Michael A. Najarro
Departamentul de ecologie, evoluție și biologie marină, Universitatea din California, Santa Barbara, SUA
Matt Sumethasorn
Departamentul de ecologie, evoluție și biologie marină, Universitatea din California, Santa Barbara, SUA
Alexandra Lamoureux
Departamentul de ecologie, evoluție și biologie marină, Universitatea din California, Santa Barbara, SUA
Thomas L. Turner
Departamentul de ecologie, evoluție și biologie marină, Universitatea din California, Santa Barbara, SUA
Date asociate
Abstract
Împerecherea asortativă a fost un focus al unor cercetări considerabile din cauza potențialului său de a influența biodiversitatea la mai multe scări. Sharon și colab. (2010) au descoperit că o tulpină consangvinizată de Drosophila melanogaster s-a împerecheat asortativ pe baza dietei generațiilor anterioare, ducând la izolare reproductivă inițială fără evoluție genetică. Acest comportament a fost reprodus prin manipularea microbiomului independent de dietă, indicând simbionții bacterieni extracelulari ca indiciu de împerechere asortativ. Pentru a investiga în continuare semnificația biologică a acestui rezultat, am încercat să reproducem acest fenomen într-un laborator independent folosind diferite genotipuri și teste de împerechere suplimentare. Susținând rezultatul anterior, am constatat că o altă tulpină consangvinizată s-a împerecheat asortativ pe baza dietelor generațiilor anterioare. Cu toate acestea, nu am reușit să generăm împerecherea asortativă într-o tulpină învechită din Carolina de Nord. Rezultatele noastre susțin potențialul ca mecanismele non-genetice să influențeze izolarea reproducerii, dar este necesară o muncă suplimentară pentru a investiga importanța acestui mecanism în populațiile naturale de Drosophila.
Introducere
Împerecherea asortativă este un termen care descrie atunci când indivizii aleg perechi pe baza unui fenotip sau genotip comun. Împerecherea asortativă (uneori denumită împerechere asortativă pozitivă) a fost găsită în multe populații naturale, unde poate avea efecte importante asupra diversității (Wright, 1921; Jiang, Bolnick și Kirkpatrick, 2013). Împerecherea asortativă este, de asemenea, cheia pentru izolarea comportamentală între populații, care este un pas crucial în procesul de speciație (Coyne & Orr, 2004).
Ușurința cu care poate apărea izolarea comportamentală este o variabilă importantă în unele modele de speciație simpatrică (Kondrashov și Kondrashov, 1999), cauzele ne-genetice ale împerecherii asortative primind o atenție crescândă ca factori importanți (Pfennig & Servedio, 2013). Se cunoaște că împerecherea asortativă este afectată de moștenirea non-genetică în unele sisteme, cum ar fi transmiterea culturală la păsări și pești (Crews și colab., 2007; Pfennig și Servedio, 2013. Simboniții bacterieni la insecte s-au dovedit a influența atât -izolarea reproductivă zigotică (prin influențarea alegerii partenerului) și izolarea reproductivă postzigotică (prin reducerea fitnessului hibrizilor) la mai multe specii, inclusiv Drosophila (Bordenstein, O'Hara & Werren, 2001; Koukou și colab., 2006; Miller, Ehrman și Schneider, 2010; Brucker și Bordenstein, 2012). Până de curând, aceste cazuri se credeau că toate se datorează simbionților intracelulari, cum ar fi Wolbachia, mai degrabă decât simbionților extracelulari, cum ar fi bacteriile intestinale. Cu toate acestea, recent s-a demonstrat că bacteriile intestine influențează viabilitatea hibrizii din Nasonia (Brucker & Bordenstein, 2013; Chandler & Turelli, 2014) și mai multe studii de împerechere asortativă mediată de simbionți au folosit antibiotice care probabil perturbau simbionții extracelulari, precum și intracelularele cele ular (Koukou și colab., 2006; Miller, Ehrman și Schneider, 2010).
Acesta este singurul caz pe care îl conștientizăm, care implică în mod clar microbi extracelulari în izolarea comportamentală. Această lucrare este, prin urmare, o componentă importantă a înțelegerii noastre emergente a rolului pe care îl joacă microbiomul în împerecherea și speciația asortativă. Cu toate acestea, deoarece unele rezultate publicate sunt probabil false, replicarea acestor rezultate ar fi valoroasă (Ioannidis, 2005). Mai mult, rezultatele originale au fost parțial confundate de pseudo-replicare și, deși autorii au sugerat că schimbările în compoziția feromonilor ar putea fi responsabile, considerăm că mecanismul din spatele acestui fenomen nu este încă stabilit. Prin urmare, am încercat să generăm împerechere asortativă în genotipuri suplimentare, atât consangvinizate, cât și extrase, și am folosit un tip suplimentar de testare a împerecherii pentru a explora posibilul mecanism. Am reușit să generăm împerechere asortativă pe baza dietelor generațiilor anterioare, în sprijinul rezultatelor publicate. Cu toate acestea, deoarece am reușit să generăm împerecherea asortativă doar într-o tulpină consangvinizată, rămâne de stabilit relevanța acestui fenomen în populațiile naturale.
