Nous sommes reconnaissants du soutien des assistants de premier cycle pendant l’élevage pour ce travail, en particulier Regina Kurandina et Rhea Smykalski. Carolyn Kalinowski a aidé à compiler la littérature sur la toxicité des métaux chez d’autres lépidoptères. Ce travail a été rendu possible grâce à une subvention de recherche d’été du département d’écologie, d’évolution et de comportement de l’Université du Minnesota.

Élevage artificiel et tolérance aux métaux lourds chez les papillons blancs du chou

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.

Dans cette recherche, des papillons blancs du chou (Pieris rapae) ont été élevés avec un régime artificiel pour examiner les différences de toxicité des métaux lourds. Ce faisant, cette étude fournit des méthodes générales pour l’élevage et les études en laboratoire de ce système papillon facile à manipuler. Cette discussion aborde d’abord des questions plus générales sur les méthodes examinées ici, puis passe en revue nos résultats scientifiques avant de conclure par des réflexions sur les composants de l’alimentation artificielle.
Le protocole examiné ici donne les étapes d’une méthode générale d’élevage pour les papillons blancs du chou, mais il y a beaucoup de points dans ce protocole qui peuvent être modifiés. Par exemple, alors que l’étude de cas présentée ici utilise des éponges pour se nourrir, d’autres chercheurs ont eu de la chance avec des mèches dentaires et des fleurs de soie remplies d’eau de miel5. Alors que la présente étude utilise de l’eau de miel comme nourriture, d’autres chercheurs ont utilisé des solutions de sucre et même Gatorade. Si les pupes doivent être pesées ou déplacées vers d’autres conditions d’émergence (par exemple, induisant une diapause et nécessitant un stockage au froid pendant 1 mois), le chercheur peut facilement les retirer des tasses en les aspergeant d’eau pour humidifier leurs attaches en soie et les saisir avec des pinces à plumes, puis en les accrochant à nouveau à l’aide de ruban adhésif double face. Si les chercheurs ont besoin de plus de flexibilité en ce qui concerne le moment où les papillons adultes sont déplacés dans des cages pour le comportement des adultes, ils peuvent être conservés au réfrigérateur pendant plusieurs semaines, mais ils doivent être nourris. Tous les plusieurs jours, les papillons doivent être sortis pour être nourris avec une solution d’eau de miel diluée. Sous éclairage intérieur, cela peut être fait en utilisant une épingle pour dérouler leur trompe dans la nourriture. Du côté de la performance adulte, un large éventail de mesures de condition physique peut être pris sur les papillons blancs du chou. La taille du corps peut être mesurée comme la masse humide ou sèche des larves à certains stades, des pupes ou des adultes (sacrifiés ou maintenus dans des enveloppes de verre), ou par la mesure de la longueur des ailes dans le programme ImageJ (voir 12,24,25,28). La fécondité au cours de la vie des femelles peut être mesurée par des collectes quotidiennes d’œufs sur les plantes hôtes 25,69,70, et la taille des caractères spécifiques peut être mesurée comme mesure de la performance; Par exemple, la masse ou le volume du cerveau ou des régions cérébrales individuelles 62,71,72, ou la masse ou la teneur en protéines du thorax ou du muscle de vol 62,70. Enfin, les adultes peuvent être utilisés dans des études comportementales pour tester un certain nombre de questions examinant l’effet de la manipulation du régime alimentaire sur le choix de la recherche de nourriture ou de ponte27,73.
Si le protocole d’élevage ne fonctionne pas comme prévu, il y a quelques aspects à résoudre. Tout d’abord, on peut se demander si les niveaux de lumière sont suffisamment élevés pour susciter un comportement adulte normal. Alors que les lignées de Pieris adaptées au laboratoire pondent des œufs sous une lumière fluorescente, la seule lumière artificielle qui fonctionne pour les lignées de type sauvage sont les puissantes lampes de serre à large spectre. La lumière naturelle dans les serres, les rebords de fenêtres ou à l’extérieur fonctionne mieux pour provoquer un comportement d’accouplement et de ponte. Deuxièmement, si les œufs n’éclosent pas ou si les larves meurent tôt dans le développement, il y a quelques éléments à considérer. Le matériel végétal hôte doit être biologique, notant que les plantes « biologiques » des magasins sont parfois traitées avec des produits chimiques qui peuvent tuer les larves, de sorte qu’il est souvent préférable d’élever ses propres plantes hôtes. Si le taux d’acceptation de l’hôte est plus faible, des feuilles plus jeunes avec une teneur en azote plus élevée peuvent être tentées, présentant des plantes en pot au lieu de feuilles individuelles et assurant l’accouplement des femelles. Les femelles accepteront les semis de Brassica, même les petites pousses âgées de 2 semaines. La méthode à la paraffine fonctionne bien pour transférer les œufs dans différentes conditions, mais il convient de noter que le taux d’acceptation a tendance à être inférieur à celui des plantes entières. Troisièmement, tous les composants du régime doivent être de haute qualité et non périmés. L’huile de lin doit être remplacée chaque année et conservée au réfrigérateur24,25. Le germe de blé, le mélange de vitamines et les antibiotiques doivent également être conservés au frais. Quatrièmement, on peut envisager de peaufiner la configuration de la tasse de régime. N’importe quel nombre de types de gobelets en plastique jetables peuvent être utilisés pour l’élevage, de 1 oz à 15 oz. Nous avons constaté que 4 oz est une bonne taille pour permettre l’émergence des adultes et s’emballe bien dans nos chambres climatiques. Les trous percés dans les couvercles permettent la circulation de l’air, mais trop de trous peuvent assécher le régime alimentaire dans des conditions de faible humidité, de sorte que ce nombre peut devoir être ajusté. Cinquièmement, les conditions dans la chambre climatique peuvent devoir être ajustées en combinaison avec les conditions de la tasse. Si les conditions sont trop sèches, les plantes hôtes avec des œufs peuvent se dessécher avant que les larves puissent être transférées, et les tasses avec régime alimentaire peuvent se dessécher avant que les papillons n’émergent. D’autre part, si les conditions sont trop humides, les tasses peuvent abriter des moisissures et des maladies. Les chercheurs devront peut-être ajuster le flux d’air dans les tasses en utilisant des couvercles en maille ou plus ou moins de trous dans les couvercles. Un autre problème courant est les lumières de la chambre qui sont suffisamment brillantes pour provoquer des variations de température dans les tasses et une accumulation de condensation; L’utilisation de gradateurs est une option facile pour l’élevage larvaire.
