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Apr 29, 2023

C. elegans ist kein robuster Modellorganismus für den magnetischen Sinn

Band Kommunikationsbiologie

Communications Biology Band 6, Artikelnummer: 242 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Unter Magnetorezeption versteht man die Fähigkeit, das Erdmagnetfeld zu spüren und zu nutzen, beispielsweise zur Orientierung und Steuerung von Bewegungen. Die Rezeptoren und sensorischen Mechanismen, die den Verhaltensreaktionen auf Magnetfelder zugrunde liegen, bleiben unklar. In einer früheren Studie wurde die Magnetorezeption beim Nematoden Caenorhabditis elegans beschrieben, die die Aktivität eines einzelnen Paares sensorischer Neuronen erfordert. Diese Ergebnisse legen nahe, dass C. elegans ein kontrollierbarer Modellorganismus ist, der die Suche nach Magnetorezeptoren und Signalwegen erleichtert. Der Befund ist jedoch umstritten, da ein Versuch, das Experiment in einem anderen Labor zu wiederholen, erfolglos blieb. Wir testen hier unabhängig den magnetischen Sinn von C. elegans und reproduzieren dabei die in der Originalveröffentlichung entwickelten Tests genau. Wir stellen fest, dass C. elegans in Magnetfeldern sowohl natürlicher als auch höherer Intensität keine Richtungspräferenz zeigt, was darauf hindeutet, dass das magnetotaktische Verhalten des Wurms in einer Laborumgebung nicht robust hervorgerufen wird. Angesichts des Fehlens einer robusten magnetischen Reaktion unter kontrollierten Bedingungen kommen wir zu dem Schluss, dass C. elegans kein geeigneter Modellorganismus ist, um den Mechanismus des Magnetsinns zu untersuchen.

Unter Magnetorezeption versteht man die Fähigkeit von Organismen, das schwache Erdmagnetfeld wahrzunehmen. Für viele Arten liegen Verhaltensnachweise für die Magnetorezeption vor, die primären Sinneszellen müssen jedoch noch entdeckt werden1. Ein zentrales Problem, das den Fortschritt auf neuronaler Ebene behindert, ist das Fehlen einer genetisch zugänglichen Modellart mit einer robusten magnetischen Reaktion.

Eine bahnbrechende Studie von Vidal-Gadea et al.2 versprach eine revolutionäre Ergänzung der Palette der Magnetotaxis-Modellorganismen. Die Autoren berichteten über gerichtete magnetische Reaktionen des weit verbreiteten Fadenwurms Caenorhabditis elegans auf Magnetfelder. Der Beweis basierte auf drei Verhaltenstests: (1) Die Würmer bewegten sich in einer vertikalen, mit Agar gefüllten Pipette nach oben oder unten, (2) in einem bestimmten Winkel zum Magnetfeld auf einer horizontalen Agarplatte und (3) in Richtung a starke magnetische Anomalie, die durch einen Neodym-Magneten verursacht wird, der unter einer horizontalen Agarplatte platziert ist. Letzterer Assay versprach besonders leistungsfähig zu sein, da er das schnelle Screening von Mutanten auf magnetische Empfindlichkeit ermöglichte. Mithilfe dieses Assays haben Vidal-Gadea et al. (2015) untersuchten sensorische Mutanten, um eine entscheidende Rolle eines Paares sensorischer AFD-Neuronen bei der Magnetosensation aufzudecken. Schließlich berichteten die Autoren mithilfe der Kalzium-Bildgebung, dass AFD-Neuronen auf magnetische Reize reagierten.

Die Identifizierung eines Paares primärer sensorischer Neuronen soll die systematische Untersuchung des subzellulären sensorischen Mechanismus für die Magnetorezeption ermöglichen. Motiviert durch dieses Versprechen machten sich andere daran, die Tests zur magnetischen Verhaltensorientierung bei C. elegans zu wiederholen, allerdings mit unterschiedlichem Erfolg. Unabhängige Studien von Njus et al.3 und Landler et al.4,5 konnten keine magnetischen Reaktionen unter sorgfältig kontrollierten magnetischen Bedingungen identifizieren, während weitere Studien der ursprünglichen Autoren in Zusammenarbeit mit anderen Labors über erfolgreiche Replikationen berichteten6,7. Eine unabhängige positive Replikationsstudie, die keine Autoren der Originalstudie umfasst und die magnetische Orientierung bei C. elegans nachweist, wurde jedoch nicht veröffentlicht. Fasziniert von der Einfachheit der von Vidal-Gadea et al. entwickelten Tests. (2015) haben wir versucht, zwei ihrer magnetischen Orientierungstests zu replizieren. Wir haben auf die Faktoren geachtet, die die magnetische Orientierung in C. elegans7,8 beeinflussen, und uns an Standards im Bereich der magnetischen Orientierung gehalten, einschließlich einer strikten Verblindung der Experimentatoren und der Verwendung doppelt gewickelter Magnetspulen9,10,11.

