Subiecte

Abstract

Introducere

La insectele holometabolice, comportamentul de hrănire a larvelor determină în mare măsură capacitatea individuală (Chapman, 1998). Condițiile de dezvoltare slabe marcate de disponibilitatea redusă a resurselor - cum ar fi atunci când alimentele sunt rare și există o concurență larvelor mare - afectează adesea atât timpul de dezvoltare larvară, cât și dimensiunea corpului la vârsta adultă [de ex. 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Mărimea corpului adultului tinde să se coreleze pozitiv cu fecunditatea feminină, precum și cu performanțele de împerechere masculine și cu succesul reproductiv 5.11; în consecință, comportamentul de hrănire a larvelor este sub selecția productivității la femei și la selecția sexuală la bărbați 11,12,13,14,15, cu efecte profunde asupra proceselor comportamentale și evolutive, cum ar fi performanța sarcinii cognitive, supraviețuirea, reproducerea și, în cele din urmă, selecția sexuală și sexuală conflict 6,16,17,18 .

Predicții

Studiile anterioare efectuate pe alte specii au arătat că larvele preferă să ocupe pete care sunt împărtășite cu specificații [de ex. 45]. Astfel, am prezis că o creștere a densității larvelor ar trebui să crească formarea de agregare, precum și dimensiunea agregării între plasturile de dietă. Cu toate acestea, acest efect ar putea fi dependent de dietă, prin care dietele sărace în macronutrienți ar putea sprijini agregări mai mici, în timp ce dietele bogate în macronutrienți ar sprijini agregări mai mari. Ca urmare, am prezis că agregatele ar trebui să fie mai mici în dietele sărace în macronutrienți decât în ​​dietele bogate în macronutrienți.

La alte insecte, agregarea larvelor poate facilita hrănirea [de ex. 40]. Prin urmare, am prezis că tratamentele cu agregări larvare ridicate ar trebui să aibă larve cu masă corporală mai mare. Cu toate acestea, se știe că dieta săracă în macronutrienți reduce masa corpului larvelor (a se vedea „Introducere”). Ca rezultat, am prezis că masa corpului larvelor ar trebui să fie mai mică în dietele sărace în macronutrienți comparativ cu dietele bogate în macronutrienți.

Materiale și metode

Colecția de mușchi și ouă

Am colectat ouă dintr-un stoc de B. tryoni (> 17 generații). Colonia a fost menținută în generații care nu se suprapun într-o cameră de mediu controlat (umiditate 65 ± 5%, temperatură 25 ± 0,5 ° C) cu ciclu de lumină de 12 h lumină: 0,5 h amurg: 11 h întuneric: 0,5 h zori). Adulților li s-a oferit o dietă de liberă alegere cu drojdie hidrolizată (MP Biomedicals, nr. De categorie 02103304) și zaharoză rafinată comercială (CSR® White Sugar), în timp ce larvele au fost menținute folosind formularea dietetică pe bază de gel Chang-2006 Moadeli, și colab. 53 pentru ultimele 7 generații (menținute anterior pe o dietă pe bază de morcovi). Am colectat ouăle într-o sticlă de plastic alb semitransparentă de 300 ml, care a avut numeroase perforații în stadiul nd instar.

Dietele experimentale și arena de hrănire

Proceduri experimentale și analize statistice

Pentru toate experimentele, am plasat larvele de a doua etapă în centrul arenei de hrănire (vezi Fig. S1) care a fost apoi acoperită cu capacul pentru a minimiza pierderile de umiditate. Pentru a minimiza potențialul efectelor indicilor vizuali asupra alegerilor dietetice larvare, arenele de hrănire au fost plasate într-o cameră întunecată. Arenele de hrănire au fost stabilite la 4 densități larvare: 10, 25, 50 și 100 larve. Toate larvele au fost eliberate simultan în arenă. Larvele nu au murit de foame înainte de debutul experimentelor. Nu am observat canibalism sau evadări (numărul de larve a fost același la începutul și la sfârșitul experimentelor). Toate analizele statistice au fost efectuate folosind versiunea R 3.4.0 și graficele au fost efectuate folosind pachetul „ggplot2” 54.55 .

