Соціальні та харчові фактори формують агрегацію личинок, видобуток їжі та масу тіла у поліфагової мухи

Предмети

Анотація

Вступ

У голометаболічних комах поведінка личинок за кормом значною мірою визначає індивідуальну придатність (Chapman, 1998). Погані умови розвитку, що відзначаються низькою доступністю ресурсів - наприклад, коли їжі бракує та існує велика конкуренція личинок - часто впливає як на час розвитку личинок, так і на розмір тіла у зрілому віці [наприклад, 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Розміри тіла дорослої людини, як правило, позитивно корелюють із плодючістю жінки, а також з результатами спарювання чоловіків та репродуктивним успіхом 5,11; відповідно, поведінка видобутку личинок перебуває під відбором продуктивності у самок, а статевим відбором у чоловіків 11,12,13,14,15, що суттєво впливає на поведінкові та еволюційні процеси, такі як виконання когнітивних завдань, виживання, розмноження і, зрештою, статевий відбір та сексуальний відбір конфлікт 6,16,17,18 .

Прогнози

Попередні дослідження на інших видах показали, що личинки воліють займати ділянки, спільні з особами [напр. 45]. Таким чином, ми передбачали, що збільшення щільності личинок повинно збільшувати формування агрегації, а також розмір агрегації серед дієтичних плям. Однак цей ефект може залежати від дієти, завдяки чому дієти, бідні макроелементами, можуть підтримувати менші агрегації, тоді як дієти, багаті макроелементами, підтримують більші агрегації. Як результат, ми передбачали, що агрегати повинні бути меншими у дієтах, бідних макроелементами, ніж у дієтах, багатих макроелементами.

В інших комах скупчення личинок може полегшити годування [наприклад 40]. Тому ми передбачали, що при обробці з великою агрегацією личинок повинні бути личинки з більшою масою тіла. Однак, як відомо, дієта, бідна макроелементами, зменшує масу тіла личинок (див. «Вступ»). Як результат, ми передбачали, що маса тіла личинок повинна бути нижчою при дієтах, бідних макроелементами, порівняно з дієтами, багатими макроелементами.

Матеріали і методи

Колекція мух і яєць

Ми збирали яйця з лабораторно адаптованого запасу B. tryoni (> 17 поколінь). Колонія утримувалася в поколіннях, що не перекриваються, в приміщенні контрольованого середовища (вологість 65 ± 5%, температура 25 ± 0,5 ° C) із світловим циклом 12 годин світла: 0,5 години сутінків: 11 годин темряви: 0,5 години світанку). Дорослим пропонували дієту з вільним вибором гідролізованих дріжджів (MP Biomedicals, Кат. № 02103304) та комерційної рафінованої сахарози (CSR® Білий Цукор), тоді як личинок утримували за допомогою дієтичного препарату Моаделі на основі гелю Chang-2006, та ін. 53 протягом останніх 7 поколінь (раніше утримувались на морквяній дієті). Ми збирали яйця в напівпрозору білу пластикову пляшку об’ємом 300 мл, що мала численні перфорації другої стадії.

Експериментальні дієти та кормова арена

Експериментальні процедури та статистичний аналіз

Для всіх експериментів ми розмістили личинок 2-ї категорії в центрі кормової арени (див. Рис. S1), яку потім закрили кришкою, щоб мінімізувати втрати вологи. Щоб мінімізувати можливість впливу візуальних сигналів на вибір дієти личинок, кормові арени розміщували в темній кімнаті. Кормові арени були створені при 4-х густотах личинок: 10, 25, 50 і 100 личинок. Всі личинки були випущені на арену одночасно. Личинки не голодували до початку експериментів. Ми не спостерігали канібалізму чи втечі (кількість личинок була однаковою на початку та в кінці експериментів). Усі статистичні аналізи проводились із використанням версії R 3.4.0, а графіки виконувались із використанням пакету «ggplot2» 54,55 .

Експеримент 1: Агрегація личинок

Ми змоделювали вибір личинок на кормових аренах щільністю 10, 25, 50, 100 і 200 личинок, вибираючи серед 6 плям, де личинки з однаковою ймовірністю мали можливість вибрати будь-який із варіантів (тобто вибір для кожного плями був відображається з однаковою ймовірністю сторn = 1/6, де сторn - це ймовірність вибору личинками даного пластиру). Ми екстраполювали наше моделювання для густоти личинок 10, 25, 50, 100 і 200 личинок, щоб побудувати надійну функцію залежності від щільності агрегації (див. Рис. S2).

Потім ми отримали залишковий розподіл наших емпіричних даних та змодельовану залежну від щільності модель проти точного випадкового розподілу, розрахованого просто діленням густини личинки на кількість варіантів плями (тобто. δ/ 6, де δ = щільність личинок); Потім ми встановили випадкову регресію лісового машинного навчання, використовуючи пакет ‘randomForest’ 56, щоб отримати модель, яка передбачає поведінку залишків. Випадкову регресію лісу було перехресно перевірено за допомогою пакету „rfUtilities“ 57 (Встановлена середньоквадратична помилка моделі: 0,009; медіана перехресної перевірки RMSE: 0,036); Для побудови моделі 80% змодельованих даних було використано на етапі навчання, тоді як 20% - на етапі тесту. Модель була точно виконана під час тестової фази (середньоквадратична помилка в наборі даних тесту: 0,038).

