A nemek optimális élettartamot szenvednek a magbogár genetikai konfliktusai miatt

Alekszej A. Maklakov

Absztrakt

1. Bemutatkozás

A reproduktív stratégiák nemi különbségei végső soron az anizogámiában [1] és az ebből adódó Bateman-elvben [2,3] gyökereznek, amely szerint a nőstényeket jellemzően az előállítható petesejtek száma korlátozza, míg a hímeket az általuk gyártott párok száma korlátozza. megtermékenyíthet. Az elmélet fenntartja, hogy a nemekre jellemző szelekció az élet és a szaporodás közötti alapvető kompromisszumot különböző módon optimalizálja a férfiak és a nők számára [4–7], ami mindenütt életkorának dimorfizmusához és az öregedési arányhoz vezet az egész állatvilágban [8–11], beleértve az embereket is [12]. Az evolúciós biológia legújabb fejleményei azonban határozottan azt sugallják, hogy az ilyen optimalizálás nehezen érhető el a nemi úton szaporodó organizmusokban a genomban lévő genetikai konfliktusok miatt.

Míg a nemek megosztják genomjuk nagy részét, az élettartamot befolyásoló allélok expressziója drámai módon eltérő környezetet képvisel. Mivel a homológ tulajdonságok közötti interszexuális genetikai korreláció gyakran magas [13], a különböző lokuszokon történő szexuális antagonista szelekció örökre akadályozhatja a nemeket abban, hogy elérjék fenotípusos optimájukat [14,15]. Ezt az evolúciós „huzavonát” intralókus szexuális konfliktusnak (ISC) nevezik, és bebizonyosodott, hogy kulcsszerepet játszik a férfi – nő együttélésben [16–19]. Alapvető fontosságú, hogy a legújabb tanulmányok kimutatták a szexuálisan antagonista szelekció magas szintjét a szexuálisan dimorf tulajdonságokban [20], ami azt jelzi, hogy az ISC-t a szexuális dimorfizmus fejlődése nem oldja meg könnyen. Ezek az eredmények együttesen erős elméleti alapot szolgáltatnak az ISC szerepéhez abban, hogy megakadályozzák a nemek életképességében és életkorában az optimális életképesség elérését [6,7,21]. Mindazonáltal az ISC kvantitatív genetikai vizsgálata az élettartam és az öregedés során ellentmondásos eredményeket hozott [22, 23], és ezt az elméletet soha nem támogatták kísérletileg [24], annak ellenére, hogy alapvető fontosságú az evolúciós és az orvosbiológiai kutatások szempontjából.

Itt megmutatjuk, hogy a hímek hosszabb ideig, a nők pedig rövidebb ideig élnek, mint a nemre jellemző optima, mesterséges szelekciót alkalmazva a magbogár nagy genetikailag heterogén populációjában Callosobruchus maculatus. Ez a faj kiváló modellrendszer ennek az elemzésnek, mert nagy a szexuális dimorfizmusa az élettartamban és az öregedési arányban [25–27], és erős bizonyíték van arra, hogy ezeken a tulajdonságokon nemi szempontból eltérő szelekció valósul meg [11]. Valószínű, hogy a szaporodás és a szomatikus fenntartás közötti kompromisszumokat a nemek, például a hím, eltérő módon oldják meg C. maculatus maximalizálják alkalmasságukat az élet korai szakaszában tapasztalt nagy reproduktív befektetéssel („élj-gyorsan-halj-fiatal” stratégia), míg a nőstények optimalizálják reproduktív teljesítményüket azáltal, hogy megőrzik az energiát a jövőbeli szaporodáshoz [11,28].

Ennek a hipotézisnek a teszteléséhez először közvetlenül a férfi élettartamát választottuk ki öt generációra, hogy létrehozzunk olyan ismétlődő „hosszú életű” vonalakat, ahol a férfiak átlagosan 27 százalékkal hosszabb ideig éltek, mint a „rövid életű” vonalak. Az egyes nemzedékek esetében az utódokat azon férfiak 25 százaléka közül választották ki, akik a leghosszabb ideig éltek (felfelé történő szelekció a „hosszú életű” vonalaknál) vagy a legrövidebb ideig (a lefelé történő szelekciót a „rövid életű” vonalaknál). Ezekkel a vonalakkal két kulcsfontosságú jóslatot teszteltünk: (i) a felfelé kiválasztott vonalakból származó nőstényeknek hosszabb ideig kell élniük, mint a lefelé kiválasztott vonalakból származó nőknek, mivel az élettartamra vonatkozó pozitív interszexuális genetikai összefüggés van; és (ii) a felfelé szelektált vonalakból származó hímeknek alacsonyabb kondícióval kell rendelkezniük, mint a lefelé szelektált vonalak hímjeinek, míg a nőstényekre ennek ellenkezője kell, hogy legyen. Eredményeink megerősítik mindkét jóslatot, ezáltal közvetlen kísérleti bizonyítékot szolgáltatnak arra vonatkozóan, hogy a nemek akadályozzák az életciklusuk elérését.

