Личинки Drosophila melanogaster должны очень быстро набрать вес, чтобы стать полностью развитыми плодовыми мушками, поэтому поиск пищи является одним из главных приоритетов, который мотивирует их поведение, несмотря на любые потенциальные риски.Зная, что эти личинки реагируют на запахи, но не полностью понимая процесс, с помощью которого они принимают решения с помощью обонятельных сигналов, ученые Калифорнийского университета в Санта-Барбаре используют этот модельный организм для изучения функции мозга, связанной с контролем поведения.Стремясь улучшить это понимание механизмов, исследователи UCSB и коллеги из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне обратились в Каталонский институт нанонауки и нанотехнологий.
Попросив каталонских инженеров построить виварий на основе микрофлюидики, в котором можно было бы наблюдать пищевое поведение личинок плодовой мухи, ученые продемонстрировали в последующих экспериментах, что личинки D. melanogaster способны принимать решения, которые уравновешивают риск и пользу в контексте их поиска пищи. Выводы команды опубликованы в журнале eLife.
«У личинок относительно простой мозг по сравнению с позвоночными, что делает их хорошими кандидатами для изучения», — сказал автор-корреспондент Матье Луи, доцент кафедры молекулярной, клеточной и биологии развития UCSB. «Мы хотели изучить возможности этих личинок в естественных условиях. Мы знаем, что они имеют тенденцию двигаться к пище, когда есть приятный запах, поэтому мы разработали виварий, чтобы имитировать условия разложения фруктов, любимой еды личинок».
Прозрачная камера содержит агарозу, гидрогель, текстуру которой можно регулировать до различной степени «твердости». Личинки размещаются на поверхности геля, и когда он не слишком твердый, они копают, инстинктивное поведение, которое помогает им избегать хищных ос и солнечного света, который может их обезвоживать.
Цилиндрические тела личинок ориентированы головой вниз, и они используют две дыхательные трубки, чтобы оставаться насыщенными кислородом под поверхностью. Если дрожжи или сахар были смешаны с агарозой, они остаются близко к поверхности гидрогеля. В отсутствие еды они изменяют свое поведение.
«Если гидрогель не содержит пищи, но мы добавляем пищевой сигнал на дно камеры, личинки ныряют глубже и чаще», — сказал ведущий автор Дэён Ким, которая проводила это исследование в CRG и теперь является докторантом в UCSB. . «Фактически, они могут погружаться глубже в течение довольно долгого времени, прежде чем вернуться на поверхность, чтобы дышать. Однако это ныряющее поведение подавляется, когда агароза содержит пищу. Тогда они просто остаются на поверхности и продолжают поедать субстрат».Ныряние — это поведение личинок в поисках пищи.
Если они отчаянно голодны на поверхности, они начинают исследовать остальную часть вивария, хотя спуск в гидрогель означает недостаток кислорода. Исследователи хотели знать, могут ли они побудить личинок нырять чаще, несмотря на этот риск. И они обнаружили, что могут.«Это интересно, потому что личинки демонстрируют рискованное поведение», — сказал Луис. «Фактически, мы показали, что личинки погибают, если им не удается вернуться на поверхность, когда субстрат слишком жидкий, а низкое трение затрудняет их передвижение.
Таким образом, ныряние влечет за собой риск утопления. Наблюдая за этим поведением и показав, что запахи заставляют личинок преодолевать их естественная тенденция к снижению риска, связанного с поиском пищи, мы хотим понять области мозга, участвующие в этом процессе уравновешивания затрат и выгод. Это будет работать на будущее, когда мы подробно охарактеризовали их поведение при копании и нырянии . "В рамках того же исследования исследователи также исследовали фруктового вредителя из того же семейства, D. suzukii.
Способный атаковать свежие фрукты, этот вид использует яйцеклад, чтобы прокалывать ягоды и вишню и откладывать яйца, которые в конечном итоге превращают урожай в непривлекательное пюре. На сегодняшний день не существует эффективных инсектицидов или методов борьбы с этими вредителями сельскохозяйственных культур.В этом втором эксперименте команда модифицировала гидрогель, чтобы имитировать более твердую поверхность свежих фруктов, и обнаружила, что D. suzukii может копать больше и нырять дольше, чем D. melanogaster.
Их результаты показывают, что этот вид вредителей лучше приспособлен к условиям гипоксии.Исследователи также обнаружили органическое соединение, которое сдерживало D. suzukii: геосмин, который вырабатывается микроорганизмами.
Геосмин был настолько отталкивающим для этого вида, что личинки не только подавляли свое ныряющее поведение, но и сбегали из вивария, протискиваясь через мелкие воздушные каналы диаметром всего 200 микрометров.«Геосмин, вероятно, не тот запах, который люди захотят использовать в будущем, чтобы попытаться создать какой-то репеллент от D. suzukii», — сказал Луис. «Он пахнет влажной почвой, запах, который, вероятно, вам не понравится от клубники. Но мы предоставили доказательство концепции, что виварий можно использовать для тестирования других веществ, которые однажды могут привести к эффективному решению для управления этими культурами. вредители ".