Далі ми використовували модель машинного навчання для прогнозування очікуваного розподілу залишків у наборі даних за допомогою функції «передбачити» та обчислювали індекс агрегування (ШІ) як різниця між спостережуваною сумою залишків та передбаченою сумою залишків, отриманих за допомогою алгоритму регресії машинного навчання.

Модель машинного навчання забезпечує більш точні прогнози очікуваного розподілу залишків, ніж звичайна лінійна модель. Наприклад, MSE (середня квадратична помилка) моделі машинного навчання у наборі даних тесту становила 0,00404, тоді як MSE, оцінена за допомогою звичайної лінійної моделі, становила 0,0107, припускаючи, що модель машинного навчання була

Дослід 2: Нагул личинок

Результати

Дослід 1: Висока щільність личинок збільшує масу тіла личинок

Спочатку ми перевірили вплив щільності личинок на ріст. Отримані нами результати показали надзвичайно значущий позитивний вплив харчової концентрації та щільності личинок на масу тіла (таблиця S1), хоча між цими факторами не було значної взаємодії. Маса тіла неухильно зростала із збільшенням щільності личинок на кормовій арені і постійно протягом усіх дієт (рис. 1). Однак концентрація в раціоні також впливала на масу тіла личинок, оскільки личинки з кормових арен з розведеними дієтами (тобто концентрація макроелементів на 40% і 20%) мали меншу масу тіла, ніж личинки з арен, що містять більш концентрований раціон (рис. 1).

Щільність личинок збільшує масу тіла личинки за допомогою дієтичних розведень. Маса тіла (мг) личинок з різною щільністю личинок та з різних дієт, наприкінці нашого експерименту (24 год., Детальніше див. Методи).

Експеримент 1: Щільність личинок впливає на агрегацію личинок залежно від дієти

Ми дослідили, чи модулювала агрегація личинок щільність личинок, і чи не впливала на це взаємозв'язок концентрація раціону. Ми виявили значну взаємодію між впливом концентрації в раціоні та щільністю личинок на індекс агрегації (табл. S2), завдяки чому личинки на аренах з високою щільністю агрегуються більше у дієтах з високою концентрацією макроелементів (> 40%) і менше у дієтах з низькою концентрацією макроелементів (20%, Рис. 2А, Б).

Зв’язок між масою тіла та агрегацією. (A) Індекс агрегації личинок (р-вісь) з часом (х-осі) по щільності личинок (горизонтально) та поперек раціонів (вертикально). Рядки були намальовані за допомогою методу «лесс» у пакеті «ggplot2» в R, і вказують тенденцію в даних. (B) Середній індекс агрегації личинок (р-осі) на щільність личинок (х-вісь) по всіх часових точках нашого експерименту. Рядки були намальовані методом «lm» у пакеті «ggplot2» на R, і вказують тенденцію в даних. (C.) Взаємозв'язок між масою тіла личинки та середнім індексом агрегації. Кольори та форми вказують на щільність личинок. Рядки були намальовані за допомогою методу «лесс» у пакеті «ggplot2» в R, і вказують тенденцію в даних.

Існувала значна взаємодія між часом і густиною личинок, завдяки чому личинки на аренах з низькою щільністю (10 личинок) збільшували агрегацію з плином часу, коли проходило пошук їжі, тоді як для арен з високою щільністю (100 личинок) спостерігалася протилежна картина (таблиця S2, рис. 2А, Б). Це було особливо очевидним для арен низької щільності з дієтами з низькою концентрацією макроелементів (див. Рис. 2А). Це важливо, оскільки якби личинки просто зливалися в одному і тому ж місці (тобто, не прагнучи до агрегації, а сходячись до того самого місця з високоякісним харчовим субстратом), ми очікували б, що личинки на аренах з низькою щільністю демонструють однаковий характер для високих - і низька концентрація дієти. Натомість результати показують, що вірно все навпаки, коли личинки на аренах з низькою щільністю мали тенденцію агрегувати більше з часом при низькій концентрації дієти, ніж при високій концентрації їжі (рис. 2А). Це дає докази того, що личинки прагнуть до агрегації, особливо коли добувають їжу на арені низької щільності та з низькоресурсними харчовими субстратами. Арени щільністю 25 і 50 личинок демонстрували ту ж тенденцію, що і арени з 10 і 100 личинками, відповідно, хоча і з меншою величиною (рис. 2А, Б).

