Method Article
该协议可用于对自生 的Caenorhabditis 线虫进行大规模的生态调查。该方法的主要优点是有效地组织和分析与从自然界收集的线虫相关的生态和分子数据。
秀丽隐杆线虫 是生物学中的主要模式生物之一,但直到最近,研究人员才开始关注其自然生态学。关于 秀丽隐杆线虫 在其自然环境中的信息相对稀少,这来自于识别自然界中小线虫所涉及的挑战。尽管面临这些挑战,但对 秀丽隐杆线虫 生态学的日益关注已经引起了关于其实验室外生活的大量新信息。在自然界中对 秀丽隐杆线虫 的强化寻找有助于发现许多新的 Caenorhabditis 物种,并揭示了同源线虫经常在野外共存,在那里它们以与腐烂的植物材料相关的微生物水华为食。新物种的鉴定还表明,雄性和自育雌雄同体的雄激素交配系统在 Caenorhabditis中独立进化了三次。另外两个自给自足的物种, C. briggsae 和 C. tropicalis,具有 秀丽隐杆线虫 的实验优势,并且能够对重要性状的机制基础进行比较研究,包括自我受精。尽管取得了这些进展,但这些重要物种的生态和自然多样性仍有待了解。例如,我们仍然缺乏它们许多基因的功能信息,这可能只有通过了解它们的自然生态才能获得。为了促进自发 性Caenorhabditis 线虫的生态学研究,我们开发了一种高度可扩展的方法从野外收集线虫。我们的方法利用移动数据收集平台,基于云的数据库和R软件环境来增强研究人员从野外收集线虫,记录相关生态数据以及使用分子条形码识别野生线虫的能力。
在过去的二十年中,人们对线虫的生态学越来越感兴趣。从这些研究中,我们知道自由生活的Caenorhabditis物种可以从温带和热带地区的短暂微生境中分离出来,在那里它们以与分解植物材料相关的微生物水华为食,有时在sympatry1,2,3,4,5,6,7,8.我们还了解到,该属已经发生了三次自我受精的趋同进化,并且自发是C. briggsae,C. elegans和C. tropicalis的主要繁殖模式9,10。在这些自我者中,秀丽隐杆线虫是地球上研究最广泛的动物之一,已被研究人员用于在生物学方面取得关键进展。重要的是,其他自生的Caenorhabditis物种具有许多秀丽隐杆线虫的实验优势,并且正在迅速推进该属的比较研究。然而,这些线虫在野外的神秘性质使得研究其生态学和自然多样性变得困难,这对于了解其基因的生物学功能以及进化塑造物种遗传多样性的方式至关重要10,11。
研究野外自生 Caenorhabditis 线虫生态学的最大挑战是它们的小尺寸;成虫线虫的长度通常为1毫米或更小。这一挑战要求研究人员从野外采集底物样本,并试图在实验室中将感兴趣的线虫与底物分离,而无需在野外观察动物。因为即使是训练有素的专家也很难在显微镜下将自生 的Caenorhabditis 线虫与其他自由生活的线虫区分开来,因此线虫通常从底物中取出,分离出来,并在使用已建立的分子条形码通过序列标识进行鉴定之前进行增殖3,12,13,14.以这种方式处理每条线虫所需的时间和精力构成了组织上的挑战,因为研究人员必须能够将实验室中分离出的每条线虫的身份追溯到确切的底物和在现场采样的相关生态数据。在这里,我们描述了一个循序渐进的过程,以有效地从现场收集和识别自发 的Caenorhabditis 线虫,并在高尺度上忠实地将这些分离物与其相关的空间和生态数据联系起来。
这种收集方法通过使用移动数据收集平台、基于云的数据库和R软件环境来提高生态调查的规模和准确性。Fulcrum是一个可定制的数据收集平台,可与大多数移动设备配合使用,并允许用户构建自定义应用程序来收集和组织基于位置的数据(https://www.fulcrumapp.com)。该协议提供了有关如何使用定制数据收集应用程序来组织来自现场的空间显式生态数据的详细说明,并将这些数据与实验室中分离的线虫的身份准确联系起来。该协议还解释了如何使用已建立的分子条形码有效地识别自我的Caenorhabditis线虫。来自这些方法的数据可以使用随附的R软件包easyFulcrum15进行简单且可重复的处理,以探索天然Caenorhabditis种群的生态学和遗传多样性。
1. 收集准备
2. 现场收集
注意: 线 虫最常从腐烂的蔬菜材料中分离出来,包括水果,坚果,种子,豆荚,花,茎,植物凋落物和堆肥1,5,6,8。最好的基质是腐烂的,几乎无法识别为水果或花朵;避免使用太干或太湿的基材(图1)。通过成对工作,从现场收集基质最有效。使用非接触式红外测温仪的个人将选择用于收集的基板并收集样品,而其伴侣则使用支点中的线虫现场采样应用程序来记录收集数据。一对收集器将重复此过程,直到收集到所需数量的样品。实地工作所需材料清单见(补充表1)。
3. 在实验室中电镀现场收集
注意:本节详细介绍了如何将样品从贴标签的收集袋转移到贴标签的板。样品可能来自隔夜发货或直接从现场发货。
4. 从集合中分离线虫
5. 从支点出口S板
