Behavioral assays provide powerful tools for understanding neuronal function. Here we present several protocols for quantifying predatory feeding behavior found in the model nematode Pristionchus pacificus and its relatives. Additionally, we provide methods for analyzing predatory feeding adaptations including mouth structures and teeth.
This protocol provides multiple methods for the analysis and quantification of predatory feeding behaviors in nematodes. Many nematode species including Pristionchus pacificus display complex behaviors, the most striking of which is the predation of other nematode larvae. However, as these behaviors are absent in the model organism Caenorhabditis elegans, they have thus far only recently been described in detail along with the development of reliable behavioral assays 1. These predatory behaviors are dependent upon phenotypically plastic but fixed mouth morphs making the correct identification and categorization of these animals essential. In P. pacificus there are two mouth types, the stenostomatous and eurystomatous morphs 2, with only the wide mouthed eurystomatous containing an extra tooth and being capable of killing other nematode larvae. Through the isolation of an abundance of size matched prey larvae and subsequent exposure to predatory nematodes, assays including both “corpse assays” and “bite assays” on correctly identified mouth morph nematodes are possible. These assays provide a means to rapidly quantify predation success rates and provide a detailed behavioral analysis of individual nematodes engaged in predatory feeding activities. In addition, with the use of a high-speed camera, visualization of changes in pharyngeal activity including tooth and pumping dynamics are also possible.
Nematoden met hun kleine maar complexe zenuwstelsels zijn krachtige instrumenten gebleken voor het begrijpen van vele aspecten van neurobiologie, waaronder gedrag. Veel van dit onderzoek is gericht op het modelorganisme Caenorhabditis elegans waar een groot verschillende gedragingen met succes zijn ontleed en geanalyseerd. Deze omvatten mechanosensorische 3, chemotactische 4, thermotactic 5,6 en magnetotactic 7 beïnvloeden paring 8,9, het leren van 10 en voeden gedragingen 11. Echter, andere, meer ver verwant aaltjessoorten tonen gedragingen die niet zijn waargenomen in de rhabditid C. elegans of als alternatief tonen een hogere mate van complexiteit, waarvan pertinente vragen met betrekking tot hun evolutie en regelgeving verhoogt. Een zo'n voorbeeld hiervan kan worden waargenomen in de verte verwant diplogastrid nematode Pristionchus pacificus, die veel complexer voeding zijn weergegevenhaviors en ritmes dan worden waargenomen in C. elegans 1. Dit ondanks de twee soorten homologe pharyngeal neuronen 12 delen. Gelijktijdig met deze extra voeding gedrag, P. pacificus toont ook een uitgezette voeding bereik mocht zijn enthousiaste roofdieren, kunnen vullen hun dieet door bacteriële ook voeden met de larven van andere nematoden. Gelukkig, P. pacificus is ontwikkeld als een model voor vergelijkende en integratieve evolutionaire biologie en dus vele moleculaire en genetische tools zijn nu beschikbaar. Deze omvatten een volledig gesequenced en geannoteerde genoom 13, moleculaire en genetische gereedschappen zoals transgenen 14 en CRISPR / Cas9 15,16 en gedetailleerde en geannoteerde fylogenie 17 met meer dan 25 nauw verwante soorten, waaronder de nieuw ontdekte zuster species. Bovendien, de ecologie van vele soorten, waaronder P. Pristionchus pacificus is dat well gedefinieerd met vele soorten die nu beschreven delen van een necromenic associatie met mestkevers, een gastheer ze vaak delen met andere nematoden 18. P. pacificus voorziet daarom een uitstekend model systeem waarmee de evolutie van nieuwe gedragingen en hun ecologische betekenis te ontleden.
Om roofzuchtige voederen gedrag bij nematode soorten zoals P. analyseren pacificus ontwikkelden we een aantal nieuwe gedrags-assays voor gemakkelijke observatie en kwantificering van roofzuchtige acties. Zoals P. pacificus toont een dimorphic mond structuur, die roofzuchtig gedrag sterk beïnvloedt, de identificatie van de juiste morfotype essentieel is 1,2. De smalle mond stenostomatous morph bevat één botte dorsale tand en is niet betrokken bij eventueel roofzuchtig voeden. Als alternatief kan de wijdmonds eurystomatous morph is voorzien van een veel grotere klauw vormige dorsale tand en een extra tegengesteldesub-ventrale tand, die samen de cuticula van hun prooi efficiënt openen. De verhouding van de roofzuchtige eurystomatous aan de niet-roofzuchtige stenostomatous vorm varieert tussen Pristionchus soorten en ook binnen P. pacificus echter het percentage eurystomatous mond morph in P. pacificus wild type stam (PS312) is meestal 70-90% 2. Bovendien kan de mond vorm verhoudingen fluctueren met verschillende omgevingsinvloeden (beide bekend, waaronder honger en enkele kleine moleculen signalering als onbekenden), waardoor correcte identificatie en isolatie van de roofmijt eurystomatous mond vorm is essentieel voor een succesvolle predatory assays.