Materiale și metode
Creșterea drozofilelor
Două genotipuri au fost utilizate în aceste experimente. Prima a fost o tulpină consangvinizată, Canton-S, achiziționată de la Bloomington Drosophila Stock Center. A doua tulpină a fost o tulpină creată prin împerecherea în masă a 173 de linii izofemale sălbatice colectate în Raleigh, Carolina de Nord de Trudy Mackay (Mackay și colab., 2012). Ne referim la această tulpină ca allRAL, în urma publicațiilor anterioare folosind același stoc; aceste tulpini au fost achiziționate și de la Bloomington Stock Center (Turner, Miller și Cochrane, 2013; Pischedda și colab., 2014). Această populație a fost menținută în laborator timp de 5 ani de când liniile inițiale au fost amestecate, la o dimensiune a populației de câteva sute de indivizi de fiecare sex pe generație. Prin urmare, această tulpină este probabil să aibă mult mai multă diversitate genetică decât tulpinile de laborator care au fost în mod intenționat consangvinizate și apoi crescute în laborator timp de decenii, cum ar fi Canton-S și Oregon-R. Ne referim la această tulpină ca la o tulpină ieșită din sânge, deși trebuie remarcat faptul că este probabil mai mult consangvinizată decât populațiile naturale de D. melanogaster.
Colecția Virgin Fly și tăierea aripilor
Muștele virgine au fost colectate din generația finală CMY prin colectarea muștelor care au fost mai puțin de 6 ore după eclozare, la 11 zile după ovipoziție. Muștele virgine de la 20 de flacoane diferite ale aceluiași tratament au fost reunite în fiecare bloc, anesteziate cu dioxid de carbon și apoi separate prin sex în grupuri de 10 sau 20 pe suport CMY proaspăt. În a 4-a zi post-colectare, toate muștele au fost re-anesteziate pentru tăierea aripilor. Sharon și colab. (2010) au retras aripile muștelor doar dintr-un singur tratament dietetic și au folosit aceste mărci pentru a determina modelul de împerechere. Cercetările anterioare nu au găsit efecte semnificative ale tăierii aripilor asupra curtei masculine sau a succesului împerecherii (de exemplu, Van den Berg și colab., 1984), dar am simțit totuși că ar fi mai bine să tăiem aripile tuturor muștelor pentru a controla orice efect al tăiere aripii. Prin urmare, am tăiat un tratament pe partea dreaptă și celălalt pe partea stângă. Porțiunea posterioară a unei aripi a fiecărei muște virgine a fost ablată pentru a forma o aripă tocită. Ambele sexe din cadrul unui tratament dietetic au primit o clemă de aripă pe aripa de pe aceeași parte, în timp ce celălalt tratament dietetic a primit o clemă de aripă pe aripa opusă. Modelele de tăiere aripilor au fost alternate între experimente replicate pentru a randomiza orice efect al prejudecății de curte pentru o anumită parte. Muștelor li s-a permis să se recupereze după anestezie timp de 18-20 de ore.
Încercări de alegere a prietenilor
De asemenea, am efectuat un experiment diferit de alegere a partenerului, la care ne referim ca o alegere a partenerului cu trei zboruri. În aceste încercări, doar o singură muscă a fost încărcată pentru un sex (bărbat sau femeie) și a fost desemnată „alegător”; muștele de sex opus de la fiecare tratament au fost încărcate ca colege candidate. Pe baza sexului alegătorului, experimentul de alegere cu trei zboruri poate fi numit mai precis experimente „alegere feminină” sau „alegere masculină”. Folosim această terminologie datorită comodității și în urma lucrărilor anterioare, dar rețineți că este probabil naiv să presupunem că preferințele candidaților de împerechere nu joacă, de asemenea, un rol în aceste experimente. Alegătorul a fost încărcat mai întâi în arene, urmat de ambii colegi candidați la câteva secunde unul de celălalt.