En ce qui concerne les questions de recherche de cet article, cette étude a révélé que les blancs de chou étaient relativement plus sensibles au cuivre qu’au nickel ou au zinc. Le cuivre a eu des effets négatifs importants sur le temps de développement à des concentrations aussi faibles que 50 ppm (figure 3 et tableau 3) et sur la survie à 500 ppm (figure 4, tableau 4). En revanche, il n’y avait aucun effet négatif du nickel sur la survie (jusqu’à 500 ppm; Graphique 3) ou des effets négatifs sur le temps de développement à 100 ppm (figure 4). Les blancs de chou étaient assez tolérants au zinc, avec des effets de survie observés seulement à 1 000 ppm (figure 3) et des effets négatifs sur le temps de développement à partir de 100 ppm (figure 4). D’après les concentrations relativement plus élevées de zinc dans les tissus des papillons et les moutardes (leur plante hôte; Figure 1), on s’attendait à ce qu’une tolérance relativement plus grande au zinc soit observée. Cependant, la sensibilité au cuivre et la tolérance au nickel étaient quelque peu inattendues étant donné les très faibles concentrations de nickel dans les tissus des papillons (figure 1) et la nécessité du cuivre comme micronutriment. Ces résultats inattendus sont discutés ci-dessous après avoir examiné la tolérance de ces métaux chez d’autres papillons et papillons de nuit.
Pour comparer les données actuelles avec la sensibilité aux métaux mesurée chez d’autres lépidoptères, des données provenant d’études existantes ont été compilées sur la concentration minimale, où les métaux lourds ont eu un impact négatif sur la survie 49,50,51,56,63,64,65,66,67,68; ces études ont porté sur les papillons de nuit, en particulier les espèces nuisibles (Galleria mellonella, Lymantria dispar, Plutella xylostella, Spodoptera sp.). Toutes les valeurs de sensibilité mesurées dans cette étude se rapprochent de la plage mesurée pour ces autres espèces (figure 5). Cependant, la mesure de la tolérance au nickel dans cette étude semble être plus élevée que prévu - bien qu’il n’y ait pas eu d’effet significatif de survie à 500 ppm, l’étude précédente sur Pieris rapae a également révélé une tolérance très élevée pour le nickel (effets significatifs à partir de 1 000 ppm56), malgré de faibles concentrations naturelles dans leurs tissus (Figure 1). La mesure de la sensibilité au cuivre dans cette étude semble également être à l’extrémité inférieure pour les études sur les lépidoptères. Bien que l’utilisation d’un régime artificiel permette une comparaison pratique et contrôlée de la sensibilité relative aux métaux, il est important de noter que les composants du régime pourraient modifier la mesure de la sensibilité absolue aux métaux. Par exemple, la vitamine C dans l’alimentation pourrait compenser le stress oxydatif induit par les métaux74, ou les antibiotiques dans l’alimentation pourraient modifier les effets des microbes sur le traitement des métaux75. Une ligne intéressante de recherche future serait de manipuler systématiquement de tels composants de régime pour tester les effets sur la toxicité des métaux, en particulier compte tenu des questions sur le rôle fonctionnel des microbes intestinaux lépidoptères 76,77 et des composants du nectar qui peuvent avoir des propriétés antioxydantes78. En outre, la variation des besoins alimentaires entre les espèces peut rendre les comparaisons interspécifiques difficiles, et les méthodes artificielles basées sur l’alimentation devraient être complétées par des manipulations des plantes hôtes.
Ces papillons sont particulièrement tolérants au nickel et sensibles au cuivre. Des recherches antérieures ont noté que de nombreuses plantes de la famille de la moutarde, qui comprend les plantes favorisées par les Pieridae, hyperaccumulent le nickel comme mécanisme de défense contre les herbivores 55,56,63,79,80,81. Cette hyperaccumulation est supérieure à 1 000 ppm dans les tissus végétaux, ce qui est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à ce que l’on observe dans la plupart des plantes (figure 1). Il est possible que les Pieris aient une tolérance particulièrement élevée pour le nickel en raison de la sélection passée par de tels accumulateurs de nickel, comme on l’a supposéprécédemment 26. Bien que le cuivre ait été moins fréquemment étudié comme micronutriment dans l’alimentation des insectes, il existe certaines preuves qu’il joue un petit rôle dans la reproduction et l’immunité, bien que principalement chez les insectes hématophages (p. ex.,82,83). Il est possible que le cuivre joue un rôle physiologique moins important chez les papillons que chez d’autres animaux 84,85,86, ce qui concorde avec des travaux récents soulignant comment le cuivre peut être un polluant aussi préoccupant pour les insectes que le plomb, le cadmium et le mercure (p. ex.,87,88,89). Bien qu’il ait été démontré que les pieris évitent la contamination par le cuivre à de faibles niveaux90, la mobilité du cuivre dans les plantes (p. ex. déplacement dans les feuilles et les fleurs) l’a également signalé comme un contaminant métallique préoccupant91.
Bien que ces résultats fournissent des données intéressantes sur la toxicité relative de ces métaux pour les papillons blancs du chou, cet article vise également à être d’une utilité générale comme illustration visuelle détaillée des méthodes d’élevage de ce puissant système. Les blancs de chou sont faciles à élever et à manipuler dans des expériences de laboratoire contrôlées 4,5 facilitant les études de recherche d’hôte 6,7,8, de recherche de nourriture9,10,11 et de sélection sexuelle12,13,14. La capacité d’élever ces papillons avec un régime artificiel est essentielle pour créer des conditions de jardin communes à des fins de comparaison et pour manipuler les nutriments, les toxines et même de nouvelles plantes hôtes. Cependant, il est important de noter que ce régime artificiel n’est pas nécessairement le régime artificiel optimal pour cette espèce et pourrait probablement être amélioré avec de futures manipulations. Par exemple, le mélange de sel dans ce régime (et d’autres régimes lépidoptères) a été développé à l’origine pour les vertébrés et a des niveaux de calcium plus élevés que ce dont la plupart des insectes ont besoin92,93. Ainsi, certains de nos efforts d’élevage ont fait des mélanges de sel personnalisés avec des niveaux de calcium plus faibles (par exemple, 62), et d’autres utilisent le « mélange de sel de Beck », qui peut être plus approprié pour de nombreuses espèces d’insectes94. Dans nos propres manipulations, nous avons également constaté que les papillons se comportaient mieux avec relativement moins de germe de blé et relativement plus de cellulose par rapport aux concentrations initiales4. Un domaine nécessitant une attention particulière est la source de lipides et la concentration dans l’alimentation. Par exemple, des travaux antérieurs ont montré que le passage de l’huile de lin (utilisée dans cette étude) aux phospholipides augmentait les taux d’accouplement et les taux de croissance de Pieris sous régime artificiel95. La supplémentation en acides gras spécifiques dans les régimes artificiels peut avoir des effets positifs supplémentaires96,97. L’optimisation du régime artificiel de Pieris98,99 crée des opportunités pour répondre à des questions intéressantes sur l’écologie nutritionnelle 100,101,102, l’écologie évolutive et l’écotoxicologie. Ces approches de régime artificiel permettent aux chercheurs d’aborder des questions sur le rôle de lipides spécifiques dans l’évolution cognitive 103, la pré-adaptation aux toxines28, les composants alimentaires qui réduisent la toxicité des polluants 104, ou encore les interactions stœchiométriques entre nutriments105.