注意:本节详细介绍了如何从支点项目数据库导出隔离过程中使用的 S 标签。这些S标签将用于跟踪增殖的异性系,同时通过第6-9节中的序列标识来识别它们。
6. 检查S型板上的增殖情况
7. 异戊二线的裂解
注意:此步骤将使用Google表格中的数据过滤工具来帮助打印扩散框中S板的裂解工作表。裂解工作表的目的是为工作人员提供工作台上裂解试管中S标签的正确位置。
8. SSU和ITS2序列的PCR
注:本节将说明如何对每个裂解的S板进行两个单独的PCR。第一个引物集扩增18S rDNA小亚基基因(SSU)的500-bp片段;oECA1271 = 前向引物 TACAATGGAAGGCAGCAGGC, oECA1272 = 反向引物 CCTCTGACTTTCGTTCTTGATTAA 12.该PCR用于检查模板DNA的质量。PCR 扩增了几乎所有线虫物种的 SSU 区域。如果SSU PCR无法扩增,则该结果表明裂解质量较差,必须对该S板重复裂解。第二个引物集扩增5.8S和28S rDNA基因(ITS2)之间内部转录间隔区的2,000-bp片段;oECA1687 = 正向引物 CTGCGTTACTTACCACGAATTGCARAC, oECA202 = 反向引物 GCGGTATTTGCTACTACCAYYAMGATCTGC3.ITS2 PCR产物是Sanger测序的,该序列用于通过序列相似性将Caenorhabditis属中的线虫鉴定到物种水平。
9. 使用 Sanger 测序和序列 BLAST 鉴定线虫
注意:本节提供了从S标签对ITS2扩增子进行测序的说明,使用BLAST算法将这些序列与国家生物技术信息中心(NCBI)数据库对齐,并解析BLAST结果以识别S板上的线虫。
10. 使用 R 中的 easyFulcrum 包处理收集数据
注意:此步骤介绍如何使用 easyFulcrum R 包将收集数据(C 标签)和线虫隔离数据(S 标签)链接在一起。该软件包含的功能将进一步将支点数据与基因分型表中的基因分型数据连接起来,以便将S标签物种身份和菌株名称组织在单个数据框中。
该协议已被用于从多个地点(包括夏威夷和加利福尼亚州)收集 Caenorhabditis 线虫。 线虫的 分离成功率因采集地点、气候、采样经验和采样的底物类型而异。该协议已被用于对夏威夷群岛进行广泛采样,其中九个收集项目已经进行了多年和季节。自发 性Caenorhabditis 物种的分离成功率对于 C. briggsae (4,506个样本中的162个,3.6%)和 秀丽隐杆线虫 (4,506个样本中的163个,3.6%)几乎相同,而 C. c. tropicalis (4,506个样本中的26个,0.58%)的分离成功率要低得多8。相对于其他基质类别,每个自给自足物种都富含腐烂的果实和花基质。如果研究人员试图最大限度地提高成功率而不是表征底物偏好,则对腐烂的水果和花基质进行采样。然而,成功率随所选基板的质量而变化。例如,在水果和花卉基质中,那些太干燥,潮湿或新鲜的基质可能不会产生 Caenorhabditis 线虫。
这种收集协议的可扩展性从一对研究人员可以从野外收集的集合数量中显而易见。例如,在2018年10月,一对使用这种收集方案的研究人员能够在7天内从夏威夷两个岛屿的多个地点收集总共超过1,000个样本。这个现场团队在一夜之间将样本运送到实验室,在那里,一个由八名研究人员组成的团队从样本中分离出2000多种线虫。该协议的一个关键优点是,它通过减少现场所需的设备和人员,最大限度地降低了与远程位置采样相关的成本。使用该协议,小型现场团队可以专注于采样,而隔离团队可以使用易碎和重型设备(如解剖显微镜和琼脂平板)在其家庭机构处理样本,以分离线虫。此外,移动数据收集应用程序的实现允许与样品相关的所有现场数据直接链接到C标签,这使得隔离团队能够在处理样品时独立于现场团队工作。
使用此收集协议的研究人员必须考虑在收集项目之前分离线虫所需的努力。隔离和鉴定步骤具有速率限制,小型收集团队可以快速用样品淹没隔离器。此外,处理许多馆藏所需的实验室空间可能会干扰正在进行的研究(图3)。此外,一些分离的线虫需要额外的努力来进行基因分型。例如,在第一次裂解尝试后,大约2%的分离物无法用SSU PCR引物组扩增,必须重新裂解以确保裂解材料适合使用ITS2引物组扩增(图8)。此外,大约3%的分离株在第一轮Sanger测序后无法产生高质量的序列。对于这些分离株,通常需要另一轮裂解,ITS2 PCR和Sanger测序,这可能会增加分离团队的处理时间。重要的是,序列鉴定本身并不足以证明新的 Caenorhabditis 物种的合理性(图7)。为了正确地证明将分离株作为新的 Caenorhabditis 物种饲养是合理的,必须做出额外的努力来进行交配实验并建立类型标本13。打字标本的正式形态学描述也是首选,但不是必需的3。总之,这些考虑因素表明,采用这种收集方案的研究人员将受益于隔离和鉴定步骤的试验测试,以确保在收集项目开始之前正确分配资源。重要的是,即使是小型收集项目也可以从该协议中受益,因为该过程具有高度可重复性,并且可以轻松审核数据以用于实验室组的质量控制目的。