Wir stellen fest, dass sich die Würmer unter diesen Bedingungen zufällig auf horizontalen Platten bewegten, die entweder auf einem starken Neodym-Magneten oder in einem homogenen horizontalen Magnetfeld der Stärke der Erde platziert waren. In Experimenten zur positiven Chemotaxiskontrolle beobachteten wir jedoch eine starke Richtungspräferenz. Wir kommen zu dem Schluss, dass C. elegans, selbst wenn er über einen magnetischen Sinn verfügen sollte, weder ein geeigneter noch beherrschbarer genetischer Modellorganismus für die Suche nach Magnetorezeptoren ist.

Wir haben uns zunächst vorgenommen, den von Vidal-Gadea et al. beschriebenen Hochdurchsatz-Plattentest zu replizieren. (2015), das die Richtungspräferenzen horizontal wandernder Würmer auf einer mit Agar gefüllten Platte mit einer lokalen magnetischen Anomalie testet, die tausendmal stärker ist als das Erdmagnetfeld. Wir ließen gut genährte Tiere von der Mitte einer Agarplatte nach außen wandern, die auf einem starken Neodym-Magneten und einer nichtmagnetischen Metallscheibe (Aluminium) auf der gegenüberliegenden Seite lag (Abb. 1a). Die Magnetfeldstärke auf der Agaroberfläche direkt über der Magnetscheibe betrug ~50 mT (500 Gauss) und war damit etwa 1000-mal stärker als das lokale Erdstärkefeld von 49 µT. Nach 30 Minuten wurden die Tiere, die sich auf eine Seite bewegt hatten, gezählt und für jede Platte ein Präferenzindex berechnet. Für den N2-Stamm unterschied sich der Präferenzindex für Platten mit Magnet nicht von nichtmagnetischen Kontrollplatten (Abb. 1b, Mann-Whitney-U-Test; nMagnet = 23, nKontrolle = 22 Platten, U = 225,0, p = 0,532). . Wir wiederholten die Experimente mit einem Vorfahrenstamm von N2, einem Stamm, der früher kryokonserviert wurde als das Standard-N2-Isolat (ca. 10 Generationen vom ursprünglichen N2-Isolat, das von S. Brenner isoliert wurde) und sich eher wie wilde Isolate verhalten sollte. Wir fanden auch keine Präferenz oder Abneigung des Neodym-Magneten für den angestammten Stamm (Ergänzende Abbildung 1, Mann-Whitney-U-Test; nMagnet = 7, nKontrolle = 14 Platten, U = 60,0, p = 0,433). Messungen der Radiofrequenzen im Inkubator, in dem die Würmer gezüchtet wurden, und im Versuchsraum ergaben geringe Intensitäten, von denen nicht zu erwarten ist, dass sie den magnetischen Sinn beeinträchtigen10 (ergänzende Abbildung 2).

a Schematische Darstellung der Testplatte. Jeder Kreis enthielt das paralytische Natriumazid, um Tiere zu immobilisieren, die eines der Ziele erreichten. b Präferenzindex der Tiere nach Exposition gegenüber einer nichtmagnetischen Aluminiumscheibe (Kontrolle), einem Neodymmagneten (Magnet) oder einem bekannten chemischen Lockstoff (Diacetyl). Die Boxplots folgen der Tukey-Regel, wobei die Mittellinie den Median angibt, die Box das erste und dritte Quartil bezeichnet und die Whiskers den 1,5-Interquartilbereich oberhalb und unterhalb der Box zeigen. Die Signifikanz wurde mithilfe eines zweiseitigen Mann-Whitney-U-Tests bewertet. Die Zahlen in Klammern geben die Anzahl unabhängiger Replikate an (n = biologisch unabhängige Versuchsplatten).