2. Módszerek

a) Tanulmányi rendszer

Szelekciós vonalainkat egy heterogén dél-indiai állomány populációból (’SI USA’) származtattuk C. maculatus C. W. Fox-tól szerezték be az USA-ban, a Kentucky Egyetemen. A populáció fertőzött mung babból származik (Vigna radiata) az indiai Tirunelveliből gyűjtötték 1979-ben [29]. A kísérlet idején ezt a populációt több mint 80 generáció óta tartották laboratóriumunkban. A kísérletet megelőzően és közben is a bogarakat mung babon tenyésztették, és klímakamrákban tartották 30 ° C-on, 50% relatív páratartalom mellett és 14 L: 10 D ciklus alatt. A nőstények petéiket a bab felszínére rakják. Miután a lárvák kikelnek, a bab felszínére fúródnak, és ott fejlõdnek fejlõdésükkel, 23–27 nap múlva teljesen funkcionális felnõttekké válnak. Callosobruchus maculatus fakultatív módon aphágikus tőkeszaporítók, és ez a populáció mindig is fennmaradt az aphagynál (vagyis a bogarak a lárva stádiumában felnőttként megszerzik a túléléshez és a szaporodáshoz szükséges összes erőforrást) [30]. Ennek a rendszernek az egyik fő erőssége, hogy a laboratóriumi környezet szorosan közelíti meg a bogár természetes körülményeit [31].

b) Kiválasztási eljárás

1. ábra Átlagos élettartam ± s.e. hím magbogarak rövid élettartamú (szaggatott vonal nyitott körökkel) és hosszú életű (folytonos vonal kitöltött körökkel) szelekciós vonalakból a szelekció öt generációjában. A 4. generációtól kezdve a hosszú életű vonalak hímjei lényegesen tovább éltek, mint a rövid életűeké (varianciaanalízisek: F1,6 = 11,930, o = 0,014; nyers adatok: átlag ± s.e. = 8,49 ± 0,45 nap hosszú életre, szemben 6,67 ± 0,34 nap rövid életre). Ez a különbség az 5. generációval nőtt (varianciaanalízisek: F1,6 = 19,335, o = 0,005; nyers adatok: átlag ± s.e. = 9,38 ± 0,19 nap hosszú élet esetén, szemben 6,88 ± 0,49 nap rövid élet esetén). Egyetlen csillag jelzi a jelentőséget a o

A kísérlet minden generációja során a megtermékenyített petesejteket a kikelés előtt külön szűz kamrákban izolálták (szénsavas műanyag tartályokban, minden egyes személy számára külön kúttal). A felnőttek körülbelül 1 naposak voltak párosításkor. A szaporodás maximalizálása érdekében kizárták a sib párzást. A párosított egyedeket 60 mm-es Petri-csészékbe helyeztük 75 mung babgal. Mivel ezek a nőstények akár 65 tojást is képesek rakni naponta (E. C. Berg 2010, publikálatlan adatok), elegendő babot szolgáltattunk ahhoz, hogy minden babra csak egy tojás kerüljön, ezzel kiküszöbölve a lárvák versenyének zavaró hatásait. A hím párzási lehetőségek esetleges női mortalitásból adódó variációinak csökkentése érdekében minden nőstényt eltávolítottak a 4. napon. A hímeket naponta követték nyomon, és rögzítették a halál dátumát.

A szelekciós vonalak mellett az alapállományból származó bogarakat is fenntartottuk a fitnesz tesztekben történő felhasználás céljából. Ezeket a bogarakat 250 g mung babot tartalmazó edényekben tartották, és tetszés szerint pározták és tojhattak. Amikor a fiatal kikelt, a 25. napon körülbelül 200 egyedet választottak ki véletlenszerűen, és helyeztek egy új üvegbe, babgal, és a ciklus folytatódott.