图1:基质示例 (A)理想的腐烂果实显示在图像(1)的中心,该果实几乎无法识别。附近显示腐烂的水果较少;避免对新鲜落下的水果进行取样(2)。(B)理想分解的花朵显示在顶部(3)。避免对新落的花朵进行采样(4)。(C)干燥叶片顶层下的深色落叶是自生 自生线虫采样 的理想选择(5)。避免取样干燥的落叶(6)。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 2:线虫场采样移动应用程序。 (A) 在 Fulcrum 的 Apple 设备上打开 线虫场采样 应用程序后的初始屏幕。右下角的红色箭头指向用于创建新收藏记录的 + 按钮。(B) Apple 设备上显示的新收藏记录的示例。红色箭头指向收藏记录屏幕顶部的"项目"字段。在现场采样时,请务必选择正确的项目。项目字段将默认为创建后续收集记录时使用的最后一个项目。 请点击此处查看此图的放大版本。
图3:在电镀样品之前整理的收集袋和收集板。 此图显示了左侧 C 标记收集袋中的样品。每个收集袋的顶部都有一个匹配的C标签10厘米板。右边是10厘米的收集板,其中包含从收集袋中转移后的样品材料。 请点击此处查看此图的放大版本。
图4:具有正确转移样品的收集板(C板)。 将带有腐烂果实的10厘米C板放置在细菌草坪的边缘。C标签贴在板盖上。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 5:线虫隔离移动应用程序。 (A) 支点移动应用程序中的应用程序选择屏幕。红色箭头指向 线虫隔离 应用程序。(B) 在 Fulcrum 中的 Apple 设备上打开 线虫隔离 应用程序后的初始屏幕。右下角的红色箭头指向用于创建新隔离记录的 + 按钮。(C) Apple 设备上显示的新隔离记录的示例。红色箭头指向隔离记录屏幕顶部的"项目"字段。隔离时,请务必选择正确的项目。项目字段将默认为创建后续隔离记录时使用的最后一个项目。(D)点击C标签下的 "选择" 字段后,用户将点击搜索按钮(红色箭头)以找到他们从中分离线虫的C标签。(E)选择C标签后,用户将使用设备摄像头拍摄C板。(F)用户然后输入C板上是否有线虫。如果有要隔离的线虫,则将 S 标签添加到隔离记录中。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 6:NCBI BLAST 结果页面。 (1) 用于查看所有序列的 BLAST 结果的下拉菜单。(2) 从下拉列表中选择的当前序列的描述。在本例中,将显示 S 标签 S-05554 的结果。(3) 显示 S-05554 的顶级 BLAST 命中。紫色文本表示已单击用于可视化此对齐方式的链接。请务必用眼睛检查对齐方式,以确定可能的新 Caenorhabditis 物种,请参阅上面的步骤9.8。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 7:NCBI BLAST 对齐可视化示例。 (A) 分离株的 ITS2 查询序列与 C. kamaaina 受试者序列对齐的示例。(1) 对齐的百分比标识 (89%),对于顶部 BLAST 命中而言,这是低的。(2) 查询和主题序列(G 到 A)之间的不匹配。(3)通过比对算法在主体序列中形成的四个碱基对间隙;查询或主题中的间隙表示对齐不良。(4)对齐中心的广义区域,有许多不匹配和间隙。像这样的区域表明,查询序列可能来自一个新的 Caenorhabditis 物种。图中显示了2017年发现的新物种 C. oiwi的实际对齐示例。(B) 隔离的 ITS2 查询序列与主题序列之间良好对齐的示例。(5)比对的百分比(99%),这通常意味着查询序列来自与受试者相同物种的分离物。(6)与完美身份对齐的中心区域。像这样的区域表明,查询隔离物可能与受试者是同一物种。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 8:SSU 和 ITS2 PCR 产物。 顶部凝胶显示使用SSU引物组生成的PCR产物,用于12个代表性样品。DNA分子量标准包含在左侧作为参考。用于线虫尾状动脉 炎的 SSU PCR产物长度约为500 bp。样品2-12用SSU引物组扩增,但样品1没有。样品1缺乏500 bp SSU扩增子表明裂解材料质量差,必须重新裂解样品。底部凝胶显示使用ITS2引物组生成的PCR产物,用于顶部凝胶中所示的相同12个样品。两种凝胶的分子量标准品和样品处于相同的方向。12款样本中有6款未用ITS2引物组扩增。具有SSU和ITS2波段的样本采用Sanger测序,并使用NCBI BLAST算法通过序列相似性进行识别。 请点击此处查看此图的放大版本。