Wir führten auch ein Positivkontrollexperiment durch, bei dem einer der Kreise den chemischen Lockstoff Diacetyl enthielt, während die gegenüberliegende Seite destilliertes Wasser enthielt. Wie zuvor beschrieben11, sind sowohl der N2-Stamm (Mann-Whitney-U-Test; n = 15 Platten, U = 0,0, p < 0,0001) als auch der angestammte N2-Stamm (Mann-Whitney-U-Test; n = 7 Platten, U = 0,0, p = 0,002) zeigten eine starke Chemotaxis gegenüber dem Geruchsstoff (Abb. 1b und ergänzende Abb. 1). Damit konnten wir erfolgreich ein veröffentlichtes Chemotaxis-Experiment in unserem Labor nachbilden.

Als nächstes haben wir den von Vidal-Gadea et al.2 beschriebenen horizontalen Feldtest durchgeführt, um zu testen, ob C. elegans bei natürlichen Feldstärken gerichtete Reaktionen zeigt. Agarplatten mit ausgehungerten N2-Würmern in der Mitte wurden in ein horizontales Magnetfeld oder ein Nullmagnetfeld gelegt. Wir haben eine Gesamtfeldintensität von 65 µT verwendet, bei der erwartet wird, dass ausgehungerte N2-Würmer in einem Winkel von ~305° zu den Feldlinien wandern2. Wir führten den Assay in einem dreifach gewickelten Magnetspulensystem durch, das auf einer vibrationsentkoppelten Plattform in einem Faradayschen Käfig platziert war (Abb. 2a). Elektromagnetische Felder im Hochfrequenzbereich waren von sehr geringer Intensität, was auf eine saubere magnetische Umgebung im Faraday-Käfig und im Inkubator, in dem die Würmer gezüchtet wurden, hinweist (Ergänzende Abbildungen 2 und 3).

a Überblick über den Aufbau, der den Faradayschen Käfig mit dem Helmholtz-Spulensystem auf einer entkoppelten Plattform zeigt, um die Übertragung von Schwingungen zu minimieren. Die Testplatten wurden in einer geerdeten Aluminiumbox in der Mitte platziert. b Schematische Darstellung der Testplatte. Die Würmer wurden in der Mitte freigesetzt und gepunktet, nachdem sie an der Peripherie gelähmt waren. c Verteilung der Richtungen einzelner Würmer in den drei magnetischen Bedingungen. d Statistische Analyse nach Berechnung der Mittelwerte für jede Platte. Jeder Punkt bezieht sich auf die mittlere Richtung für eine Platte, das Histogramm in der Mitte zeigt die beobachtete Häufigkeit in 20-Grad-Bins. Die Signifikanz wurde mithilfe des Rayleigh-Tests bewertet. Probengröße n = biologisch unabhängige Versuchsplatten. Wir konnten bei keinem der drei magnetischen Bedingungen eine signifikante Richtungspräferenz beobachten. Die Diagramme werden in derselben topografischen Ausrichtung angezeigt, die Himmelsrichtungen geben die Richtung der Magnetfeldlinien an.

Wir haben die horizontale Wanderung von 12.019 Würmern erfasst, nachdem sie am Rand der Platte gelähmt waren (Abb. 2b). Wir schlossen Platten mit geringer Bewegungsaktivität aus, bei denen weniger als 30 Würmer erfasst wurden, und beschränkten unsere Analyse auf Platten, die unter Bedingungen getestet wurden, von denen diskutiert wurde, dass sie die magnetische Orientierung in C. elegans7 fördern. Dazu gehörten Platten, die bei einer Luftfeuchtigkeit unter 50 %, einer Temperatur von maximal 25 °C, einem Temperaturunterschied zwischen Beginn und Ende des Tests unter 2 °C und einer Testdauer von 55–65 Minuten getestet wurden. Wir haben überprüft, dass die Filterung nach diesen Bedingungen nicht zu einem Ungleichgewicht der Stichprobengröße zwischen den Gruppen führte.

Rose-Plots und Dichtekerne der einzelnen Überschriften zeigten keine Richtungspräferenz unter den beiden magnetischen Bedingungen (Abb. 2c). Auf einer Platte wandernde Würmer können sich gegenseitig beeinflussen und können daher nicht als unabhängige statistische Einheiten behandelt werden4. Die Verwendung von Platten als einzelne Einheiten ergab in keinem der drei magnetischen Bedingungen eine signifikante Abweichung von einer Zufallsverteilung (Abb. 2d, Rayleigh-Test, Nullfeld: n = 26, r = 0,301, Z = 2,36, p = 0,094; Feld 1: n = 24, r = 0,304, Z = 2,22, p = 0,108, Feld 2: n = 28, r = 0,228, Z = 1,46, p = 0,234). Darüber hinaus wurde der r-Wert (Richtung) der Nullfeldbedingung (r = 0,301) in die Bootstrapping-Konfidenzintervalle beider magnetischer Bedingungen einbezogen (Feld 1: 0,128–0,547, Feld 2: 0,086–0,467), was darauf hindeutet, dass dies nicht der Fall war deutliche Steigerung der Orientierungsstärke in Magnetfeldern. Zusammenfassend konnten wir bei C. elegans keine Hinweise auf eine Orientierung in Bezug auf magnetische Feldlinien finden.