Experimentul 1: Agregarea larvelor

Am simulat alegerile larvelor în arene de hrănire cu densitatea de 10, 25, 50, 100 și 200 de larve alegând între 6 patch-uri, unde larvele au fost la fel de susceptibile să afișeze alegerea pentru oricare dintre opțiuni (adică, alegerile pentru fiecare plasture au fost afișat cu probabilitate egală pn = 1/6, unde pn este probabilitatea ca larvele să aleagă un plasture dat). Am extrapolat simularea noastră pentru densități larvare de 10, 25, 50, 100 și 200 larve pentru a construi o funcție robustă de agregare dependentă de densitate (vezi Fig. S2).

Am obținut apoi distribuția reziduală a datelor noastre empirice și modelul simulat dependent de densitate față de distribuția exactă aleatorie, calculată pur și simplu prin împărțirea densității larvele la numărul de opțiuni de patch-uri (adică. δ/ 6, unde δ = densitatea larvelor); Apoi am montat o regresie aleatorie de învățare a mașinilor forestiere folosind pachetul „randomForest” 56 pentru a obține un model care a prezis comportamentul reziduurilor. Regresia aleatorie a pădurilor a fost validată încrucișat folosind pachetul „rfUtilities” 57 (Eroare pătrată medie a modelului: 0,009; Validare încrucișată mediană RMSE: 0,036); Pentru a construi modelul, 80% din datele simulate au fost utilizate în faza de antrenament, în timp ce 20% au fost utilizate în faza de testare. Modelul a fost efectuat cu precizie în timpul fazei de testare (Eroare medie pătrată în setul de date de testare: 0,038).

Apoi, am folosit modelul de învățare automată pentru a prezice distribuția așteptată a reziduurilor în setul de date folosind funcția „predict” și am calculat indicele de agregare (AI) ca diferență între suma observată a reziduurilor și suma estimată a reziduurilor obținută cu algoritmul de regresie a învățării automate.

Modelul de învățare automată oferă predicții mai precise ale distribuției preconizate a reziduurilor decât modelul linear convențional. De exemplu, MSE (eroarea pătrată medie) a modelului de învățare automată din setul de date de testare a fost de 0,00404, în timp ce MSE estimat folosind modelul linear convențional a fost 0,0107, sugerând că modelul de învățare automată a fost

Experimentul 2: furajarea larvelor

Rezultate

Experimentul 1: Densitatea larvelor mari crește masa corpului larvelor

Am testat mai întâi influența densității larvelor asupra creșterii. Rezultatele noastre au arătat efecte pozitive foarte semnificative ale concentrației dietei și ale densității larvelor asupra masei corporale (Tabelul S1), deși nu a existat nicio interacțiune semnificativă între acești factori. Masa corporală a crescut constant cu densitatea larvelor în arena de hrănire și în mod constant în toate dietele (Fig. 1). Cu toate acestea, concentrația dietei a afectat și masa corpului larvelor, deoarece larvele provenite de la arene de hrănire cu diete diluate (adică concentrație de macronutrienți de 40% și 20%) au avut o masă corporală mai mică decât larvele provenite de la arene care conțin diete mai concentrate (Fig. 1).

nutriționali

Densitatea larvelor mărește masa corpului larvelor pe parcursul diluărilor dietetice. Masa corporală (mg) a larvelor din diferite densități larvare și din diferite diete, la sfârșitul experimentului nostru (24 de ore, consultați Metode pentru detalii).

Experimentul 1: Densitatea larvelor afectează agregarea larvelor într-o manieră dependentă de dietă

Am investigat dacă densitatea larvelor a modulat agregarea larvelor și dacă această relație a fost afectată de concentrația dietei. Am găsit o interacțiune semnificativă între efectele concentrației dietei și densitatea larvelor asupra indicelui de agregare (Tabelul S2), prin care larvele din arenele cu densitate ridicată s-au agregat mai mult în dietele cu concentrație mare de macronutrienți (> 40%) și mai puțin în dietele cu concentrație mică de macronutrienți (20%) )., Fig. 2A, B).