c) Alkalmassági és élettartamvizsgálatok

A divergens vonalak létrejötte után hosszú élettartamú és élethosszig tartó reprodukciós siker (LRS) vizsgálatokat végeztünk hímek és nők számára az összes kísérleti vonalon. Az egyes vonalakon a vizsgálatokat véletlenszerűen kiválasztott egyedek utódainak felhasználásával végezték a mesterségesen szelektált bogarak ötödik generációjából. Ezeket a bogarakat olyan alapállományból származó egyedekkel párosították, amelyből a szelekciós vonalak eredetileg származnak. Az összes bogár párosítva körülbelül 1 napos volt. Három vizsgálatot hajtottunk végre: (i) férfi fitnesz teszt, (ii) férfi hosszú élettartam vizsgálat és (iii) női fitnesz és hosszú élettartam vizsgálat. A férfi fitnesz és a férfi hosszú élettartam vizsgálatokat külön végeztük annak biztosítása érdekében, hogy a férfiak hosszú élettartamát pont ugyanúgy pontozzuk, mint a szelekciós folyamat során. A női alkalmassági és hosszú élettartamú vizsgálatoknál erre nem volt szükség (lásd később).

A hím kondíciót a felnőtt korig túlélő utódok összes számaként mértük, amelyet a kísérleti vonalakból származó fókuszos hímek más hímekkel versengve hoztak létre. Ez az inkluzív mérés magában foglalja a férfi reproduktív sikerének minden lehetséges variációs forrását, beleértve a kopuláció előtti és utáni szexuális szelekciót, valamint az életképesség kiválasztását. A góc hímek steril, de aktív és nőstényekkel párosuló háttér hímekkel versenyeznek, akik ezután steril petesejteket hoznak létre. Ezt a módszert sikeresen alkalmazták a korábbi tanulmányokban [32,33]. Ez különösen jó módszer az erőnlét mérésére, mert a hímeket abban a környezetben vizsgálják, amelyben fejlődtek legalább százezer (de valószínűleg több ezer) generáció előtt a tanulmányunk előtt (vagyis a közelmúltbeli evolúciós történetüket képviselő környezetben).

Konkrétan, a férfi alkalmassági vizsgálathoz minden populációhoz 20 ismétlődő alcsoportot hoztunk létre. Minden szubpopulációhoz véletlenszerűen kiválasztottunk két hímet a szelekciós sorból, és 90 mm-es Petri-csészékbe helyeztük őket, az alappopulációból származó három nősténnyel, az alappopulációból négy teszt steril hím és 450 mungbabbal. A fókusz és a háttér (alappopuláció) férfiak aránya, valamint a nemek aránya torzult annak érdekében, hogy versenyképesebb környezetet teremtsen a fókuszú férfiak számára, ami összhangban van protandros viselkedésükkel [28]. Kikelés után az alappopulációból származó szűz hímet sterilizáljuk 100 Gy dózisú besugárzással cézium-137 forrás felhasználásával az Uppsala Egyetem Biomedicinális Sugárzástudományi Osztályán. Ezeket a steril hímeket azért vonták be, hogy versenyképes párzási környezetet biztosítsanak a két góc hím számára. Mind a kilenc egyedet addig hagyták a Petri-csészében, amíg meg nem haltak, és az utódok kikeltek (párosítás után a 36. napon). Az ételeket azonnal lefagyasztották a bogarak elpusztítására, majd a kikelt utódokat megszámolták.

A férfi hosszú élettartam vizsgálatban minden szelekciós sorból egy hím (n = Soronként 30 hím) párosítottunk egy nőstényt az alapállományból és egy 60 mm-es Petri-csészébe helyeztük 150 babkal. 3 napig a nőstényeket edények között cserélték, pontosan úgy, mint a mesterséges szelekciós kísérlet során. A nőstényeket a 4. napon eltávolítottuk, és a hím túlélést naponta ellenőriztük.

Végül a női fitnesz és a hosszú élettartam vizsgálatban mind az LRS-t, mind az élettartamot egyszerre rögzítették ugyanazon nőnél. Minden szelekciós sorból egy nőstény (n = 30 nőstény soronként) egy 60 mm-es Petri-csészébe helyeztünk, az alapállomány egyetlen hímjével és 150 babgal, ami elegendő ahhoz, hogy babonként csak egy tojást lehessen rakni. A párosítás után minden nap 3 napig minden hímet egy másik edénybe (minden soron belül) áthelyeztek, hogy minden nőstény összesen három különböző hímmel párosodhasson. A szelekciós kísérlethez hasonlóan ezt a nők minőségében és viselkedésében mutatkozó különbségek minimalizálása érdekében végezték el. A hímeket a 4. napon eltávolították. A nőstényeket naponta ellenőrizték a hosszú élettartam mérése érdekében. A megvalósult termékenységet - a nőstény által az életében rakott petesejtek teljes számát - az LRS méréseként értékeltük, amely a női reproduktív teljesítmény szokásos mértéke ebben a rendszerben.

