Here, we present protocols for rearing an intermediate-germ beetle, Dermestes maculatus (D. maculatus) in the lab. We also share protocols for embryonic and parental RNAi and methods for analyzing embryonic phenotypes to study gene function in this species.
Advances in genomics have raised the possibility of probing biodiversity at an unprecedented scale. However, sequence alone will not be informative without tools to study gene function. The development and sharing of detailed protocols for the establishment of new model systems in laboratories, and for tools to carry out functional studies, is thus crucial for leveraging the power of genomics. Coleoptera (beetles) are the largest clade of insects and occupy virtually all types of habitats on the planet. In addition to providing ideal models for fundamental research, studies of beetles can have impacts on pest control as they are often pests of households, agriculture, and food industries. Detailed protocols for rearing and maintenance of D. maculatus laboratory colonies and for carrying out dsRNA-mediated interference in D. maculatus are presented. Both embryonic and parental RNAi procedures-including apparatus set up, preparation, injection, and post-injection recovery-are described. Methods are also presented for analyzing embryonic phenotypes, including viability, patterning defects in hatched larvae, and cuticle preparations for unhatched larvae. These assays, together with in situ hybridization and immunostaining for molecular markers, make D. maculatus an accessible model system for basic and applied research. They further provide useful information for establishing procedures in other emerging insect model systems.
1998 berichtete Fire and Mello , daß doppelsträngige RNA (dsRNA) Hemmung der Genfunktion in Caenorhabditis elegans 1 induzieren kann. Diese Antwort , ausgelöst durch dsRNA wurde RNA – Interferenz (RNAi) genannt, und solche RNAi-vermittelte Gen – Silencing wurde berichtet , in Tieren, Pflanzen konserviert zu sein, und Pilze 2-7. In Pflanzen und einige Tiere, systemisch RNAi – Funktionen, was bedeutet , dass der Effekt auf andere Zellen / Gewebe ausbreiten , wo wird dsRNA nicht direkt eingeführt ( zusammengefasst in 8-10). Wissenschaftler haben von dieser endogenen zellulären RNAi – Antwort von dsRNAs Gestaltung Gene von Interesse zu zielen, wodurch Klopfen nach unten Genfunktion , ohne direkt die Manipulation des Genoms ( zusammengefasst in 11-14) gemacht.
RNAi ist ein leistungsfähiges Werkzeug für funktionelle Studien aufgrund der folgenden Vorteile. Erstens, selbst bei minimaler Gensequenz Informationen kann ein Gen gezielt RNAi verwendet. Dies ist besonders wichtig für studies von Nicht-Modellorganismen genomischen oder Transkriptom-Daten fehlen. Zweitens in Organismen, die RNAi-Antwort robust systemisch ist, kann RNAi-vermittelte Knock-Down bei fast jedem beliebigen Entwicklungsstadium durchgeführt werden. Diese Funktion ist sehr nützlich, um die Funktion von pleiotropen Gene zu studieren. Drittens, in einigen Fällen spreizen RNAi – Effekte auf die Gonaden und Nachkommen, so dass Phänotypen in Nachkommen 15,16 beobachtet werden. Dieses Phänomen, bekannt als elterliche RNAi (pRNAi), ist besonders vorteilhaft für Gene Embryonalentwicklung beeinflussen, zahlreiche Nachkommen von einem einzigen injiziert Mutter hergestellt ohne direkte Manipulation von Eiern untersucht werden. Aus diesen Gründen ist pRNAi die Methode der Wahl. Wenn jedoch pRNAi unwirksam ist, beispielsweise für die Gene für Oogenese erforderlich, dann embryonale RNAi (eRNAi) verwendet werden. Viertens kann RNAi verwendet werden, um das Äquivalent einer allelischen Serie, dass zur Erzeugung der Menge an dsRNA geliefert über einen Bereich variiert werden kann schwach bis stark Defekte zu produzieren. Eine solche Abstufung von Phänotypen können für das Verständnis der Genfunktion hilfreich sein, wenn das Gen in einem komplexen Prozess und / oder vollständigen Verlust der Funktion beteiligt ist, ist letal. Fünftens Lieferung von dsRNA ist in der Regel einfach und machbar, vor allem bei Tieren robusten Reaktionen systemischen RNAi zeigt. dsRNA kann durch Mikroinjektion 1,5, Fütterung / Aufnahme 17,18, Einweichen, 19,20 und Viren / Bakterien-vermittelte Abgabe 21,22 eingeführt werden. Sechstens, im Gegensatz zu einigen Gen-Targeting / Bearbeitungsmethoden, gibt es keine Notwendigkeit für Organismen tragen die Mutation zu screenen oder genetische Kreuzungen durchzuführen Homozygoten zu erzeugen, wenn RNAi verwendet wird. Daher kann im Vergleich zu vielen anderen Techniken zur Untersuchung der Genfunktion ist RNAi schnell, kostengünstig und kann für großflächige Bildschirme 23-25 aufgebracht werden.