Naast de beschrijving van de roofzuchtige mond vorm hebben we een "bite test" voor directe observatie en kwantificering van roofzuchtige gedrag zoals bijten, doden en eten evenementen ontwikkeld. Hier prooi nematoden zijn geïsoleerd door het filtering van nieuw uitgehongerd culturen en blootgesteld aan roofzuchtige volwassen P. pacificus, die samen over een korte tijdspanne in acht worden genomen. Daarnaast hebben we ook ontwikkelde een high throughput "lijk test" voor een snelle screening van roofzuchtig marktgedrag te vergemakkelijken door middel van indirecte observatie van roofzuchtige evenementen. Dit maakt gebruik van de aanwezigheid van larven lijken als hulpmiddel om te screenen op predatie. Beide tests zorgen voor een gemakkelijke en zeer herhaalbare methoden voor het waarnemen en meten van roofzuchtig gedrag in nematode soorten zoals P. pacificus.
Nematoden vormen een krachtig systeem voor het begrijpen van de neurobiologie en gedrag met C. elegans tot nu toe zijn de belangrijkste instrument. Echter, een groot aantal aaltjes soorten, waaronder P. pacificus scherm gedragingen, die afwezig zijn of variëren in complexiteit van het modelorganisme C. elegans en daarom verhogen fascinerende vragen over de evolutie en de regulering van deze gedragingen. Een dergelijke extra gedrag te vinden in vele andere nematode soorten, waaronder P. pacificus is het vermogen om de bacteriële dieet aan te vullen door zich tegen afbraak voeding 1, 20. We hebben daarom beschreven en een gedetailleerd protocol voor eenvoudige en snelle karakterisering van de eerder geanalyseerde predatory gedrag bij nematoden.
Ten eerste hebben we werkwijzen verschaft voor het screenen op variaties in de toevoerinrichting in de nematode mond. De identificatie van de juiste mondtype is een essentiële eerste sTep voor een succesvolle predatie testen zoals, in ieder geval binnen de Pristionchus genus enige eurystomatous dieren staat roofzuchtige geeft. Het beste is om te identificeren mond morphs met de "snelle mond fenotypering" protocol in protocol 1.2 beschreven als deze methode is veel minder invasief en daarom is het minder waarschijnlijk dat roofzuchtige gedrag kan worden verstoord. Echter, is het raadzaam om eerst vertrouwd met de verschillende mond structuren door identificatie met verdoofde dieren op agar pads (protocol 1.1) geworden.
Na identificatie van de gewenste mond morph, hebben we beschreven twee assays voor het kwantificeren van roofzuchtige voeding. Dit zijn een snelle, hoge verwerkingscapaciteit "lijk assay" (protocol 3) en een tijdrovend maar meer diepgaande gedragsanalyse via de "beet assay" (protocol 2). Beide protocollen zijn zeer flexibel waardoor verscheidene wijzigingen om de testen, afhankelijk van de Experimen optimaliserenTal eisen. Voor beet assays met behulp van P. pacificus roofdieren op C. elegans prooi, opmerkingen afbraakprijzen gedragsmatige interacties voor een tijdsinterval van 10 minuten was voldoende om een aanzienlijke hoeveelheid beten kwantificeren en andere gebeurtenissen voeding. Voor 'lijk assays "opnieuw gebruik te maken van P. pacificus roofdieren op C. elegans prooi, 5 roofdieren gedurende 2 uur geproduceerd eenvoudig te kwantificeren en consistente lijk nummers waardoor een snelle gedragsanalyse. Er moet echter worden opgemerkt verschillende jagende nematode bewegen met verschillende snelheden, eten bij verschillende snelheden en in het algemeen vertonen een grote diversiteit in andere gedragingen 1. Daarnaast kunnen verschillende prooidieren ook worden gegeten bij verschillende tarieven voor soortgelijke redenen. Het wordt daarom aanbevolen om de testen op basis van de nematode geteste soorten zowel als roofdieren en prooi te optimaliseren, en ook voor eventuele verschillen in omstandigheden. Tijdens beide "bite" en "corpse "assays is het essentieel dat zowel prooien en predatoren gezond, zoals benadrukt of gewond roofdieren niet efficiënt doden. Bovendien verse testplaten zijn essentieel als oudere platen kunnen gedroogd wat een negatieve invloed op de gezondheid van de nematoden die tot onjuiste geworden assays. Men hoopt dat toekomstige herhalingen van deze roofzuchtige assays kunnen maken van recente ontwikkelingen in de technologie om veel van de analyse te automatiseren zijn zoals tot stand gebracht voor het onderzoeken vele gedrag waargenomen in C. elegans 21, 22. Momenteel problemen kunnen ontstaan in nematoden zoals P. pacificus als ze veel gevoeliger voor contact verschijnen, waardoor isolatie en immobilisatie in microfluïdische kamers waarschijnlijk roofzuchtige voeding af te schaffen. het overwinnen van deze evenwel geen sinecure, maar zou individuele nematoden te vergemakkelijken worden gescreend op subtielere roofzuchtige gedrag.
