[論文レビュー] Native climate uniformly influences temperature-dependent growth rate in Drosophila embryos

Steven Kuntz, Michael Eisen|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2013

Physiological and biochemical adaptations被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、ドーパシラの種間および温度による胚発生時間の広範な変動にもかかわらず、細胞化から羽化までの主要な発生マイルストーンの相対的タイミングが一定であることを明らかにした。11種のドーパシラを用いた時間分解能画像法と手動／自動アノテーションにより、多様な気候的起源を持つ種においても、発生を制御する温度に依存しない発生タイマーが保存されていることが同定された。

ABSTRACT

Temperature affects both the timing and outcome of animal development, but the detailed effects of temperature on the progress of early development have been poorly characterized. To determine the impact of temperature on the order and timing of events during Drosophila melanogaster embryogenesis, we used time-lapse imaging to track the progress of embryos from shortly after egg laying through hatching at seven precisely maintained temperatures between 17.5C and 32.5C. We employed a combination of automated and manual annotation to determine when 36 milestones occurred in each embryo. D. melanogaster embryogenesis takes ~33 hours at 17.5C, and accelerates with increasing temperature to 16 hours at 27.5C, above which embryogenesis slows slightly. Remarkably, while the total time of embryogenesis varies over two fold, the relative timing of events from cellularization through hatching is constant across temperatures. To further explore the relationship between temperature and embryogenesis, we expanded our analysis to cover ten additional Drosophila species of varying climatic origins. Six of these species, like D. melanogaster, are of tropical origin, and embryogenesis time at different temperatures was similar for them all. D. mojavensis, a sub-tropical fly, develops slower than the tropical species at lower temperatures, while D. virilis, a temperate fly, exhibits slower development at all temperatures. The alpine sister species D. persimilis and D. pseudoobscura develop as rapidly as tropical flies at cooler temperatures, but exhibit diminished acceleration above 22.5C and have drastically slowed development by 30C. Despite ranging from 13 hours for D. erecta at 30C to 46 hours for D. virilis at 17.5C, the relative timing of events from cellularization through hatching is constant across all species and temperatures, suggesting the existence of a timer controlling embryogenesis.

研究の動機と目的

• 広範な温度範囲におけるドーパシラ発生の温度依存的進行を特徴づけること。
• 異なる気候的起源を持つ種において発生タイミングが保存されているかどうかを特定すること。
• 絶対的発生速度の変動にもかかわらず、相対的イベントタイミングが一定であるかどうかを調査すること。
• 温度に依存しない発生タイマーが発生を制御しているという仮説を検証すること。

提案手法

• 7つの正確な温度（17.5°C ～ 32.5°C）で、卵の受精から羽化までのドーパシラ胚の時間分解能画像法。
• 複数の温度で個々の胚における36の発生マイルストーンを手動および自動でアノテーションすること。
• 熱帯、亜熱帯、温帯、アルプインの種を含む、多様な気候的起源を持つ11種のドーパシラにおける発生の比較的分析。
• 種および温度ごとの絶対的発生時間とマイルストーンの相対的タイミングを定量的に比較すること。
• 温度的および系統的変動における相対的タイミングの一定性を評価する統計的分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーパシラ・メラノガスタの胚発生において、温度は発生マイルストーンの絶対的タイミングにどのように影響するか？
• RQ2 D. melanogasterにおいて、異なる温度下での胚のイベントの相対的順序とタイミングは保存されているか？
• RQ3 同一の熱的条件下で、異なる気候的起源を持つドーパシラ種の発生経路はどのように異なるか？
• RQ4 絶対的発生速度の変動にもかかわらず、相対的タイミングを維持する保存された発生タイマーが存在するか？
• RQ5 熱帯、温帯、アルプインのドーパシラ種は、温度依存的胚発生においてどのように異なるか？

主な発見

• D. melanogasterの胚発生は17.5°Cで33時間、27.5°Cで16時間に短縮され、27.5°Cを超えるとわずかに遅延する。
• 発生時間に2倍の変動があるにもかかわらず、細胞化から羽化までの発生マイルストーンの相対的タイミングは、全温度条件下で不変であった。
• 6種の熱帯ドーパシラ種は、類似した温度依存的胚発生時間を示し、熱的応答が保存されていることを示している。
• D. mojavensis（亜熱帯）は低温で熱帯種よりも発生が遅く、D. virilis（温帯）は全温度範囲で発生が遅い。
• D. persimilisおよびD. pseudoobscura（アルプイン）は低温で発生が速いが、22.5°Cを超えると加速が減少し、30°Cでは著しく遅延する。
• 全11種において、13時間（D. erecta 30°C）から46時間（D. virilis 17.5°C）までの発生時間の変動にもかかわらず、細胞化から羽化までのイベントの相対的タイミングは一定であり、保存された発生タイマーの存在を支持する。