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.
Nematóides, com suas pequenas, mas complexos sistemas nervosos provaram ferramentas poderosas para a compreensão de muitos aspectos da neurobiologia incluindo comportamento. Grande parte desta investigação centrou-se no organismo modelo Caenorhabditis elegans em que uma riqueza de diferentes comportamentos foram dissecados e analisados com sucesso. Estes incluem mecanosensorial 3, quimiotática 4, thermotactic 5,6 e magnetotáticos 7 influenciando acasalamento 8,9, aprendendo 10 e comportamentos alimentares 11. No entanto, outras espécies de nematóides mais distantemente relacionados exibem comportamentos que não são observadas na rabditídeos C. elegans ou alternativamente mostrar níveis adicionais de complexidade, o que levanta questões pertinentes sobre a sua evolução e regulação. Um tal exemplo disto pode ser observado no nematóide diplogastrid distantemente relacionado Pristionchus pacificus, que exibe muito mais complexa ser a alimentaçãohaviors e ritmos que são observadas em C. elegans 1. Isto apesar de as duas espécies compartilhando neurônios faringe homólogas 12. Coincidindo com estes comportamentos alimentares adicionais, P. pacificus também exibe uma faixa dietética expandido, como eles são predadores ávidos, capazes de complementar sua dieta bacteriana por também alimentando-se de larvas de outros nematóides. Felizmente, P. pacificus foi desenvolvido como um modelo para a biologia evolutiva comparativa e integrativa e, portanto, muitas ferramentas moleculares e genéticos estão agora disponíveis. Estes incluem um genoma totalmente sequenciado e anotado 13, ferramentas moleculares e genéticos, incluindo transgenes 14 e CRISPR / Cas9 15,16, bem como uma filogenia detalhada e bem anotado 17 com mais de 25 espécies estreitamente relacionadas, incluindo as suas espécies irmãs recém-descobertas. Além disso, a ecologia de numerosas espécies incluindo P. Pristionchus pacificus é quell definido com muitas espécies tendo já sido descrita a partilha de uma associação necromenic com escaravelhos, um host eles freqüentemente compartilhar com outras espécies de nematóides 18. P. portanto, pacificus fornece um sistema modelo excelente com o qual a dissecar a evolução de novos comportamentos e da sua importância ecológica.
A fim de analisar comportamentos alimentares predadores em espécies de nematóides, tais como P. pacificus desenvolvemos vários novos ensaios comportamentais para facilitar a observação e quantificação das ações predatórias. Como P. pacificus exibe uma estrutura boca dimorphic, que influencia fortemente o comportamento predatório, identificação do morfotipo correta é essencial 1,2. A metamorfose stenostomatous boca estreita contém um único dente dorsal contundente e não se envolver em qualquer alimentação predatória. Alternativamente, a grande metamorfose eurystomatous boca inclui um muito maior em forma de garra dente dorsal e um adicional de opostosdente sub-ventral, que juntos operam para abrir de forma eficiente a cutícula das suas presas. A razão entre o eurystomatous predador à forma stenostomatous não predadores varia entre as espécies e também dentro Pristionchus P. pacificus, no entanto, a percentagem de boca eurystomatous se transformar na P. pacificus selvagem cepa (pS312) é geralmente 70 – 90% 2. Além disso, as proporções de formulário boca pode variar dependendo de diferentes influências ambientais (ambos conhecidos, incluindo a fome e uma pequena molécula de sinalização, bem como factores desconhecidos), assim identificação correcta e isolamento da forma de boca eurystomatous predador é essencial para ensaios bem sucedidos predadores.
Juntamente com a descrição da forma boca predatória, temos desenvolvido um "ensaio de mordida" para a observação direta e quantificação de comportamentos predatórios, incluindo morder, matando e alimentando eventos. Aqui nematóides presas são isolados através do filtroção de culturas recém-esfomeados e expostas a adultos predatória P. pacificus, que são observados em conjunto ao longo de um curto espaço de tempo. Além disso, também desenvolvemos um alto rendimento "ensaio de cadáver" para facilitar a triagem rápida de comportamento predatório através da observação indireta de eventos predatórias. Isto tira proveito da presença de corpos de larvas como uma ferramenta para o rastreio de predação. Ambos os ensaios proporcionam métodos fáceis e altamente repetíveis para observar e medir o comportamento predatório em espécies de nematóides, tais como P. pacificus.
Nematóides fornecer um sistema poderoso para a compreensão da neurobiologia e comportamento com C. elegans, até agora, sendo a principal ferramenta. No entanto, numerosas espécies de nematóides, incluindo P. exibem comportamentos pacificus, que estão ausentes ou variam em complexidade do organismo modelo C. elegans e, portanto, levantar questões fascinantes sobre a evolução e regulação desses comportamentos. Um tal comportamento adicional encontradas em muitas outras espécies de nematóides, incluindo P. pacificus é a capacidade de complementar sua dieta bacteriana por engajar na alimentação predatória 1, 20. Temos, portanto, desenvolvido e descrito um protocolo detalhado para a caracterização fácil e rápida destes comportamentos predatórios anteriormente não analisados em nematóides.