Tot slot hebben we ook voorzien methoden for onderzoek van de nematode voeden apparaat zelf faciliteren van vergelijkingen tussen roofzuchtige en bacteriële voeding modes door het kwantificeren van de tand en keelholte pompen kinetiek met behulp van een high-speed camera (protocol 4). De kwantificering van de keelholte pompen tarieven in C. elegans is gebruikt om te controleren toevoeren jaren 23, echter, C. elegans mist elke vorm van mond denticle en mist ook roofzuchtige gedrag. Door het combineren van de kwantificatie van faryngeale pompen met die van de tand activiteit kan elke innervatie van de specifieke predatie tanden ook worden waargenomen. Door de vergroting nodig is om de tandverplaatsing dieren vaak gaan van het brandvlak waarnemen, dus is meestal alleen mogelijk de tand voor korte tijdvensters observeren. Bovendien, in tegenstelling tot C. elegans, de keelholte P. pacificus niet continu pompen, in plaats bezighoudt met spreuken van pompen en voeding. Daarom is voor accurate pharyngeal pumping tarieven tijdens het voeden te bepalen, is het belangrijk om 15 sec continue toevoer opnemen.
Deze werkwijzen gepresenteerde verschaffen derhalve het eerste raamwerk voor het onderzoeken predatory gedrag bij nematode systemen. Bovendien kunnen zij ook worden aangepast voor gebruik in het onderzoek naar andere interacties binnen de nematode ecosysteem met inbegrip van de invloed van aanvullend ecologisch relevante organismen predatie waaronder micro-organismen, schimmels en mijten . Zo bieden ze een middel te ontleden hoe deze roofzuchtige gedrag worden geregeld, hoe zij mogen zijn geëvolueerd en ook hun ecologische betekenis.
The authors have nothing to disclose.
We thank Dr. Daniel Bumbarger for the predation behavior picture. This work was funded by the Max-Planck Society.
Nylon net filters (20 um) | Merck Millipore Ltd | NY2004700 | Used to filter worms just leaving larvae for use as prey. |
PP Funnel for filter (54mm) | Duran | 292215003 | Used to filter worms just leaving larvae for use as prey. |
Small petri dish (35/10 mm) | Greiner Bio-One | 627102 | For imaging on High speed camera |
Zeiss SteREO Discovery V12 | For mouth form identificaton | ||
Axio-Imager A1 | For mouth form identificaton | ||
Glass Slides | Roth | H869 | |
Cover Slips | Roth | 657 | |
Motion Scope M3 Highspeed camera | IDT | High speed camera | |
Video zoom 44 ENG 1/2" 0.5x to 2.4x | Zeis | 452984-0000-000 | High speed camera zoom |
Nematode Growth Medium (NGM) ingredients: | |||
Agar | Roth | 5210.2 | CAS-Nr. 9002-18-0 |
Sodium chloride (NaCl) | Roth | 3957 | CAS-Nr. 7647-14-5 |
Bacto Tryptone | BD | 211699 | Lot 4316614 |
Calcium chloride dihydrate (CaCl2) | Sigma-Aldrich | C3306 | CAS-Nr. 10035-04-8 |
Cholesterol from lanolin | Sigma-Aldrich | F 26732 00050 | CAS-Nr. 57-88-5 |
Magnesium sulfate heptahydrate (MgSO4) | Merck | 1,058,861,000 | CAS-Nr. 10034-99-8 |
Potassium dihydrogen phosphate (KH2PO4) | ACROS organics | 271080025 | CAS-Nr. 7778-77-0 |
6 cm petri dish | Greiner Bio-One | 628102 | |
3.5 cm petri dish | Greiner Bio-One | 627102 | |
M9 ingredients: | |||
Potassium dihydrogen phosphate (KH2PO4) | ACROS organics | 271080025 | CAS-Nr. 7778-77-0 |
Sodium hydrogen phosphate heptahydrate (NaHPO4) | Sigma-Aldrich | S9390-500G-D | CAS-Nr. 7782-85-6 |
Sodium chloride (NaCl) | Roth | 3957 | CAS-Nr. 7647-14-5 |