Wir berichten, dass der Nematode C. elegans in unseren Labors keine Magnetotaxis zeigt. Trotz sorgfältiger Kontrolle der Umgebung (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, magnetische und elektrische Felder) und des Zustands der Tiere (Alter, Entwicklungsstadium, Fütterungszustand) konnten wir keine Richtungspräferenz feststellen. Die Laboratorien mit früheren Berichten über positive Experimente befanden sich jeweils in Austin, Texas, USA, und Buenos Aires, Argentinien. Es könnte sein, dass ein weiterer unbemerkter Umweltfaktor eine Rolle gespielt hat, der über die von uns kontrollierten Luftfeuchtigkeit, Magnetfeld und Temperatur hinausgeht. Auch geringfügige Abweichungen bei der verwendeten Ausrüstung und den verwendeten Chemikalien könnten zu dem negativen Ergebnis geführt haben, da Chargen und Hersteller von Labor zu Labor auf verschiedenen Kontinenten unterschiedlich sein werden. Berichte über die Magnetorezeption bei anderen Arten zeigen, dass die Auswirkungen oft gering sind und dieser Sinn wahrscheinlich zweitrangig ist, wenn andere, oft deutlichere Hinweise verfügbar sind12. Daher könnten Tiere, die sich stärker auf den magnetischen Sinn verlassen, eine geeignetere Wahl für diese Experimente sein.

Es ist interessant zu spekulieren, welchen Zweck ein magnetischer Sinn einem Tier erfüllen könnte, das überwiegend im Kompost lebt, über Zentimeter hinweg navigiert und dessen Ausbreitungsstrategie darin besteht, sich an Nacktschnecken, fliegenden Käfern oder anderen Insekten festzusetzen13,14,15. Vidal-Gadea et al.2 schlugen vor, dass die Neigung des Erdmagnetfelds den Tieren hilft, je nach Fresszustand ihre vertikale Bewegung zur Oberfläche oder in den Boden zu steuern. Eine ähnliche Art der Magnetotaxis zeigen magnetotaktische Bakterien, die sich passiv an den Magnetfeldlinien der Erde ausrichten und so in einer mikroaeroben Zone direkt über dem Sediment bleiben. Die Taxis entlang der Magnetfeldlinien sind von Vorteil, da sie die Schwerkraft nicht nutzen können. Dies ist jedoch bei C. elegans anders, bei dem gezeigt wurde, dass er eine positive Gravitaxis aufweist, was auf ein Gefühl der Schwerkraft hinweist16,17. Landler et al.4 hoben weitere konzeptionelle Probleme mit der Hypothese von Vidal-Gadea et al.2 hervor. Schließlich navigiert C. elegans mithilfe von Licht- und Sauerstoffniveaus, und diese Hinweise lösen starke, gut etablierte Fortbewegungsreaktionen aus18,19. In ähnlicher Weise zeigte unser Chemotaxis-Assay große Effektgrößen und führte zu klaren Präferenzen auch bei kleineren Probengrößen. Wenn das Magnetfeld zur Navigation verwendet wird, würde man ähnlich starke Fortbewegungsreaktionen erwarten, wenn es der einzige verfügbare Richtungshinweis ist.

Robuste Verhaltenstests in Kombination mit Genetik sind die Stärke des C. elegans-Modellsystems und sie waren der Schlüssel zum Verständnis der Mechanismen, die der Geruchs- und Chemotaxis zugrunde liegen. Obwohl unsere Daten nicht widerlegen, dass C. elegans einen magnetischen Sinn besitzt, wird die magnetische Orientierung in einer Laborumgebung nicht zuverlässig hervorgerufen. Im Einklang mit Berichten anderer Labore über fehlende magnetische Reaktionen3,4 kommen wir daher zu dem Schluss, dass C. elegans leider kein beherrschbarer genetischer Modellorganismus zur Untersuchung des Mechanismus des Magnetsinns ist.