Relația dintre masa corporală și agregare. (A) Indicele de agregare larvară (y-ax) în timpX-ax) peste densitățile larvelor (orizontal) și între diete (vertical). Liniile au fost trasate folosind metoda „loess” din pachetul „ggplot2” în R și indică tendința în date. (B) Indicele mediu de agregare larvară (y-ax) pe densitatea larvelorX-axă) pe toate punctele de timp din experimentul nostru. Liniile au fost trasate folosind metoda „lm” din pachetul „ggplot2” în R și indică tendința în date. (C) Relația dintre masa corpului larvelor și indicele mediu de agregare. Culorile și formele indică densitatea larvelor. Liniile au fost trasate folosind metoda „loess” din pachetul „ggplot2” în R și indică tendința în date.

A existat o interacțiune semnificativă între timp și densitatea larvelor, prin care larvele din arenele cu densitate scăzută (10 larve) au crescut agregarea pe măsură ce timpul de căutare a trecut, în timp ce modelul opus a fost observat pentru arenele cu densitate mare (100 larve) (Tabelul S2, Fig. 2A, B). Acest lucru a fost evident în special pentru arenele cu densitate redusă cu diete cu concentrație mică de macronutrienți (vezi Fig. 2A). Acest lucru este important deoarece, dacă larvele ar fi coagulat pur și simplu în aceeași locație (adică, nu ar căuta să se agregeze, ci să convergă în aceeași locație cu substrat alimentar de înaltă calitate), ne-am aștepta ca larvele din arene cu densitate redusă să arate același model pentru - și concentrație redusă de dietă. În schimb, rezultatele arată că opusul este adevărat, prin care larvele din arenele cu densitate scăzută au avut tendința de a se agrega mai mult în timp cu o concentrație de dietă scăzută decât cu o concentrație ridicată de dietă (Fig. 2A). Aceasta oferă dovezi că larvele încearcă să se agregeze, mai ales atunci când se hrănesc în arena cu densitate mică și cu substraturi alimentare cu resurse reduse. Arenele cu densitate de 25 și 50 de larve au arătat aceeași tendință ca arenele cu 10 și respectiv 100 de larve, deși cu magnitudine mai mică (Fig. 2A, B).

Experimentul 1: Relația dintre agregarea larvelor și masa corpului larvelor este dependentă de dietă

Apoi, am testat relația dintre agregarea larvelor și masa corporală. Am constatat că agregarea a avut un efect pozitiv global semnificativ asupra masei corpului larvelor atunci când concentrația dietei a fost de 40% sau mai mare, dar că s-a observat o tendință negativă atunci când concentrația dietei a fost de 20% (Fig. 2C, Tabelul S3). A existat un efect semnificativ al concentrației dietei și densității larvelor, dar nu au existat interacțiuni semnificative între densitatea larvelor și concentrația dietei, densitatea larvelor și indicele de agregare, nici între concentrația dietei și indicele de agregare (Tabelul S3). Aceste rezultate oferă dovezi pentru o relație pozitivă între agregarea larvelor și masa corpului larvelor și au relevat că, în unele cazuri, concentrația de nutrienți din dietă poate fi un modulator puternic al acestei relații.

Experimentul 1: Densitatea larvelor și dieta influențează mărimea agregărilor larvare

Proporția larvelor în agregate. Proporția de indivizi din cel mai populat agregat de-a lungul timpului (orizontal) între diete (vertical). Formele și culorile indică densitatea larvelor. Liniile au fost trasate folosind metoda „lm” din pachetul „ggplot2” în R și indică tendința în date.