Експеримент 1: Взаємозв'язок між агрегацією личинок і масою тіла личинки залежить від дієти

Далі ми перевірили взаємозв'язок між агрегацією личинок та масою тіла. Ми виявили, що агрегація мала загальний дуже значний позитивний вплив на масу тіла личинок, коли концентрація в їжі становила 40% або більше, але натомість спостерігалася негативна тенденція, коли концентрація в їжі становила 20% (рис. 2C, таблиця S3). Спостерігався значний вплив концентрації раціону та щільності личинок, але не було значних взаємозв’язків між густиною та концентрацією раціону, щільністю личинок та індексом агрегації, а також між концентрацією раціону та індексом агрегації (таблиця S3). Ці результати дають докази позитивного взаємозв'язку між агрегацією личинок і масою тіла личинки, і виявили, що в деяких випадках концентрація поживних речовин у раціоні може бути сильним модулятором цього взаємозв'язку.

Експеримент 1: Щільність личинок і дієта впливають на розмір агрегатів личинок

Частка личинок в агрегатах. Частка особин у найбільш густонаселеній сукупності в часі (по горизонталі) у раціонах харчування (по вертикалі). Форми та кольори вказують на щільність личинок. Рядки були намальовані методом «lm» у пакеті «ggplot2» на R, і вказують тенденцію в даних.

Експеримент 2: Щільність личинок формує поведінку личинок на корм

Далі ми виміряли, як щільність личинок впливала на схильність до вигулу личинок, а також на рішення про добування личинок, коли личинки мають вибір серед плям з різною концентрацією в раціоні. Використовуючи мультиноміальну логістичну регресійну модель, яка використовувала „відсутність вибору“ (тобто основу агару) як наш референтний рівень, ми могли б оцінити схильність до видобування личинок з часом. Наші результати показали, що личинки з більшою ймовірністю отримують корм у будь-якому певному плямі, ніж взагалі не кормуються, і схильність до видобутку їжі є особливо високою для ділянок з високою концентрацією поживних речовин, незалежно від щільності личинок (рис. ). Цікаво, що діапазон дієт, в яких личинки живляться, був більшим для арен, що містять 50 і 100 личинок, і включав патч із 40% дієтою на додаток до 100%, 80% 60% плям, які були більш домінуючими для арен з меншою щільністю личинок ( 4А). Ці висновки показують, що личинки, як правило, більш схильні до кормів у високоякісних клаптиках, і що схильність до видобутку личинок не залежить від щільності.

Потім ми перевірили, чи вплинула щільність личинок на вибір дієти личинок, використовуючи знову багатоманітну логістичну регресію, хоча цього разу ми використовували стандартну дієту (тобто 100%) як свою еталонну дієту. Тут ми виключили личинок, що не добувають корм, і змоделювали поведінку личинок, які активно добували їжу в одному з плям їжі в попередньому експерименті. На аренах з низькою щільністю личинок (10 личинок) личинки суттєво віддавали перевагу дієтам з 60% концентрацією макроелементів відносно стандартної (100%) дієти (рис. 4А, таблиця S6). Однак із збільшенням щільності личинок (25 і 50 личинок) спостерігався перехід до переваги в напрямку плями, що містить 80% концентрації макроелементів (рис. 4C, D), і нарешті, коли щільність личинок була найвищою (100 личинок), личинки демонстрували статистично значущі переваги як для 60%, так і для 80% пластирів з макроелементами порівняно зі стандартною дієтою (рис. 4Е). Однак важливіше те, що лише личинки на аренах з високою щільністю (50 і 100 личинок) демонстрували значне уникання плям з низькою концентрацією 20% концентрації макроелементів (рис. 4D, E).

Обговорення

Важливо згадати, що зі збільшенням щільності личинки можуть бути витіснені з ділянки через конкуренцію з особами, що займаються космосом. Це природний наслідок високої щільності личинок (тобто визначається як більше личинок на одиницю простору), і розуміння того, як конкуренція за простір лежить в основі поведінки личинок, є важливою темою для подальших досліджень. Крім того, якість пластиру могла знизитися з часом, особливо при обробках з високою щільністю личинок, і вплинути на деякі результати, виявлені в нашому дослідженні. Однак це малоймовірно, оскільки кількість особин у кожному плямі різко збільшилась і стабілізувалася на плато, не маючи ознак ухилення личинок від обраних ділянок протягом 24 годин, протягом яких проводився експеримент (див., Наприклад, рис. S3) . Таким чином, наші результати демонструють, як взаємодія між щільністю личинки та поживним середовищем личинок формує поведінку личинок на корм.

Висновок

Це дослідження пропонує новий погляд на залежність від щільності впливу на розвиток личинок. Личинки плодових мух реагують на цілий ряд соціальних та харчових факторів, що має важливе значення для пошуку та росту личинок. Разом наші висновки допомагають нам зрозуміти екологічні фактори, що лежать в основі розвитку личинок у комах, і служать важливим етапом для майбутніх досліджень, спрямованих на краще розуміння поведінкових та харчових аспектів розвитку у комах, що живуть у групі.