Die Stämme Caenorhabditis elegans Wildtyp N2 (RRID:WB-STRAIN:WBStrain00000001) und N2-Vorfahren (RRID:WB-STRAIN:WBStrain00000003) wurden vom Caenorhabditis Genetic Center (University of Minnesota, USA) bereitgestellt. Die Würmer wurden auf NGM-Agarplatten gehalten, die mit dem Stamm Escherichia coli OP50 als Nahrungsquelle besät waren. Die Tiere wurden an immer derselben Position in einem Inkubator (KB400; Binder, Tuttlingen, Deutschland) im Dunkeln bei einer stabilen Temperatur von 20 °C in einem erdstarken Magnetfeld (40–75 µT) kultiviert. Alle in den Tests verwendeten Würmer wurden synchronisiert, indem gesund wachsende trächtige Erwachsene gebleicht und Eier über Nacht in M9-Puffer auf einem Nutationsmischer gezüchtet wurden, bis die Larven bei L1 zum Stillstand kamen, um eine alterssynchronisierte Population zu erhalten. L1 wurden auf 6-cm-Platten übertragen, die mit OP50 E. coli besät waren, und man ließ sie sich 66 Stunden lang im Inkubator entwickeln, bis sie das junge Erwachsenenstadium erreichten. Alle Verhaltenstests mit Würmern, die als „gefüttert“ angegeben wurden, wurden nie ausgehungert und begannen innerhalb von 10 Minuten nach dem Abwaschen von den befruchteten Platten. Tests mit „ausgehungerten“ Nematoden wurden durchgeführt, nachdem diese mindestens 30 Minuten lang in M9-Puffer gehalten wurden.

Die verwendeten Protokolle wurden so genau wie möglich von der Originalstudie kopiert, wobei die gleichen Medien, der gleiche Genotyp, der gleiche Entwicklungsstand und die gleichen Umgebungsbedingungen wie in Lit. angegeben verwendet wurden. 7. Um die vorgeschriebene stabile Kultivierungstemperatur aufrechtzuerhalten und den gleichen Entwicklungszeitpunkt zu gewährleisten, haben wir die Tiere in einem Inkubator in einer Plastikbox an einem bestimmten, konstanten Ort gezüchtet. Wir berichten über die statischen und zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Felder an diesem Standort. Die unten verwendeten detaillierten Verhaltenstestprotokolle folgen ebenfalls den Anweisungen in Ref. 2 mit den Umweltfaktoren, wie weiter unten in Lit. beschrieben. 7. Wir haben die folgende geringfügige Änderung am Protokoll vorgenommen: Die Tiere wurden von den Kulturplatten auf die Testplatten übertragen, indem sie gewaschen wurden, anstatt sie mit einem Metallpickel zu pflücken. Dies ermöglichte uns, einen sehr engen Zeitplan mit einer großen Anzahl von Tieren einzuhalten, wie es die ursprüngliche Studie erforderte.

Kulturplatten mit bleichsynchronisierten Erwachsenen, die am ersten Tag Nahrung zu sich nahmen, wurden mit 1 ml M9-Puffer abgewaschen. Die Suspension des Nematoden wurde in ein 1,5-ml-Reagenzglas gegossen und etwa 2 Minuten lang bei Raumtemperatur (ca. 21 °C) stehen gelassen, damit die Würmer auf den Boden sinken konnten. Der Überstand wurde entfernt und 1 ml M9 zum Niederschlag gegeben, um E. coli-Rückstände abzuspülen. Dieser Waschgang wurde dreimal wiederholt. Nach dem dritten Waschgang wurde überschüssige Flüssigkeit entfernt und 10 µl der Probe (50–100 Hermaphroditen) in die Mitte der Taxis-Platten pipettiert.

Taxis-Platten wurden aus 10-cm-NGM-Platten (1 Tag alt, 1,7 % Agar) hergestellt, indem die Mitte („Start“) und zwei Kreise mit 3,5 cm Durchmesser, die die „Endpunkte“ markierten, auf gegenüberliegenden Seiten der Platte markiert wurden. Die Mittelpunkte der Kreise hatten einen Abstand von 5 cm. In die Mitte der Kreise wurde 1 µl 1 M Natriumazid (Sigma-Aldrich #S2002) gegeben, um die Tiere zu paralysieren, sobald sie einen Kreis erreichten.