Le petit papillon blanc du chou (Pieris rapae, ci-après « chou blanc ») est une espèce cosmopolite de moutarde, comme le chou, le brocoli et le canola 1,2,3. Dans le même temps, le chou blanc est un système puissant pour la recherche en biologie et un modèle de papillon couramment utilisé, car ils peuvent être facilement élevés et manipulés dans des expériences de laboratoire contrôlées 4,5. La recherche sur les papillons blancs du chou a fourni des informations essentielles en ce qui concerne la recherche de l’hôte 6,7,8, l’utilisation des ressources en nectar9,10,11, le choix du partenaire et la sélection sexuelle 12,13,14, le développement et l’évolution du modèle des ailes15,16,17, et les réponses aux nouveaux et changeants environnements18,19. Bon nombre de ces connaissances reposent sur le fait que les blancs de chou peuvent être élevés avec des régimes artificiels 4,20,21, qui peuvent être manipulés avec précision pour refléter de mauvaises conditions nutritionnelles 22,23, des niveaux de polluants écologiquement pertinents 24,25,26,27 ou des transitions vers de nouvelles plantes hôtes28,29. La présente étude utilise une expérience sur l’exposition aux métaux lourds pour illustrer les méthodes de base pour élever des papillons blancs du chou avec un régime artificiel en laboratoire et les mesures clés de performance des larves et des adultes. De nombreux aspects de ces méthodes s’appliquent à d’autres papillons 30,31 et papillonsde nuit 32,33,34 qui peuvent être élevés avec un régime artificiel.
Dans cet article, une expérience sur la tolérance aux métaux est utilisée pour illustrer les méthodes générales d’élevage des papillons blancs du chou. Les métaux lourds sont un polluant anthropique commun découlant de la dégradation des produits humains, des procédés industriels et de la contamination héritée de l’utilisation historique dans les pesticides, les peintures et d’autres produits35,36,37,38. De nombreux métaux lourds, y compris le plomb, le cuivre, le zinc et le nickel, peuvent passer du sol et de l’eau dans les tissus végétaux 39,40,41,42, et les métaux dans la poussière peuvent se déposer sur les feuilles des plantes 43,44,45, ce qui entraîne de multiples voies d’exposition aux larves d’insectes phytophages. L’exposition aux métaux lourds tôt dans la vie peut avoir des effets négatifs sur le développement des animaux, en particulier sur le tissu neural, et des niveaux élevés peuvent être mortels 35,36,46,47,48. Un certain nombre d’études ont montré les effets négatifs de l’exposition aux métaux sur les insectes en développement, y compris les ravageurs et les insectes utiles 49,50,51. Le grand nombre de polluants de métaux lourds et le fait qu’ils coexistent souvent dans les environnements humains52 signifient que des méthodes de laboratoire précises sont nécessaires pour que les chercheurs puissent exposer les insectes en développement à différents niveaux et combinaisons de divers métaux pour comprendre et atténuer leurs effets environnementaux.
Le présent travail compare les impacts des métaux communs sur la survie et le développement du chou blanc, en se concentrant sur le cuivre (Cu), le zinc (Zn) et le nickel (Ni), trois polluants courants dans les environnements humains. Par exemple, les plantes herbacées des routes rurales du Minnesota contiennent jusqu’à 71 ppm Zn, 28 ppm Cu et 5 ppm Ni53. Cette expérience manipule les niveaux de ces métaux dans les régimes artificiels des papillons blancs du chou à des niveaux correspondant et dépassant les niveaux observés dans l’environnement. Un régime artificiel est utilisé pour contraster la toxicité relative de ces métaux, prédisant que les blancs de chou seraient plus sensibles aux polluants métalliques qui ne font pas partie intégrante de leur physiologie (nickel) par rapport à ceux qui se produisent, bien qu’à de faibles niveaux, dans les enzymes et les tissus (cuivre et zinc; Graphique 1). Tout au long de ce texte, fournit des détails méthodologiques et des visualisations vidéo d’accompagnement pour illustrer les méthodes d’élevage et de recherche de cet important système de modèles de papillons.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1-L Pyrex beaker</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>07-250-059</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>500 mL graduated cylinder</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>03-007-43</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>60-mm plastic petri dish lid</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>08-757-100B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ascorbic Acid</td>
			<td>Frontier</td>
			<td>6015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blender</td>
			<td>Amazon - Ninja Store</td>
			<td>BL610 Professional</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cabbage Flour</td>
			<td>Frontier</td>
			<td>1086</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Casein</td>
			<td>Frontier</td>
			<td>1100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Celluose</td>
			<td>Frontier</td>
			<td>3425</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cholsterol</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>C3045</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cups for rearing (4 oz)</td>
			<td>Wasserstrom</td>
			<td>6094583</td>
			<td>purchase with matching lids</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fine Mesh Agar</td>
			<td>Sigma</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flaxseed Oil</td>
			<td>amazon</td>
			<td>B004R63VI6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Floral water tubes, 2.8 x 0.8inch</td>
			<td>Amazon - Yimaa Direct</td>
			<td>B08BZ969DK</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glassine envelopes (1 3/4 x 2 7/8 INCHES)</td>
			<td>Amazon - Wizard Coin Supply</td>
			<td>B0045FG90G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mesh Cages (15.7 x 15.7 x 23.6&#34;)</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B07SK6P94S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methyl Paraben</td>
			<td>Frontier</td>
			<td>7685</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ohaus Portable Scale</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>02-112-228</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Organic Honey</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B07DHQQFGM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photo studio portable lightbox</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B07T6TNYJ1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic bin, shoebox size</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B09L3B3V1R</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic disposable transfer pipets</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>13-680-50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sorbic Acid</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>S1626</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spatulas</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-357Q</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Streptomycin</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>S9137</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sucrose</td>
			<td>Target</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Torula Yeast</td>
			<td>Frontier</td>
			<td>1720</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vanderzant vitamin mix</td>
			<td>Frontier</td>
			<td>F8045</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Weigh boats</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>01-549-750</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wesson Salt Mix</td>
			<td>Frontier</td>
			<td>F8680</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wheat Germ</td>
			<td>Frontier</td>
			<td>G1659</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wooden handled butterfly net, 12&#34; hoop</td>
			<td>Amazon - Educational Science</td>
			<td>B00O5JDLVC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yellow sponges</td>
			<td>Amazon-Celox</td>
			<td>B0B8HTHY5B</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