Analiza datelor
Au existat mai multe covariabile în cadrul experimentului de alegere a partenerului cu patru zboruri (data testului, ora testului, numărul de bărbați deținuți pe flacon înainte de test și efectul de tăiere a aripii). Efectul de tăiere aripii a fost o covariabilă care a controlat „mâna” în fiecare sex în ceea ce privește utilizarea unei aripi în curte. Cu alte cuvinte, am controlat bărbații care preferă să curteze cu o anumită aripă, iar femeile care preferă să primească curte de la o aripă a unui bărbat. Semnificația fiecărei covariate a fost evaluată utilizând un model de regresie logistică. Nu au fost semnificative covariabile (p> 0,05), astfel încât datele au fost analizate împreună. Testele binomiale au fost apoi utilizate pentru a determina dacă împerecherea a fost semnificativ diferită de cea aleatorie în ceea ce privește tratamentul pentru acest test și testele de alegere a 3-fly. Aceste teste au fost făcute în R utilizând funcția binom.test (), care raportează, de asemenea, intervale de încredere estimate utilizând procedura lui Clopper & Pearson (1934). Cu permisiunea autorilor anteriori, frecvențele împerecherii asortative și dezasortative din experimentele de alegere cu patru zboruri au fost comparate cu datele brute furnizate de Sharon și colab. (2010) pentru a determina dacă datele colectate au susținut constatările originale.
Rezultate
În sprijinul descoperirilor anterioare, am constatat că dieta ancestrală a afectat alegerea partenerului din generațiile ulterioare, dar numai în tulpina consangvinizată Canton-S (Fig. 1 și Tabelul 1). În experimentul cu patru zboruri, 58% din copulații au fost asortative în Canton-S, unde 50% erau așteptați în împerecherea aleatorie (binomial p = 0,004, 95% interval de încredere = 0,52-0,63, N = 344). Tulpina allRAL învechită, în schimb, nu a prezentat nicio abatere semnificativă de la împerecherea aleatorie, cu 52% din copulații asortative (binomial p = 0,53, interval de încredere 95% = 0,46-0,58, N = 302). Am folosit date brute furnizate de Sharon și colab. (2010) pentru a calcula că tulpina consangvinizată Oregon-R s-a împerecheat asortativ 61% din timp (binomial, p = 1,08E - 5, 95% interval de încredere = 0,56-0,66, N = 385), similar cu datele noastre pentru Canton- S. Când Canton-S s-a împerecheat asortativ, nu am văzut nicio diferență semnificativă în ceea ce privește muștele care s-au împerecheat mai întâi: muștele amidon s-au observat că se împerechează mai întâi 52% din timp, iar CMY zboară celelalte 48% din timp (binomul p = 0,56). Aceste date sunt în concordanță cu datele publicate folosind Oregon-R, unde muștele amidonului au fost primii care s-au împerecheat 46% din timp (binomul p = 0,27).
Se arată frecvența împerecherii asortative pentru fiecare tulpină testată, cu datele Oregon-R de la Sharon și colab. (2010) prezentate pentru comparație. Liniile verticale sunt 95% intervale de încredere; mărimile eșantionului au fost 302, 344 și 385 pentru allRAL, Canton-S și, respectiv, Oregon-R.
tabelul 1
| N | 344 | 302 | 385 |
| Asortativ | 199 | 157 | 236 |
| Dezasortant | 145 | 145 | 149 |
| Amidon × Amidon * | 100 | 83 | 109 |
| CMY × CMY * | 91 | 67 | 127 |
| CMY × Amidon * | 67 | 72 | 81 |
| Amidon × CMY * | 74 | 68 | 68 |
| Proporția asortativă | 0,57 | 0,52 | 0,61 |
| P | 0,004 | 0,53 | 1.1 E 10–5 |
| Interval de încredere | 0,52-0,63 | 0,46–0,58 | 0,56-0,66 |
Note.
Am adunat informații suplimentare cu privire la alegerea partenerului folosind un design de alegere a partenerului cu trei muște, în cazul în care o singură muscă de un sex este prezentată cu o alegere de muște de celălalt sex (spre deosebire de designul de alegere a partenerului cu patru zboruri prezentat mai sus și în Sharon și colab. (2010), care are două muște de ambele sexe). Am testat toate cele patru combinații posibile de muște: o femelă de amidon cu ambii masculi, o femelă CMY cu ambii masculi, un mascul de amidon cu ambele femele și un bărbat CMY cu ambele femele. Mărimile eșantionului au fost mai mici decât experimentul cu patru zboruri din cauza necesității de a efectua aceste comparații multiple; pentru a maximiza dimensiunea eșantionului, am investigat doar Canton-S datorită rezultatelor pozitive ale designului cu patru zboruri (Tabelul 2).