Um Schwankungen der Umgebungsbedingungen zu vermeiden, wurden Kontroll- und Testplatten immer gleichzeitig betrieben. Die Testplatten wurden auf einen Neodym-Magneten mit 3,5 cm Durchmesser (3,5 cm Durchmesser, www.supermagnete.de S-35-05-N) mit dem magnetischen Nordpol nach oben auf einer Seite und eine nichtmagnetische Aluminiumscheibe aus ähnlichem Material gelegt Aussehen und Abmessungen auf der anderen Seite. Die Intensität des Scheibenmagneten wurde mit einem Hall-Effekt-Gaussmeter (FW Bell 5180 mit axialer Sonde SAD18-1904) gemessen. Kontrollplatten (C – Kontrolle) wurden auf zwei identische Aluminiumscheiben gelegt. Der Test wurde in undurchsichtigen Styroporboxen auf separaten Bänken untergebracht, um Licht- oder Temperaturgradienten ausgesetzt zu sein. Alle Tests wurden im Dunkeln durchgeführt. Der Ort für jede Erkrankung wurde zufällig ausgewählt, um lokale Einflüsse durch andere Faktoren als das Magnetfeld zu minimieren. Um den Test zu starten, wurden die Würmer aus den Tropfen befreit, indem der Puffer mit Filterpapier abgelassen wurde. Das Experiment wurde innerhalb von 10 Minuten nach dem Entzug der Nahrungsquelle für die Würmer gestartet, damit die Tiere gefüttert wurden und ihr Verhalten nicht durch Hungern änderten7. Nach 30 Minuten waren die meisten Würmer in einem der beiden Endbereiche gefangen. Ein für die Versuchsbedingungen blinder Experimentator zählte die Anzahl der gelähmten Tiere in jedem Kreis unter Verwendung eines Präpariermikroskops. Nach der Entblindung wurde der Präferenzindex (PI) berechnet als:

Dabei ist T die Anzahl der Würmer im Bereich mit dem Neodym-Magneten und C die Anzahl der Würmer im Bereich mit der nichtmagnetischen Metallkontrolle (Vidal-Gadea et al. 2015).

Chemotaxis-Platten wurden ähnlich wie Magnetotaxis-Platten hergestellt, wobei die Neodym-Magnete durch einen starken Geruchsstoff ersetzt wurden. Um die Würmer anzulocken, wurde 1 µl 0,5 % wässrige Diacetyllösung (Acros Organics #107650050; T – Taxis) zu einem Kreis und 1 µl ddH2O zum anderen Kreis (C – Kontrolle) gegeben. Der überschüssige M9-Puffer wurde vorsichtig mit einem kleinen Stück Filterpapier entfernt, damit die Würmer auf der Agaroberfläche kriechen können. Die Platten wurden in Styroporboxen gelegt, um eine konstante Temperatur und Dunkelheit zu gewährleisten, und bis zur Zählung 30 Minuten lang stehen gelassen. Nachdem die Tiere 30 Minuten lang wandern konnten, wurden die gelähmten Würmer manuell von einem verblindeten Experimentator wie bei den Magnetotaxis-Assays gezählt.

Natriumazid (0,1 M, 15 µl) wurde mit einer Pipettenspitze entlang der Ränder unbefruchteter NGM-Agarplatten (1 Tag alt, 10 cm Durchmesser, 1,7 % Agar) auf die Agaroberfläche aufgetragen. Nach dem Abwaschen der Kulturplatten (gemäß dem im „Magnetotaxis-Assay“ beschriebenen Protokoll) wurden synchronisierte Hermaphroditen 30 Minuten lang in 1 ml M9-Puffer belassen, um auszuhungern. Nach der Hungerperiode wurde der Überstand entfernt und ein 10-µl-Aliquot von 50–100 Würmern in die Mitte der Testplatte gegeben. Nachdem die Flüssigkeit vorsichtig mit Filterpapier entfernt worden war, wurde die Probe in den Faradayschen Käfig gelegt, der sich in der Mitte des Magnetspulensystems befindet.

Die Verhaltenstests wurden in völliger Dunkelheit unter drei magnetischen Bedingungen durchgeführt: einem horizontalen Erdmagnetfeld (Gesamtintensität 65 µT), dem gleichen Feld um 90° gedreht und einem Magnetfeld nahe Null (Gesamtintensität <100 nT). Man ließ die Würmer eine Stunde lang wandern, danach wurden die Platten aus dem Spulensystem entfernt und alle am Plattenrand immobilisierten Tiere wurden unter einem Präpariermikroskop markiert. Die Platten wurden mit einem Kompasshintergrund fotografiert und die Winkel mit einem Bildbetrachtungsprogramm gemessen. Der Experimentator, der die Platten markierte und die Winkel analysierte, war über die magnetischen Bedingungen des Experiments nicht im Bilde. Um die Umgebungsbedingungen genau zu kontrollieren, wurden Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu Beginn und am Ende jedes Experiments aufgezeichnet. Die Daten wurden von Februar 2021 bis März 2022 erhoben.