rearing the cabbage white butterfly (pieris rapae) in controlled conditions: a case study with heavy metal tolerance

Le papillon blanc du chou (Pieris rapae) est un système important pour la recherche appliquée en lutte antiparasitaire et la recherche fondamentale en écologie comportementale et nutritionnelle. Les blancs de chou peuvent être facilement élevés dans des conditions contrôlées avec un régime artificiel, ce qui en fait un organisme modèle du monde des papillons. Dans cet article, une manipulation de l’exposition aux métaux lourds est utilisée pour illustrer les méthodes de base pour élever cette espèce. Le protocole général illustre comment les papillons peuvent être capturés dans le champ, amenés à pondre dans des cages de serre et transférés sous forme de larves dans des régimes artificiels. Les méthodes montrent comment les papillons peuvent être marqués, mesurés et étudiés pour une variété de questions de recherche. Les résultats représentatifs donnent une idée de la façon dont les régimes artificiels dont les composants varient peuvent être utilisés pour évaluer la performance des papillons par rapport à un régime témoin. Plus précisément, les papillons étaient les plus tolérants au nickel et les moins tolérants au cuivre, avec une tolérance de zinc quelque part au milieu. Les explications possibles de ces résultats sont discutées, y compris l’hyperaccumulation de nickel dans certaines plantes hôtes de moutarde et des preuves récentes chez les insectes que le cuivre pourrait être plus toxique qu’on ne le pensait auparavant. Enfin, la discussion examine d’abord les variations du protocole et les instructions pour le dépannage de ces méthodes, avant d’examiner comment les recherches futures pourraient optimiser davantage le régime artificiel utilisé dans cette étude. Dans l’ensemble, en fournissant un aperçu vidéo détaillé de l’élevage et de la mesure des blancs de chou sur les régimes artificiels, ce protocole fournit une ressource pour l’utilisation de ce système dans un large éventail d’études.