Die breite Anwendung von RNAi stellt Mittel bereit, funktionelle Studien in einem breiten Spektrum von Organismen durchzuführen, um den Bereich der Arten für das Studium zur Verfügung expandierenden beyond die traditionellen Modellsysteme für die genetische Werkzeuge entwickelt worden. Zum Beispiel können nicht-Modellsysteme Studien mit benötigt Einblicke in die Evolution von Genen und Gen – Netzwerken zu geben , indem die Funktionen von Orthologen von Spezies zu vergleichen , die unterschiedliche Entwicklung Modi oder ausstellenden verschiedene morphologische Merkmale 26-29. Diese Art von Studien wird ein besseres Verständnis der biologischen Vielfalt zur Verfügung stellen, mit Auswirkungen sowohl für angewandte und Grundlagenforschung.
Als die größte Tiergruppe auf dem Planeten, Insekten bieten eine große Chance, die zugrunde liegenden Mechanismen Vielfalt zu erkunden. Darüber hinaus sind Insekten im Allgemeinen klein, haben kurze Lebenszyklen, hohe Fruchtbarkeit und sind leicht nach hinten im Labor. In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat sich RNAi erfolgreich bei Insekten Spanning Aufträge angewendet worden, einschließlich Diptera (Zweiflügler) 5, Lepidoptera (Schmetterlinge und Motten) 30, Coleoptera (Käfer) 16,31, Hautflügler (SAWFLügen, Wespen, Ameisen und Bienen) 32, Hemiptera (true Bugs), Isoptera (Termiten) 34, Blattodea (Schaben) 35, Orthoptera (Grillen, Heuschrecken, Heuschrecken und katydids) 36 und Phthiraptera (Läuse) 37. Die erfolgreiche Anwendung von RNAi hat sich für die Untersuchung der Musterung in der frühen Embryonalentwicklung (anterior-posteriore Achse 32, dorsalen-ventralen Achse 28, Segmentierung 26,38) funktionelle Daten zur Verfügung gestellt, die Geschlechtsbestimmung 39,40, Chitin / Kutikula Biosynthese 41, Ecdyson 42 signalisiert, Sozialverhalten 43 und mehr. RNAi Methoden für verschiedene Insektenarten entwickelt werden , können von zusätzlichen Vorteil sein, dass sie geeignet sind , für die Schädlingsbekämpfung , nützlich zu sein ( zusammengefasst in 44-46). RNAi-Effekte werden genspezifische sowie artspezifischen, solange nicht konservierten Regionen für die Ausrichtung gewählt. Für nützlichen Insektenarten wie Honigbienen und Seidenwürmer, Gene von entscheidender Bedeutung für das Überleben der TargetingViren oder Parasiten – Infektion zu kontrollieren kann eine neue Strategie bieten diese Spezies 47,48 zu schützen.
Dermestes maculatus (D. maculatus), gebräuchliche Bezeichnung verbergen Käfer, ist weltweit mit Ausnahme der Antarktis verteilt. Als holometabolous Insekt umfasst das D. maculatus Lebenszyklus embryonale, Larven, Puppen und adulten Stadien (Abbildung 1). Weil es auf Fleisch ernährt, ist D. maculatus in Museen verwendet tote Tiere zu skeletonize und forensische Entomologen können es verwenden Zeitpunkt des Todes 49,50 abzuschätzen. D. maculatus ernährt sich von tierischen Erzeugnissen einschließlich Kadaver, getrocknetes Fleisch, Käse, und die Puppen / Kokons von anderen Insekten und somit verursacht Schäden an Haushalte, Vorrats und die Seide, Käse und Fleischindustrie 51,52. RNAi in diesem Käfer Anwendung könnte eine effiziente und umweltfreundliche Art und Weise zur Verfügung stellen ihre wirtschaftlichen Auswirkungen zu minimieren. Unser Labor hat D. maculatus als neues m verwendetodel Insekt zu studieren Segmentierung 53. Neben den Lab – Aufzucht zugänglich ist, ist D. maculatus von Interesse für die Grundlagenforschung , wie es ein Zwischenkeim – Entwickler ist es eine nützliche Art den Übergang zwischen kurz- und langfrisKeim Entwicklung zu studieren.