补充文件1:C标签。 包含 2500 个唯一 C 标签的 PDF 文件。 请点击此处下载此文件。
补充文件 2:S 标签。 包含 5000 个唯一 S 标签的 PDF 文件。 请点击此处下载此文件。
补充表1:现场材料。 现场用于对线虫进行采样的材料的包装清单。 请点击此处下载此表格。
补充表2:PCR配方和热循环器条件。 ITS2 和 SSU PCR 的 PCR 配方和热循环器条件 表。请单击此处下载此表。
补充表3:电泳缓冲液配方。 0.5 M pH 8.0乙二胺四乙酸溶液(EDTA)和TRIS-醋酸-EDTA(TAE)缓冲溶液的配方。 请点击此处下载此表格。
此协议包含必须谨慎执行的关键步骤。例如,在从现场收集样本或从实验室的样本中分离线虫之前,现场和隔离团队必须谨慎地在应用程序中选择正确的收集项目。如果选择了错误的收集项目,则最好使用在线记录编辑工具在支点数据库中更正错误的数据记录。对于许多放错位置的记录,此过程可能很繁琐。但是,数据库会保留对记录所做的任何更改,以便可以对收集和隔离记录进行完整的审核。该协议中的其他关键步骤涉及处理来自现场的样品以及从这些样品中分离出的线虫。为确保 线虫食 莲属在取样和装运步骤中存活,样品的温度应保持在4°C至25°C之间。 温度高于25°C会导致 秀丽隐杆线虫无菌14。确保尽可能在五天内将样品从收集袋转移到收集板,以尽量减少线虫的损失。在分离线虫后,在它们死亡之前对它们进行基因分型和冷冻保存至关重要。很难在超过两到三周龄的S板上找到活的线虫,因为真菌和细菌污染会使S板不适宜居住。
该协议可以轻松修改,以适应研究人员在现场可能想要收集的不同类型的数据。例如,使用Fulcrum的在线GUI进行应用程序编辑,使用新的数据输入字段可以轻松自定义"线虫场采样"应用程序。此外,数据分析包 easyFulcrum 可以在处理新数据时适应这些编辑15。用户可能发现吸引人的另一个修改是在现场使用不同的采样方法。研究人员可能希望对包含多种基板类型的较大区域进行采样,而不是对离散底物进行采样。这些较大的样品最好在实验室中使用 Baermann 漏斗或托盘提取方法进行处理13。重要的是,C标签和S标签的使用仍然适用于这些技术,因此与移动应用程序兼容。
该协议的主要局限性与在实验室中分离之前线虫的处理时间有关。首先,样本采集和线虫分离之间的滞后时间使得在采集时无法记录给定样本上线虫的发育阶段。其次,雄性和异族杂交的频率是自给自发 的Caenorhabditis 线虫的关键进化问题10。这种方法不太适合解决这些问题,因为线虫在隔离之前可能已经经历了多代。延迟隔离意味着不可能直接证明男性在自然界中的频率。此外,基因分型步骤中的多代延迟意味着在对线虫菌株进行测序之前,异型杂交(杂合性)的基因组证据将被侵蚀。为了鉴定自然界中的杂合性,使用从自然界直接分离的线虫产生的后代进行测序2。该协议的另一个潜在局限性是它偏向于识别自发性 Caenorhabditis。这是因为自生物种的孤立线虫比专性异型线虫具有更大的增殖机会,而专性异型动物只有在隔离受精的雌性时才会增殖。
此收集方法基于现有的收集协议13,14。该技术的主要进步是使用移动技术和定制软件来促进与大规模收集项目相关的大量生态和分子数据的组织。使用该收集协议生成的生态数据可用于解决 Caenorhabditis 物种自然种群的悬而未决的问题。例如,使用此方法生成的数据已用于发现夏威夷群岛上物种的生态位偏好。此外,通过对冷冻保存的线虫的基因组进行测序,研究人员可以研究遗传变异模式如何与生态数据相关联。此类研究可以揭示 Caenorhabditis 种群中局部适应的特征,并为自然环境中遗传变异的相关性提供重要见解8。为了获得对 线 虫内膜炎许多基因的功能性理解,可能需要进行生态学研究11。即使对于 秀丽隐杆线虫 来说,很大一部分基因也缺乏功能注释,尽管它是第一个被测序的多细胞动物,也是地球上研究最彻底的动物之一。该收集方案的开发旨在通过促进野生 Caenorhabditis 线虫的收集以及对其生态学和自然遗传多样性的研究来帮助解决这一知识差距。
作者报告没有利益冲突。
这项研究得到了西北大学的启动资金和国家科学基金会职业奖(IOS-1751035)的支持,两者都授予E.C.A.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Adhesive labels | Avery | 61533 | Printing the C-labels and S-labels |
Agarose | Thomas Scientific | C748D75 | agarose gel preparation |
Backpack | A backpack for each team member to hold equipment, samples, food, and water for the day. | ||