Experimentul 2: Densitatea larvară modelează comportamentul de hrănire larvelor

Apoi, am măsurat modul în care densitatea larvelor a influențat înclinația de nutrețire a larvelor, precum și deciziile de hrănire a larvelor atunci când larvele au de ales între plasturi cu concentrații variate ale dietei. Prin utilizarea unui model de regresie logistică multinomială care a folosit „nici o alegere” (adică baza de agar) ca nivel de referință, am putea evalua înclinația furajului larvelor în timp. Rezultatele noastre au arătat că larvele erau mai susceptibile de a hrăni în orice plasture dat decât de a nu hrăni deloc, iar înclinația furajului a fost deosebit de ridicată pentru plasturile cu concentrație ridicată de nutrienți, independent de densitatea larvelor (Fig. 4A, Tabel S5, Fig. S3 ). Interesant este faptul că gama de diete în care larvele au fost hrănite a fost mai mare pentru arenele care conțin 50 și 100 de larve și a inclus plasturele cu 40% dietă în plus față de plasturile de 100%, 80% 60% care au fost mai dominante pentru arenele cu densitate larvară mai mică ( Fig. 4A). Aceste descoperiri arată că larvele sunt, în general, mai predispuse la hrănire în plasturi de înaltă calitate și că înclinația de hrănire a larvelor este independentă de densitate.

Am testat apoi dacă densitatea larvelor a afectat alegerile dietei larvelor, folosind din nou o regresie logistică multinomială, deși de data aceasta am folosit dieta standard (adică 100%) ca dietă de referință. Aici, am exclus excluderea larvelor care nu se hrăneau și am modelat comportamentul larvelor care se hrăneau în mod activ într-unul din petele alimentare din experimentul anterior. În arenele cu densitate larvară redusă (10 larve), larvele au prezentat o preferință semnificativă pentru dietele cu concentrație de macronutrienți de 60% față de dieta standard (100%) (Fig. 4A, Tabelul S6). Cu toate acestea, pe măsură ce densitatea larvelor a crescut (25 și 50 larve), a existat o schimbare a preferinței către plasturele care conține concentrația de macronutrienți 80% (Fig. 4C, D) și, în cele din urmă, când densitatea larvelor a fost cea mai mare (100 larve), larvele au prezentat preferințe semnificative statistic atât pentru plasturii de macronutrienți de 60%, cât și pentru cei de 80% în comparație cu dieta standard (Fig. 4E). Mai important, însă, este că numai larvele din arenele cu densitate mare (50 și 100 larve) au evitat semnificativ petele cu concentrație scăzută de concentrație de macronutrienți de 20% (Fig. 4D, E).

Discuţie

Este important de menționat că odată cu creșterea densității, larvele pot fi deplasate din petic datorită concurenței cu specificații pentru spațiu. Aceasta este o consecință naturală a densității larvale mari (adică, definită ca mai multe larve pe unitate de spațiu) și înțelegerea modului în care competiția pentru spațiu stă la baza comportamentului larvelor este un subiect important pentru investigațiile viitoare. De asemenea, calitatea plasturelui ar fi putut scădea în timp, în special în tratamentele cu densitate larvă mare și ar fi influențat unele dintre rezultatele găsite în studiul nostru. Acest lucru este puțin probabil, totuși, deoarece numărul de indivizi din fiecare plasture a crescut brusc și s-a stabilizat într-un platou, fără nicio dovadă a evaziunii larvelor din petele alese pe parcursul celor 24 de ore în care a fost efectuat experimentul (a se vedea, de exemplu, Fig. S3) . Astfel, rezultatele noastre demonstrează modul în care interacțiunile dintre densitatea larvelor și mediul nutrițional larvel modelează comportamentul de hrănire a larvelor.

Concluzie

Prezentul studiu oferă o nouă perspectivă asupra efectelor dependente de densitate asupra dezvoltării larvelor. Larvele mustei fructelor răspund la o serie de factori sociali și nutriționali, cu implicații importante pentru creșterea și creșterea larvelor. Împreună, descoperirile noastre ne ajută să înțelegem factorii ecologici care stau la baza dezvoltării larvelor la insecte și servesc drept o piatră de temelie importantă pentru viitoarele cercetări menite să înțeleagă mai bine aspectele comportamentale și nutriționale ale dezvoltării la insectele care trăiesc în grup.