Abbildung 1: Lebenszyklus von D. maculatus. Fotografien von D. maculatus in verschiedenen Lebensphasen, wie angegeben. Der Lebenszyklus vom Ei bis zum erwachsenen dauert drei Wochen bei 30 ° C, jedoch bei niedrigeren Temperaturen länger. (A, F) frisch gelegten Embryonen sind weiß bis hellgelb und oval, etwa 1,5 mm in der Länge. Embryonalentwicklung dauert ca. 55 Stunden bei 30 ° C. (B, C und G) Larven haben dunkle pigmentierte Streifen und sind mit Setae bedeckt. gehen Larvae durch mehrere instars abhängig von der Umgebung und deren Länge bis über 1 cm verlängern kann. (D, H) </strOng> Junge Puppen sind hellgelb. Verpuppung erfolgt ~ 5 bis 7 Tage bei 30 ° C. (E, I) Kurz nach dem Schlüpfen, erscheint dunkle Pigmentierung über die erwachsenen Käfer Körper. Erwachsene können bis zu mehrere Monate leben und eine Frau Hunderte von Embryonen über ihr Leben legen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Bisher haben wir gezeigt , dass RNAi in Klopfen nach unten Genfunktion in D. wirksam ist maculatus 53. Hier unsere Erfahrung Aufzucht D. maculatus Kolonien im Labor wird zusammen mit Schritt- für -Schritt – Protokolle geteilt sowohl für die embryonale und die elterliche RNAi Set-up, Injektion, Nacheinspritzung Pflege und phänotypische Analyse. Die dsRNA-vermittelte Knock-Down und Analyseverfahren hier eingeführt nicht nur detaillierte Informationen zu Fragen in D. maculatus Adressierung, sondern auch potenzielle Bedeutung haben for RNAi in anderen nicht-Modell Käfer / Insektenarten anwenden.
While a small number of sophisticated model systems (mice, flies, worms) were developed during the 20th century, the 21st century has seen a wave of new animal systems being developed in labs throughout the world. These new systems allow scientists to address comparative, evolutionary questions that cannot be probed using only the 'standard' model systems. This deployment of new models requires the rapid development of methods for lab culturing, gene identification, and functional approaches…
The authors have nothing to disclose.
We thank Drs. Alison Heffer and Yong Lu for setting up the microinjection apparatus and sharing their invaluable knowledge and experience with insect RNAi. This work was supported by the National Institutes of Health (R01GM113230 to L.P.).
Dermestes maculatus live beetles | Our lab or Carolina Biological Supply | #144168 | Our lab strain was verified by COI barcoding; strain variation from Carolina cannot be ruled out |
Wet cat food | Fancy Feast | Chunks of meat with gravy. Can buy at most pet food and grocery stores | |
Dry dog food | Purina Puppy Chow | Can buy at most pet food and grocery stores | |
Insect cage (size medium, 30.5x19x20.3 cm) | Exo Terra | PT2260 | For colony maintenance. Can use larger cage if needed |
Insect cage (size mini, 17.8×10.2×12.7 cm) | Exo Terra | PT2250 | For embryo collection |
Petri dish | VWR | 89038-968 | |
Cotton ball | Fisher | 22-456-883 | |
Megascript T7 transcription kit | Fisher | AM1334 | For 40 reactions |
Pneumatic pump | WPI | PV830 | |
Capillary holder | WPI | ||
Micromanipulator | NARISHIGE | MN-151 | |
Black filter paper (90 mm) | VWR | 28342-010 | |
Food coloring (green) | McCormick | ||
Borosilicate glass capillary | Hilgenberg | 1406119 | |
Needle puller (micropipette puller) | Sutter Instrument Co. | P-97 | |
Microscope glass slide | WorldWide Life Sciences Division | 41351157 | |
Sealing film (Parafilm M) | Fisher | 13-374-12 | |
Model 801 Syringe (10 µl ) | Hamilton | 7642-01 | |
Needle (32-gauge) | Hamilton | 7762-05 | |
Fixation Solution (Pampel's) | BioQuip Products, Inc. | 1184C | Toxic, needs to be handled in fume hood |
Forcep (DUMONT #5) | Fine Science Tools | 11252-30 | |
Cover slip (24X50 mm, No. 1.5) | Globe Scientific | 1415-15 | |
Eppendorf Femtotips Microloader pipette tip | Fisher | E5242956003 | |
Dissecting microscopy for embryo injection | Leica | M420 | |
Dissecting microscopy for larval phenotypic visualization | Zeiss | SteREO Discover. V12 | |
DIC microscopy | Zeiss | AXIO Imager. M1 |