[논문 리뷰] Native climate uniformly influences temperature-dependent growth rate in Drosophila embryos

Steven Kuntz, Michael Eisen|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 22.

Physiological and biochemical adaptations인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 Drosophila 종과 온도에 관계없이 배아 발달 시간의 괴리가 크지만, 세포화에서 부화에 이르는 핵심 발달 시점의 상대적 시기 변화는 일정하다는 것을 드러낸다. 11종의 Drosophila에서 시간 경과 영상 촬영과 수동/자동 주석 분석을 통해, 다양한 기후적 기원을 가진 종들 사이에서 일관된 온도에 영향을 받지 않는 발달 타이머가 배아 발생을 조절한다는 것을 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 넓은 온도 범위에서 Drosophila 배아 발생의 온도 의존적 진행 상황을 규명하기 위해.
• 다른 기후 기원을 가진 종들 사이에서 발달 시기의 일관성이 있는지 확인하기 위해.
• 절대 발달 속도의 변동에도 불구하고 상대적 사건 시기의 일관성이 유지되는지 조사하기 위해.
• 온도에 영향을 받지 않는 발달 타이머가 배아 발생을 조절한다는 가설을 검증하기 위해.

제안 방법

• 17.5°C에서 32.5°C까지 정밀한 7개 온도에서 계란 부화부터 부화까지의 Drosophila 배아 시간 경과 영상 촬영.
• 다양한 온도에서 개별 배아의 36개 발달 시점에 대해 수동 및 자동 주석 처리.
• 열대, 아열대, 온대, 알파인 종을 포함한 다양한 기후 기원을 가진 11종의 Drosophila에서의 발달 시기 비교 분석.
• 종과 온도 간의 절대 발달 시간과 시점의 상대적 시기 간 정량적 비교.
• 온도 및 계통적 다양성에 따른 상대적 시기 일관성 평가를 위한 통계 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D. melanogaster 배아에서 온도는 절대 발달 시점의 시기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 D. melanogaster에서 다양한 온도에서 배아 사건의 상대적 순서와 시기는 일관성이 있는가?
• RQ3 동일한 열 조건에서 기후 기원이 다른 Drosophila 종들 간에 발달 궤적이 어떻게 다를까?
• RQ4 절대 발달 속도의 변동에도 불구하고 상대적 시기를 유지하는 일관된 발달 타이머가 존재하는가?
• RQ5 열대, 온대, 알파인 Drosophila 종들은 온도 의존적 배아 발생에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• D. melanogaster의 배아 발생은 17.5°C에서 33시간, 27.5°C에서는 16시간으로 빨라지며, 27.5°C 이상에서는 약간의 저하가 관찰된다.
• 전체 배아 발생 시간이 두 배로 변동됨에도 불구하고, 세포화에서 부화에 이르는 발달 시점의 상대적 시기는 테스트한 모든 온도에서 일관되게 유지된다.
• 6종의 열대 Drosophila 종은 유사한 온도 의존적 배아 발생 시간을 보이며, 이는 공통된 열 반응을 의미한다.
• D. mojavensis(아열대)는 낮은 온도에서 열대 종들보다 더 느리게 발달하며, D. virilis(온대)는 모든 온도에서 느리게 발달한다.
• D. persimilis와 D. pseudoobscura(알파인)는 찬 온도에서 빠른 발달을 보이나 22.5°C 이상에서는 가속도가 감소하고 30°C에서는 심한 저하가 관찰된다.
• 11종 전반에서 13시간(D. erecta, 30°C)에서 46시간(D. virilis, 17.5°C)까지의 범위에서 세포화에서 부화에 이르는 사건의 상대적 시기는 일관되게 유지되며, 이는 일관된 발달 타이머 존재를 뒷받침한다.