Cardboard boxes | Fisher Scientific | AS261 | Storage of S-plates |
Centrifuge | NA | NA | Neamtode lysis, SSU and ITS2 PCR |
Collection bags | Zip-lock | NA | Collection of substrates |
Digital temperature/humidity meter | Preciva | HT-86 | Measurement of ambient temperature and humidity |
Disecting scope | NA | NA | Nematode isolation, lysis |
Disposible reservoirs | USA Scientific | 1306-1010 | Aliquoting PCR master mixes and loading dye |
DNA ladder, 1 KB plus | Thermo Scientific | SM0243 | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
dNTPs | Thomas Scientific | CB4430-2 | PCR master mix component |
easyFulcrum R package | NA | NA | An R package for processing collection data http://andersenlab.org/easyfulcrum/articles/easyFulcrum.html |
EDTA solution (0.5 M pH 8.0) | NA | NA | See supplemental table 3 for recipe |
Ethanol (95%) | NA | NA | Plating out samples, spoon sterilization |
Ethidium bromide solution (10 mg/mL) | VWR | 97064-602 | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
External battery charger for mobile device | NA | NA | External battery charger and charging cable for iPhone or Android |
Flask (500 mL) | Fisher Scientific | FB501500 | agarose gel preparation |
Food | NA | NA | Pack accordingly |
Gel electrophoresis apparatus | Thermo Scientific | B2 | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
Gel electrophoresis power supply | BioRad | 1645050 | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
Gel loading dye, 6x | NEB | B7022S | Visualizing SSU and ITS2 PCR products |
ITS2 primer set | NA | NA | oECA1687 = forward primer CTGCGTTACTTACCACGAATTG CARAC, oECA202 = reverse primer GCGGTATTTGCTACTACCAYYAM GATCTGC |
ITS2 sequencing primer | NA | NA | oECA306 = forward primer CACTTTCAAGCAACCCGAC |
Lysis buffer | NA | NA | Nematode lysis, see protocol for recipe |
Microwave | NA | NA | agarose gel preparation |
Mobile device | NA | NA | Charged phone in airplane mode. The Fulcrum app GPS positions are inaccurate compared to the GPS positions extracted from pictures. This setting ensures that you use less power and get more precise GPS measurements. |