Präferenzindizes wurden in Python mithilfe eines nichtparametrischen zweiseitigen Mann-Whitney-U-Tests statistisch analysiert, der keine Normalverteilung der Daten erfordert. Es wurde keine Anpassung für Mehrfachtests vorgenommen.

Zirkuläre Statistiken wurden in R mit dem Paket „circular“ durchgeführt. Für Rohdatendiagramme haben wir die Kerndichteschätzungen mithilfe der Funktion „density.circular“ mit einer Glättungsbandbreite von 40 berechnet. Würmer auf einer Platte können interagieren und sich gegenseitig beeinflussen und stellen daher nicht unabhängige Proben dar4. Wir haben daher die mittlere Vektorlänge r und Richtung µ für jede Platte durch Vektorsummierung der einzelnen Überschriften berechnet. Anschließend berechneten wir Mittelwerte zweiter Ordnung durch Vektorsummierung der Plattenmittelwerte und testeten die statistische Signifikanz mithilfe des Rayleigh-Tests20. In die Analyse wurden nur Platten einbezogen, bei denen mindestens 30 Würmer den Plattenrand erreichten.

Um einen Unterschied in der Ausrichtung zwischen der Magnetfeldgruppe nahe Null und den beiden anderen magnetischen Behandlungen zu testen, verwendeten wir eine Bootstrap-Technik21. Dazu haben wir getestet, ob die Länge des mittleren resultierenden Vektors (r-Wert) der Nullgruppe in die Konfidenzintervalle der r-Werte der magnetischen Gruppen fällt. Eine zufällige Teilstichprobe von n Orientierungswinkeln wurde mit Ersatz aus den Versuchsgruppen gezogen (n = 26 für Null, n = 24 für Feld 1, n = 28 für Feld 2). Anschließend wurde der entsprechende r-Wert anhand dieser Orientierungswinkel berechnet. Dieses Verfahren wurde mit einer neuen Randomisierung 100.000 Mal wiederholt. Die resultierenden 100.000 R-Werte wurden vom niedrigsten zum höchsten Wert eingestuft. Anschließend definieren die R-Werte auf den Rängen 2.500 und 97.500 die 95 %-Konfidenzgrenzen für den beobachteten R-Wert der getesteten Gruppe. Wenn der in der Null-Magnetfeld-Gruppe beobachtete r-Wert außerhalb dieser Konfidenzintervalle lag, war die magnetische Gruppe deutlich gerichteter als die Null-Gruppe mit einer Signifikanz von p < 0,05.

Um ein horizontales Magnetfeld zu erzeugen oder zurückzusetzen, verwendeten wir ein dreifach gewickeltes dreiachsiges Helmholtz-Spulensystem (Claricent, München), das sich in der Mitte eines speziell angefertigten geerdeten Faraday-Käfigs aus Aluminium mit den Abmessungen 84 cm (Länge) × 86 befand cm (Breite) × 99 cm (Höhe). Eine der drei Spulenwicklungen wurde verwendet, um das Umgebungsmagnetfeld aufzuheben, während die anderen beiden Wicklungen entweder ein horizontales Magnetfeld erzeugten (bei parallelem Stromfluss) oder nicht erzeugten (antiparallele, nahezu Null-Bedingung). Dadurch wurde sichergestellt, dass der Stromfluss und damit auch mögliche Nebenwirkungen wie Wärmeentwicklung und Vibrationen in den drei magnetischen Zuständen identisch waren. Eine solche kontrollierte magnetische Umgebung kann mit doppelt gewickelten Spulen nicht geschaffen werden, wenn keine Abschirmung des statischen Magnetfelds (z. B. eine Mu-Metall-Kammer, wie in Lit. 5 angegeben) verfügbar ist. Die Durchmesser der Magnetspulen betrugen 61 cm (z-Achse), 63 cm (x-Achse) und 69 cm (y-Achse). Die Spulen waren elektrisch abgeschirmt, um die Emission elektrischer Felder zu minimieren, und wurden von zwei programmierbaren Netzteilen mit geringer Restwelligkeit (Rohde & Schwarz Hameg HMP4040 und HMP4030) gespeist. Statische Magnetfelder von Erdstärke wurden mit einem hochempfindlichen dreiachsigen Fluxgate-Magnetometer (Meda FVM400) gemessen. Die Spulen und der Verhaltensaufbau wurden auf einer speziell angefertigten Antivibrationsplattform platziert, die als Boden des Faradayschen Käfigs diente. Die Testplatten wurden auf einer nichtmagnetischen Plattform in einer geerdeten Aluminiumkammer platziert, die als zusätzlicher Faradayscher Käfig diente, der Umgebungslicht blockierte.