masa 2
| Femelă de amidon | 89 | 107 | 196 | 0,454 | 0,23 | 0,38-0,53 |
| CMY feminin | 113 | 88 | 201 | 0,562 | 0,09 | 0,49–0,63 |
| CMY masculin | 106 | 79 | 185 | 0,572 | 0,06 | 0,50-0,65 |
| Mascul de amidon | 88 | 78 | 166 | 0,530 | 0,49 | 0,45-0,61 |
Interesant este faptul că în ambele scenarii în care zbura „alegătorului” provine din tratamentul CMY, proporția copulațiilor care au fost asortative au fost aproape identice cu experimentul cu 4 zboruri, în care 58% din copulații au fost asortative (Tabelul 2). Când o mușcă CMY de sex feminin a fost combinată cu ambii bărbați, 56% dintre copulații au fost asortative, iar atunci când o muscă CMY de sex masculin a fost combinată cu ambele femele, 57% din copulații au fost asortative. Aceste rezultate au fost doar marginal semnificative datorită dimensiunilor reduse ale eșantionului (binomial p = 0,09, N = 201 și p = 0,06, N = 185, pentru femele și respectiv pentru bărbați). Dacă folosim testul de probabilitate combinat al lui Fisher (adică metoda lui Fisher) pentru a lua în considerare aceste date împreună, copulațiile sunt semnificativ asortative atunci când muștele CMY sunt alegători (p = 0,03). În schimb, cazurile în care muștele amidonului au fost „alegătorul” nu au fost semnificative (Tabelul 2).
Discuţie
În 2010, Gil Sharon și colegii săi au publicat un raport care descrie împerecherea asortativă pe bază de bacterii intestinale în Drosophila melanogaster. Am găsit aceste date surprinzătoare și interesante și am încercat să aprofundăm înțelegerea acestui fenomen aici. În replicarea parțială a acestui rezultat anterior, am constatat că muștele din tulpina Canton-S se asortează pe baza dietelor strămoșilor lor. Deși nu am investigat în mod explicit prezența unei anumite specii bacteriene, acest lucru este în concordanță cu modelul observat de Sharon și colab. (2010) cu tulpina Oregon-R. În contrast, am văzut împerecherea aleatorie la muște din tulpina noastră allRAL învechită. Cu doar două tulpini consangvinizate și o singură specie testată până acum, nu este posibil să se stabilească dacă acest lucru s-a datorat faptului că muștele au fost extrase sau din cauza unei interacțiuni genotip-mediu. De asemenea, este posibil ca comunitatea bacteriană inițială să fie diferită în această tulpină din motive stocastice și că această comunitate nu a produs efectele observate la celelalte tulpini. În orice caz, când cele trei genotipuri diferite sunt considerate împreună, datele nu sunt în concordanță cu împerecherea aleatorie (testul de probabilitate combinat al lui Fisher, p = 4.03E - 6).
Mecanismul nostru propus (împerecherea asortativă bazată pe calitate sau condiție) este foarte simplu, dar ar putea juca un rol important în speciația în natură. Dacă unii indivizi dintr-o populație folosesc un habitat sub-optim, s-ar putea împerechea asortativ pur și simplu din cauza respingerii de către alți indivizi care folosesc un habitat mai tipic. Dacă acești indivizi se împerechează în mod implicit asortativ, alelele rare recesive ar fi mai susceptibile de a deveni homozigote, iar alelele de la loci fără legătură ar putea stabili dezechilibru gametic, ambele putând promova adaptarea locală. Desigur, odată ce au apărut aceste genotipuri mai potrivite, ele nu ar mai fi discriminate de către alți indivizi din habitatul tipic, astfel încât ar fi necesar un mecanism asemănător genetic asemănător pentru a continua izolarea reproductivă (Waddington, 1953; Badyaev, 2005). Inutil să spun că aceste idei sunt speculative și necesită investigații suplimentare prin intermediul modelelor teoretice și al experimentelor în domeniu.
În plus față de avertismentele deja furnizate, considerăm că este important să subliniem faptul că configurația experimentală utilizată în munca noastră și lucrarea lui Sharon și colab. (2010) ar trebui considerată o dovadă a conceptului, deoarece dietele utilizate sunt destul de artificiale. Mai mult, gradul în care bacteriile intestinale sunt transmise vertical în natură rămâne necunoscut. Bacteriile extracelulare ar putea fi transmise mai fiabil descendenților din laborator decât câmpul, deoarece muștele cu tratamente ancestrale diferite au fost crescute în flacoane separate în experimentul nostru. În schimb, un petic în natură ar putea fi folosit de muștele care s-au dezvoltat pe multe tipuri diferite de plasturi, astfel încât comunitățile lor bacteriene combinate ar putea să însămânțeze substratul pentru bazinul comunal al descendenților. Cu toate acestea, rezultatele obținute din experimentele noastre demonstrează că, în anumite condiții, schimbările în dieta generațiilor ancestrale pot promova împerecherea asortativă în generațiile ulterioare. Datele noastre susțin constatările lui Sharon și colab. (2010) și indică împerecherea asortativă bazată pe vigoarea generală ca un posibil mecanism. Sperăm că aceste rezultate vor motiva activitatea continuă în acest domeniu.
Informatii suplimentare
Informații suplimentare 1
Script R utilizat pentru regresia logistică, pe care l-am folosit pentru a evalua semnificația unor mici inconsecvențe în proiectarea experimentală.