而不是对离散底物进行采样。这些较大的样品最好在实验室中使用 Baermann 漏斗或托盘提取方法进行处理13。重要的是,C标签和S标签的使用仍然适用于这些技术,因此与移动应用程序兼容。
该协议的主要局限性与在实验室中分离之前线虫的处理时间有关。首先,样本采集和线虫分离之间的滞后时间使得在采集时无法记录给定样本上线虫的发育阶段。其次,雄性和异族杂交的频率是自给自发 的Caenorhabditis 线虫的关键进化问题10。这种方法不太适合解决这些问题,因为线虫在隔离之前可能已经经历了多代。延迟隔离意味着不可能直接证明男性在自然界中的频率。此外,基因分型步骤中的多代延迟意味着在对线虫菌株进行测序之前,异型杂交(杂合性)的基因组证据将被侵蚀。为了鉴定自然界中的杂合性,使用从自然界直接分离的线虫产生的后代进行测序2。该协议的另一个潜在局限性是它偏向于识别自发性 Caenorhabditis。这是因为自生物种的孤立线虫比专性异型线虫具有更大的增殖机会,而专性异型动物只有在隔离受精的雌性时才会增殖。
此收集方法基于现有的收集协议13,14。该技术的主要进步是使用移动技术和定制软件来促进与大规模收集项目相关的大量生态和分子数据的组织。使用该收集协议生成的生态数据可用于解决 Caenorhabditis 物种自然种群的悬而未决的问题。例如,使用此方法生成的数据已用于发现夏威夷群岛上物种的生态位偏好。此外,通过对冷冻保存的线虫的基因组进行测序,研究人员可以研究遗传变异模式如何与生态数据相关联。此类研究可以揭示 Caenorhabditis 种群中局部适应的特征,并为自然环境中遗传变异的相关性提供重要见解8。为了获得对 线 虫内膜炎许多基因的功能性理解,可能需要进行生态学研究11。即使对于 秀丽隐杆线虫 来说,很大一部分基因也缺乏功能注释,尽管它是第一个被测序的多细胞动物,也是地球上研究最彻底的动物之一。该收集方案的开发旨在通过促进野生 Caenorhabditis 线虫的收集以及对其生态学和自然遗传多样性的研究来帮助解决这一知识差距。
The authors have nothing to disclose.
这项研究得到了西北大学的启动资金和国家科学基金会职业奖(IOS-1751035)的支持,两者都授予E.C.A.
Adhesive labels | Avery | 61533 | Printing the C-labels and S-labels |
Agarose | Thomas Scientific | C748D75 | agarose gel preparation |
Backpack | A backpack for each team member to hold equipment, samples, food, and water for the day. | ||
Cardboard boxes | Fisher Scientific | AS261 | Storage of S-plates |
Centrifuge | NA | NA | Neamtode lysis, SSU and ITS2 PCR |
Collection bags | Zip-lock | NA | Collection of substrates |
Digital temperature/humidity meter | Preciva | HT-86 | Measurement of ambient temperature and humidity |
Disecting scope | NA | NA | Nematode isolation, lysis |
Disposible reservoirs | USA Scientific | 1306-1010 | Aliquoting PCR master mixes and loading dye |
DNA ladder, 1 KB plus | Thermo Scientific | SM0243 | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
dNTPs | Thomas Scientific | CB4430-2 | PCR master mix component |
easyFulcrum R package | NA | NA | An R package for processing collection data http://andersenlab.org/easyfulcrum/articles/easyFulcrum.html |
EDTA solution (0.5 M pH 8.0) | NA | NA | See supplemental table 3 for recipe |
Ethanol (95%) | NA | NA | Plating out samples, spoon sterilization |
Ethidium bromide solution (10 mg/mL) | VWR | 97064-602 | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
External battery charger for mobile device | NA | NA | External battery charger and charging cable for iPhone or Android |
Flask (500 mL) | Fisher Scientific | FB501500 | agarose gel preparation |
Food | NA | NA | Pack accordingly |
Gel electrophoresis apparatus | Thermo Scientific | B2 | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
Gel electrophoresis power supply | BioRad | 1645050 | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
Gel loading dye, 6x | NEB | B7022S | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
ITS2 primer set | NA | NA | oECA1687 = forward primer CTGCGTTACTTACCACGAATTG CARAC, oECA202 = reverse primer GCGGTATTTGCTACTACCAYYAM GATCTGC |
ITS2 sequencing primer | NA | NA | oECA306 = forward primer CACTTTCAAGCAACCCGAC |
Lysis buffer | NA | NA | Nematode lysis, see protocol for recipe |
Microwave | NA | NA | agarose gel preparation |
Mobile device | NA | NA | Charged phone in airplane mode. The Fulcrum app GPS positions are inaccurate compared to the GPS positions extracted from pictures. This setting ensures that you use less power and get more precise GPS measurements. |
NGMA plates, 10 cm | Fisher Scientific | FB0875713 | C-plates, see Andersen et al. 2014 for NGMA plate protocol. |
NGMA plates, 3.5 cm | Greiner Bio-One | 5662-7102Q | S-plates, see Andersen et al. 2014 for NGMA plate protocol. |
Non-contact infrared thermometer | Etekcity | B00837ZGRY | Measurement of substrate temperature |
Paper towels | NA | NA | Paper towels for absorbing excess moisture in a bagged sample. |
Parafilm | Fisher Scientific | 13-374-12 | Plate sealing |
PCR adhesive foil | VWR | 60941-126 | PCR adhesive foil |
PCR buffer (10x) | Thomas Scientific | CB3702-7 | PCR master mix component |
PCR plates (96-well) | Thomas Scientific | 1149K04 | SSU and ITS2 PCRs |
Pencil | NA | NA | |
Plastic spoons | NA | NA | Plating out samples |
Platinum pick | NA | NA | Nematode isolation, lysis |
Pre-labeled ziplock collection bags | NA | NA | Bundles of zip-lock plastic bags pre-labelled with C-label barcodes. Each bundle should contain 25 barcoded bags wrapped with a rubber band. |
Proteinase K | Sigma | 3115879001 | Nematode lysis, added to lysis buffer just prior to use |
R software | NA | NA | R software: A language and environment for statistical computing https://www.R-project.org/ |
Soft cooler bag and ice pack | NA | NA | Collection coolers and cooler packs to keep samples cool when ambient temperature is above 25 °C. |
Spare batteries | NA | NA | Extra batteries for sampling equipment |
SSU primer set | NA | NA | oECA1271 = forward primer TACAATGGAAGGCAGCAGGC, oECA1272 = reverse primer CCTCTGACTTTCGTTCTTGATTAA |
Strip tube caps (12-well) | Thomas Scientific | 1159V29 | Nematode lysis |
Strip tubes (12-well) | Thomas Scientific | 1159V31 | Nematode lysis |
TAE buffer (1x) | NA | NA | Visualizing SSU and ITS2 PCR products. See supplemental table 3 for recipe |
Taq polymerase | Thomas Scientific | C775Y45 | PCR master mix component |
Thermocycler | NA | NA | Neamtode lysis, SSU and ITS2 PCR |
Water | NA | NA | Pack accordingly |