The small cabbage white butterfly (Pieris rapae, hereafter &#34;cabbage white&#34;) is a cosmopolitan pest species of mustard crops, such as cabbage, broccoli, and canola1,2,3. At the same time, the cabbage white is a powerful system for research in biology and a commonly used butterfly model, as they can be easily reared and manipulated in controlled lab experiments4,5. Research on cabbage white butterflies has provided critical insights with respect to host searching6,7,8, nectar resource use9,10,11, mate choice and sexual selection12,13,14, wing pattern development and evolution15,16,17, and responses to novel and changing environments18,19. Many of these insights rely on the fact that cabbage whites can be reared on artificial diets4,20,21, which can be precisely manipulated to reflect poor nutritional conditions22,23, ecologically relevant pollutant levels24,25,26,27, or transitions to novel host plants28,29. The present study uses an experiment on exposure to heavy metals to illustrate basic methods for rearing cabbage white butterflies on an artificial diet in the laboratory and key performance measures of larvae and adults. Many aspects of these methods apply to other butterflies30,31 and moths32,33,34 that can be reared on an artificial diet.
In this paper, an experiment on metal tolerance is used to illustrate the general methods of rearing cabbage white butterflies. Heavy metals are a common anthropogenic pollutant stemming from the degradation of human products, industrial processes, and legacy contamination from historical use in pesticides, paints, and other products35,36,37,38. Many heavy metals, including lead, copper, zinc, and nickel, can move from soil and water into plant tissue39,40,41,42, and metals in dust can be deposited on plant leaves43,44,45, resulting in multiple routes of exposure to phytophagous insect larvae. Heavy metal exposure early in life can have negative effects on animal development, especially on neural tissue, and high levels can be lethal35,36,46,47,48. A number of studies have shown the negative effects of metal exposure on developing insects, including both pests and beneficial insects49,50,51. The large number of heavy metal pollutants, and the fact that they often co-occur in human environments52, means that precise lab methods are needed in which researchers can expose developing insects to different levels and combinations of diverse metals to understand and mitigate their environmental effects.
The present work contrasts the impacts of common metals on cabbage white survival and development, focusing on copper (Cu), zinc (Zn), and nickel (Ni), three common pollutants in human environments. For instance, forbs from rural Minnesota roadsides contain up to 71 ppm Zn, 28 ppm Cu, and 5 ppm Ni53. This experiment manipulates the levels of these metals in artificial diets of cabbage white butterflies at levels corresponding to, and exceeding, the levels seen in the environment. An artificial diet is used to contrast the relative toxicity of these metals, predicting that cabbage whites would be more sensitive to metal pollutants that are not an integral part of their physiology (nickel) relative to those that occur, albeit at small levels, in enzymes and tissue (copper and zinc; Figure 1). Throughout, this text provides methodological details and accompanying video visualizations to illustrate the rearing and research methods of this important butterfly model system.

Pleins feux sur l’auteur : Étude de la tolérance des papillons du chou aux polluants urbains 

Élever le papillon blanc du chou (Pieris rapae) dans des conditions contrôlées : une étude de cas avec tolérance aux métaux lourds

In this study, we're interested in understanding how organisms deal with anthropogenic environments like cities, roadsides, and crop fields. We use cabbage white butterflies as a system because they're easy to manipulate experimentally. For instance, we're studying genetic variation intolerance to urban pollutants.We collect samples from different locations and populations to study variation over species or space. Nets, coolers, and envelopes are our main tools in the field. Butterfly traits are measured by microscopy and ICP-MS is the best method to measure heavy metal concentrations in small samples.One of the current experimental challenges is studying the variation across species and their developmental adjustments to human environments. The main difficulty lies in rearing diverse species under controlled experimental conditions. While cabbage white butterflies are easy to raise, finding suitable analogous diets for 10 or 20 different species that feed on various plants presents a significant challenge from an experimental perspective.We're interested in mitigating exposure to urban toxins, the ecological interventions that could decrease the toxicity of heavy metals and other urban pollutants, such as microplastics, are being explored. Additionally, we aim to investigate how to design pockets of habitat within city spaces to encourage the health of plants and animals living there, including humans.