Die magnetischen und elektrischen Komponenten zeitabhängiger (hochfrequenter) elektromagnetischer Felder wurden einzeln mit zwei verschiedenen Antennen gemessen, die an einen Spektrumanalysator (Tektronix RSA306B Echtzeit-Spektrumanalysator 9 kHz–6,2 GHz) angeschlossen waren. Für jede Bedingung haben wir die Felder über einen Zeitraum von 20 Minuten gemessen, der Signalanalysator wurde auf „Max Hold“ und eine Auflösungsbandbreite von 10 kHz eingestellt (um Vergleiche mit den von Engels et al. 2014 vorgestellten Messungen zu ermöglichen). Die Spuren basieren auf 64.001 Messpunkten zwischen 9 kHz und 30 MHz. Die Messungen wurden zu ähnlichen Tageszeiten wie bei den Wurmversuchen durchgeführt, jedoch nicht während der Testläufe, um eine Beeinflussung der Experimente zu vermeiden. Die magnetische Komponente zwischen 9 kHz und 30 MHz wurde mit einer kalibrierten aktiven Rahmenantenne (Schwarzbeck Mess-Elektronik, FMZB 1513, Frequenzgang 9 kHz–30 MHz) gemessen. Die elektrische Komponente zwischen 9 kHz und 30 MHz wurde mit einer kalibrierten aktiven bikonischen Antenne (Schwarzbeck Mess-Elektronik, EFS 9218, Frequenzgang 9 kHz–300 MHz) gemessen.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.

Die Daten, die die Ergebnisse stützen, sind hier verfügbar: https://osf.io/h2qm5/.

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EPM erhält Fördermittel vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 948728). Das Projekt iBEHAVE (MS und EPM) wird gefördert durch das Programm „Netzwerke 2021“, einer Initiative des Ministeriums für Kultur und Wissenschaft des Landes NRW. Die alleinige Verantwortung für den Inhalt dieser Publikation liegt bei den Autoren. PP wurde durch das europäische Praktikumsprogramm ERASMUS+ gefördert. Wir danken Rolf Honnef (MPINB mechanische Werkstatt) für die Konstruktion des Faradayschen Käfigs und die Bereitstellung der technischen Zeichnung. Einige Stämme wurden vom CGC bereitgestellt, das vom NIH Office of Research Infrastructure Programs (P40 OD010440) finanziert wird.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Patrycja Pikulik, Tim Luca Krause.

Max-Planck-Forschungsgruppe Neurobiologie der Magnetorezeption, Max-Planck-Institut für Neurobiologie des Verhaltens – caesar, Bonn, Deutschland

Erich Pascal Malkemper, Patrycja Pikulik, Tim Luca Krause, Li Zhang und Brittany Hamauei

Abteilung für Wildmanagement und Wildtierbiologie, Fakultät für Forst- und Holzwissenschaften, Tschechische Universität für Biowissenschaften, 16521, Prag 6, Tschechische Republik

Patricia Pikulik

Max-Planck-Forschungsgruppe Neuronaler Informationsfluss, Max-Planck-Institut für Neurobiologie des Verhaltens – caesar, Bonn, Deutschland

Jun Liu & Monika Scholz

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Konzeptualisierung: MS und EPM; Formale Analyse: MS und EPM; Fördermittelakquise: MS und EPM; Untersuchung: PP, TLM, LZ, JL und BH; Ressourcen: JL, MS und EPM; Betreuung: EPM und MS.; Visualisierung: EPM und MS; Schreiben – Originalentwurf: EPM und MS; Schreiben – Überprüfen und Lektorieren: PP, TLK, JL, LZ, BH, EPM und MS

Korrespondenz mit Erich Pascal Malkemper oder Monika Scholz.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Communications Biology dankt Dominik Heyers und Martin Vacha für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Hauptredakteure: Richard Holland und Joao Valente. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Malkemper, EP, Pikulik, P., Krause, TL et al. C. elegans ist kein robuster Modellorganismus für den magnetischen Sinn. Commun Biol 6, 242 (2023). https://doi.org/10.1038/s42003-023-04586-8

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Eingegangen: 04. November 2022

Angenommen: 13. Februar 2023

Veröffentlicht: 04. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-023-04586-8

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