NGMA plates, 10 cm | Fisher Scientific | FB0875713 | C-plates, see Andersen et al. 2014 for NGMA plate protocol. |
NGMA plates, 3.5 cm | Greiner Bio-One | 5662-7102Q | S-plates, see Andersen et al. 2014 for NGMA plate protocol. |
Non-contact infrared thermometer | Etekcity | B00837ZGRY | Measurement of substrate temperature |
Paper towels | NA | NA | Paper towels for absorbing excess moisture in a bagged sample. |
Parafilm | Fisher Scientific | 13-374-12 | Plate sealing |
PCR adhesive foil | VWR | 60941-126 | PCR adhesive foil |
PCR buffer (10x) | Thomas Scientific | CB3702-7 | PCR master mix component |
PCR plates (96-well) | Thomas Scientific | 1149K04 | SSU and ITS2 PCRs |
Pencil | NA | NA | |
Plastic spoons | NA | NA | Plating out samples |
Platinum pick | NA | NA | Nematode isolation, lysis |
Pre-labeled ziplock collection bags | NA | NA | Bundles of zip-lock plastic bags pre-labelled with C-label barcodes. Each bundle should contain 25 barcoded bags wrapped with a rubber band. |
Proteinase K | Sigma | 3115879001 | Nematode lysis, added to lysis buffer just prior to use |
R software | NA | NA | R software: A language and environment for statistical computing https://www.R-project.org/ |
Soft cooler bag and ice pack | NA | NA | Collection coolers and cooler packs to keep samples cool when ambient temperature is above 25 °C. |
Spare batteries | NA | NA | Extra batteries for sampling equipment |
SSU primer set | NA | NA | oECA1271 = forward primer TACAATGGAAGGCAGCAGGC, oECA1272 = reverse primer CCTCTGACTTTCGTTCTTGATTAA |
Strip tube caps (12-well) | Thomas Scientific | 1159V29 | Nematode lysis |
Strip tubes (12-well) | Thomas Scientific | 1159V31 | Nematode lysis |
TAE buffer (1x) | NA | NA | Visualizing SSU and ITS2 PCR products. See supplemental table 3 for recipe |
Taq polymerase | Thomas Scientific | C775Y45 | PCR master mix component |
Thermocycler | NA | NA | Neamtode lysis, SSU and ITS2 PCR |
Water | NA | NA | Pack accordingly |
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