Aperçu Le régime artificiel peut être utilisé pour élever des papillons blancs de chou dans des conditions standard pour tester les effets de certains ingrédients de régime sur la performance des papillons. Dans le présent travail, des régimes artificiels ont été utilisés pour étudier la toxicité de différents métaux trouvés dans les plantes hôtes poussant dans des zones polluées (Figure 1). Les larves ont été élevées sur des régimes contenant des concentrations croissantes de trois métaux différents (Figure 2; détails méthodologiques spécifiques présentés à la section 6 du protocole). La survie et le développement des papillons ont été plus influencés par le cuivre et le zinc et moins touchés par le nickel (figure 3 et figure 4), avec une sensibilité comparable à d’autres études sur les papillons et les papillons de nuit élevés avec des régimes artificiels (figure 5).
Survie Les larves de papillons ont été transférées dans des régimes artificiels contenant du cuivre, du nickel, du zinc ou du témoin, où la concentration de chaque type de métal variait à trois niveaux (tableau 3). Une image représentative des larves à une dose croissante de toxine est présentée à la figure 2. Il n’y avait pas d’effet de la concentration de métal sur la survie du nickel, mais il y avait un effet significatif pour le cuivre et le zinc (tableau 3 et figure 3). Les comparaisons post-hoc du chi carré ont démontré que le zinc présentait une baisse de survie par rapport au régime témoin à seulement la plus haute concentration de zinc (1 000 ppm, comparaison post-hoc X12 = 8,41, p = 0,004; Graphique 1). Le cuivre a également montré une baisse significative de la survie uniquement aux niveaux les plus élevés utilisés (500 ppm, X12 = 7,00, p = 0,008), bien qu’il y ait eu une augmentation bénéfique non significative de la survie aux deux niveaux les plus bas (50 ppm et 100 ppm; Graphique 3).
Temps de développement Il y avait un effet significatif de la concentration de cuivre et de zinc sur le temps de développement (tableau 4 et figure 4). À mesure que la concentration de cuivre augmentait, il y avait une augmentation du temps de développement, avec un écart significatif par rapport au témoin à partir de 50 ppm (p = 0,027; Graphique 3). À mesure que la concentration de zinc augmentait, il y avait une augmentation du temps de développement, avec un écart significatif par rapport au témoin à partir de 100 ppm (p = 0,03; Graphique 4). Il y avait une tendance à l’augmentation du nickel pour entraîner des temps de développement plus longs (p = 0,08; Tableau 4), et les comparaisons de chaque régime avec le témoin ont montré des effets significatifs à partir de 100 ppm (p = 0,022; Graphique 4).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65383/65383fig01.jpg"> Figure 1 : Niveaux observés de métaux focaux dans les tissus des papillons et les plantes hôtes. (Données de62.) Les niveaux de cuivre, de nickel et de zinc sont indiqués pour les tissus de papillons Pieris (élevés sur bok choy en laboratoire) et les moutardes récoltées dans la nature (Bertorea sp.). Les voitures indiquent les niveaux observés dans les feuilles de plantes le long des routes à fort trafic53. Les concentrations de métaux dans les régimes artificiels utilisés dans cette étude sont indiquées au tableau 1; Les points représentent les moyennes et les barres d’erreur représentent l’erreur-type. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65383/65383fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65383/65383fig02.jpg"> Figure 2 : Image de larves blanches de chou transférées le même jour à des régimes artificiels de concentration croissante d’une toxine. Cette image montre des larves issues d’une étude dose-réponse (présentée dans 28 en utilisant du matériel végétal séché pour la plante toxique Aristolochia). Photo par ESR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65383/65383fig02large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65383/65383fig03.jpg"> Figure 3 : Variation de la survie entre les régimes métalliques à des concentrations croissantes. Les astérisques indiquent un écart significatif dans la survie par rapport au régime témoin. Les concentrations exactes de métaux dans les régimes alimentaires sont énumérées dans le tableau 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65383/65383fig03large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65383/65383fig04.jpg"> Figure 4 : Effets de la concentration de métaux sur le temps de développement. Les astérisques indiquent la concentration de métal la plus faible pour laquelle il existe une différence significative par rapport au témoin (à l’aide d’un test t). Les concentrations exactes de métaux dans les régimes alimentaires sont énumérées dans le tableau 2. Les points représentent les moyennes et les barres d’erreur représentent l’erreur type. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65383/65383fig04large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65383/65383fig05.jpg"> Figure 5 : Résumé de la tolérance aux métaux chez d’autres lépidoptères. Les données composites de survie présentées sont tracées à partir de 11 études existantes 49,50,51,56,63,64,65,66,67,68. La variable de réponse est le niveau (en ppm) de concentration de métal où les effets négatifs sur la survie sont observés pour la première fois. Les papillons indiquent les résultats de cette étude, notant que les valeurs de tolérance pour le nickel étaient plus élevées que celles mesurées dans cette étude. Les points représentent les moyennes et les barres d’erreur représentent l’erreur type. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65383/65383fig05large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Ingrédient</td>