Em primeiro lugar, nós fornecemos métodos para triagem de variações na alimentação de aparelhos dentro da boca do nematóide. A identificação do tipo boca correta é um primeiro s essencialtep para ensaios predação bem sucedidos como, pelo menos, dentro do género Pristionchus únicos animais eurystomatous são capazes de alimentação predador. É melhor para identificar boca se transforma com o protocolo "rápida fenotipagem boca" descrito no protocolo 1.2 como este método é muito menos invasiva e, portanto, é menos provável que os comportamentos predatórios pode ser perturbado. No entanto, recomenda-se a primeira a se familiarizar com as diferentes estruturas da boca pela identificação com animais anestesiados em almofadas de ágar (protocolo 1.1).
Após a identificação da metamorfose boca desejado, nós descrevemos dois ensaios para quantificar a alimentação predatória. Estes são, alto rendimento "ensaio de cadáver" rápida (protocolo 3) e um mais demorado, mas a análise comportamental mais aprofundada através do "ensaio de mordida" (protocolo 2). Ambos os protocolos estão altamente flexível para permitir que várias modificações, a fim de optimizar os ensaios dependendo das experimenrequisitos Tal. Para os ensaios de mordida usando P. predadores pacificus sobre C. elegans presa, observações comportamentais de interacções predadores para uma janela de tempo de 10 minutos era suficiente para quantificar uma quantidade significativa de picadas, juntamente com outros eventos de alimentação. Para os "ensaios de cadáver" novamente utilizando P. predadores pacificus sobre C. elegans presa, 5 predadores para 2 horas produziu números cadáver facilmente quantificáveis e consistentes que permitam a análise comportamental rápida. No entanto, deve notar-se diferentes espécies de movimento de nemátodos predadores em velocidades diferentes, coma a velocidades diferentes e, em geral demonstram um grande diversidade de outros comportamentos 1. Além disso, espécies de presas diferentes também pode ser comido em taxas diferentes por razões semelhantes. Portanto, é recomendável para otimizar os ensaios com base nas espécies de nematóides testados tanto como predadores e presas, e também para quaisquer diferenças nas condições ambientais. Durante os dois "mordida" e "corpse "ensaios é fundamental que ambas presas e predadores são saudáveis, como salientou ou predadores feridos não vai matar de forma eficiente. Além disso, placas de ensaio frescos são essenciais como placas mais velhas podem se tornar seca que afeta negativamente a saúde dos nematóides levando a errônea os ensaios. espera-se também que as futuras iterações destes ensaios predadores será capaz de tirar proveito dos avanços recentes na tecnologia, a fim de automatizar grande parte da análise em que foi realizado para investigar muitos comportamentos observados em C. elegans 21, 22. Actualmente problemas podem surgir em nematóides, tais como P. pacificus como eles aparecem muito mais sensíveis ao contacto, tornando o isolamento e imobilização em câmaras microfluídicos susceptíveis de revogar a alimentação predatória. Superar isso pode ser um desafio, mas facilitaria nematóides individuais a serem selecionados para sutil predatória comportamentos.
Finalmente, temos também forneceu métodos for examinar o aparelho de alimentação nematóide si facilitando comparações entre os modos de alimentação predatórias e bacterianas através da quantificação da cinética do dente e de bombeamento da faringe usando uma câmera de alta velocidade (protocolo 4). A quantificação das taxas de faringe bombeamento em C. elegans foi utilizada para monitorar a alimentação durante muitos anos 23, no entanto, C. elegans carece de qualquer forma de denticle boca e também carece de comportamentos predatórios. Através da combinação da quantificação da faringe bombeamento com que a actividade de dente, qualquer inervação dos dentes específicos para a predação pode ser também observada. Devido à ampliação necessária para observar o movimento dentário os animais movem-se frequentemente para fora do plano focal, portanto, normalmente só é possível observar o dente por janelas de tempo curtos. Além disso, ao contrário C. elegans, da faringe de P. pacificus não continuamente bombear, em vez disso, se envolve em períodos de bombeamento e alimentação. Portanto, para pum faringe precisastaxas de Ping ao alimentar a ser determinada, é importante para a ficha 15 seg de alimentação contínua.
Estes métodos aqui apresentados, por conseguinte, fornecem a primeira estrutura para investigar comportamentos predadores em sistemas de nematóides. Além disso, eles também podem ser adaptável para utilização em investigação de outras interacções dentro do ecossistema nemátodo incluindo a influência dos organismos adicionalmente ecologicamente relevantes na predação incluindo microrganismos, fungos e ácaros . Assim, eles fornecem um meio para dissecar como esses comportamentos predatórios são regulados, como eles podem ter evoluído e também a sua importância ecológica.
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 |