			<td>Peser comme</td>
			<td>g</td>
			<td>Ml</td>
		</tr><tr><td>Germe de blé</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>50</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Cellulose</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>10</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Farine de chou</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>15</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Caséine</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>27</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Saccharose</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>24</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Wesson Mélange de sel</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>9</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Levure Torula</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>12</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Cholestérol</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>3.6</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Mélange de vitamines</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>10.5</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Méthyl parabène</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>0.75</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Acide sorbique</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>1.5</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Acide ascorbique</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>3</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Streptomycine</td>
			<td>Ingrédients secs</td>
			<td>0.175</td>
			<td></td>
		</tr><tr><td>Huile de lin</td>
			<td>ingrédients humides</td>
			<td></td>
			<td>5</td>
		</tr><tr><td>Agar-agar</td>
			<td>agar-agar</td>
			<td>15</td>
			<td></td>
		</tr></tbody></table>Tableau 1: Recette pour un régime artificiel. Les poids (et les volumes) des ingrédients dans un lot de papillon blanc de chou sont indiqués. Les ingrédients secs (et l’huile de lin) sont préparés séparément du mélange de gélose (dissous dans 400 mL d’eau bouillante, puis porté à une température plus froide avec 400 mL d’eau à température ambiante).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Type de régime alimentaire</td>
			<td>Cuivre (ppm)</td>
			<td>Nickel (ppm)</td>
			<td>Zinc (ppm)</td>
		</tr><tr><td>Cuivre-« 100 ppm »</td>
			<td>96.1</td>
			<td>1.75</td>
			<td>69.9</td>
		</tr><tr><td>Nickel-« 100 ppm »</td>
			<td>7.29</td>
			<td>109.6</td>
			<td>68.9</td>
		</tr><tr><td>Zinc-« 100 ppm »</td>
			<td>7.96</td>
			<td>1.06</td>
			<td>186.2</td>
		</tr><tr><td>Zinc-« 500 ppm »</td>
			<td>6.51</td>
			<td>1.16</td>
			<td>708</td>
		</tr><tr><td>Contrôle</td>
			<td>5.89</td>
			<td>0.59</td>
			<td>59.3</td>
		</tr></tbody></table>Tableau 2 : Mesures des métaux dans l’alimentation. Les niveaux moyens de cuivre, de nickel et de zinc dans un sous-ensemble des régimes artificiels utilisés dans l’étude sont montrés. Le nom du régime (« type » dans l’analyse) est indiqué à gauche, les valeurs entre guillemets étant le niveau calculé. La concentration cible est indiquée entre guillemets. Un sous-ensemble de régimes alimentaires utilisés dans l’étude a été analysé pour s’assurer que les valeurs calculées correspondaient aux valeurs cibles par rapport aux valeurs réalisées; Il convient de noter qu’il y a souvent un petit degré de variation dans la composition des composants de l’alimentation, et chaque ligne rapportée ne représente qu’une seule répétition.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Moital</td>
			<td>Pearson X32</td>
			<td>P</td>
		</tr><tr><td>Cuivre (N = 118)</td>
			<td>17.82</td>
			<td>0.0005</td>
		</tr><tr><td>Nickel (N = 152)</td>
			<td>3.45</td>
			<td>0.33</td>
		</tr><tr><td>Zinc (N = 152)</td>
			<td>12.52</td>
			<td>0.006</td>
		</tr></tbody></table>Tableau 3 : Effets de la concentration de métaux sur la survie. Les résultats d’un test du chi carré pour chaque métal, contrastant trois concentrations de métal par rapport à un régime témoin.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Métal</td>
			<td>F</td>
			<td>P</td>
		</tr><tr><td>Cuivre (N = 61)</td>
			<td>F3,57 = 9,84</td>
			<td><0,0001</td>
		</tr><tr><td>Nickel (N = 75)</td>
			<td>F3,71 = 2,35</td>
			<td>0.079</td>
		</tr><tr><td>Zinc (N = 64)</td>
			<td>F3,60= 3,79</td>
			<td>0.015</td>
		</tr></tbody></table>Tableau 4 : Effets de la concentration de métaux sur le temps de développement. Les résultats des ANOVA individuelles pour chaque métal sont présentés.
Disponibilité des données :
Toutes les données sont disponibles sur Mendeley61.

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Cet article présente un protocole détaillé pour l’élevage du papillon blanc du chou dans des conditions de laboratoire contrôlées avec un régime artificiel, ce qui permet des manipulations précises de la nutrition précoce et de l’exposition aux toxines. Les résultats représentatifs montrent comment la toxicité des métaux lourds peut être dosée avec ce protocole.

The cabbage white butterfly (Pieris rapae) is an important system for applied pest control research and basic research in behavioral and nutritional ...

Dans cette étude, nous nous intéressons à comprendre comment les organismes traitent les environnements anthropiques comme les villes, les bords de route et les champs de culture. Nous utilisons les papillons blancs du chou comme système parce qu’ils sont faciles à manipuler expérimentalement. Par exemple, nous étudions l’intolérance aux variations génétiques aux polluants urbains.Nous recueillons des échantillons de différents endroits et populations pour étudier les variations selon les espèces ou l’espace. Les filets, les glacières et les enveloppes sont nos principaux outils sur le terrain. Les caractères papillon sont mesurés par microscopie et ICP-MS est la meilleure méthode pour mesurer les concentrations de métaux lourds dans de petits échantillons.L’un des défis expérimentaux actuels consiste à étudier la variation entre les espèces et leurs ajustements développementaux aux environnements humains. La principale difficulté réside dans l’élevage d’espèces diverses dans des conditions expérimentales contrôlées. Bien que les papillons blancs du chou soient faciles à élever, trouver des régimes analogues appropriés pour 10 ou 20 espèces différentes qui se nourrissent de diverses plantes présente un défi important d’un point de vue expérimental.Nous nous intéressons à l’atténuation de l’exposition aux toxines urbaines, les interventions écologiques qui pourraient diminuer la toxicité des métaux lourds et d’autres polluants urbains, tels que les microplastiques, sont à l’étude. En outre, nous visons à étudier comment concevoir des poches d’habitat dans les espaces urbains pour encourager la santé des plantes et des animaux qui y vivent, y compris les humains.

rearing-cabbage-white-butterfly-pieris-rapae-controlled-conditions

Élever le papillon blanc du chou (Pieris rapae) dans des conditions contrôlées : une étude de cas avec tolérance aux métaux lourds

Abstract