d) Statisztikai elemzések

Az összes adatot SPSS 19.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL) és JMP 9.0 (SAS Institute, Inc., Cary, NC) alkalmazásával elemeztük. Kétfarkú t-tesztekkel tesztelték a férfi és a nő hosszú élettartamának különbségeit a hosszú és rövid életű szelekciós kezelések között. Az összes hosszú élettartamra vonatkozó adatot az elemzés előtt áram- és ln-transzformációval hajtották végre (ln [élettartam] 0,3), és mindegyik tesztnél elvégezték a varianciaegyenlőség Levene-tesztjeit. Az ábrákon felhasznált adatok azonban nem transzformált értékek. Az eszközök ± 1 s.e. végig. Az LRS-adatokat egy általános lineáris vegyes modell alkalmazásával elemeztük, amely rögzített tényezőként tartalmazza a nemet, a szelekciós kezelést és a nem × szelekciós kezelés kölcsönhatást, és a populációt a szelekciós kezelésbe beágyazott véletlenszerű tényezőként replikálja. A modellbe történő felvételt megelőzően az LRS-adatokat a nemek között variancia-standardizálták, levonva az átlagos alkalmassági értéket az egyes nyers értékekből, majd elosztva a különbséget a szórással [34,35]. Megjegyezzük, hogy az interakció akkor is jelentős, ha egyáltalán nem szabványosítjuk az adatokat.

3. Eredmények és megbeszélés

A hímek és a nők hosszú élettartamát mind a nyolc vonalból (n = 30 nemenként, soronként) úgy, hogy a fókuszos bogarakat összekapcsoljuk az ellenkező nemű bogarakkal a teszter alapállományából, és naponta figyeljük a bogarakat. Jelentős pozitív interszexuális összefüggés mutatkozott az élettartam tekintetében a nyolc vonalon (Pearson r = 0,759, o = 0,029; 2. ábra). Ahogy az várható volt, a hosszú életű vonalak hímjei lényegesen tovább éltek, mint a rövid életűeké (ANOVA a hatalom által átalakított hosszú élettartamról: F1,6 = 27,139, o = 0,002; nyers adatok: átlag ± s.e. = 10,4 ± 0,52 nap hosszú élettartam esetén, szemben 7,6 ± 0,24 nap rövid élet esetén; 3. ábraa). A hosszú életű vonalakból származó nőstények is hosszabb ideig éltek, mint a rövid életű vonalakból származó nők, bár az élettartam növekedése viszonylag kisebb volt, mint a férfiaknál (ANOVA a hatalom által átalakított ln-élettartam értékeken: F1,6 = 6,008, o = 0,0488; nyers adatok: átlag ± s.e. = 6,8 ± 0,18 nap hosszú élettartam esetén, szemben 6,2 ± 0,19 nap rövid élet esetén; 3. ábrab). Ez az eredmény azt bizonyítja, hogy az élettartam mögött meghúzódó genetikai felépítés részben megoszlik a nemek között, és hogy a férfi élettartamán végzett szelekció korrelált genetikai választ adott a nők életében, támogatva az első jóslatunkat.

2. ábra Interszexuális korreláció (r = 0,759, o = 0,029) az élettartamra mind a négy felfelé (kitöltött kör) és négy lefelé (nyitott kör) kijelölési vonalon. Az élettartam-vizsgálatokat öt generációs szelekció után végezték csak a férfi élettartamán.

3. ábra Átlagos élettartam ± s.e. nak,-nek (a) hímek (kék) és (b) nőstények (piros) a rövid életű (nyitott körök) és a hosszú életű (zárt körök) szelekciós sorokból, öt generációs szelekció után. Míg a szelekciót csak a férfiakra alkalmazták, mindkét nemben a hosszú életű bogarak hosszabb ideig éltek, mint a rövid életű bogarak.

4. ábra: Nem × szelekciós interakció a relatív fitneszhez ± s.e. rövid életű (nyitott körök) és hosszú életű (zárt körök) szelekciós rendszerek között. Az alkalmasságot LRS-re becsülték nemenként és népességenként, majd az egyes nemeken belül a szórást standardizálták. A női relatív fitnesz (piros) magasabb volt a hosszú életű vonalakban, míg a férfiak relatív fitnesze (kék) magasabb volt a rövid életű vonalakban.

5. ábra (a) Átlagos LRS (kikelt utódok száma) ± s.e. négy rövid életű (nyitott kör) és négy hosszú életű (zárt kör) szelekciós sor hímjei számára. A kikelt fiatalok teljes számát soronként 20 ismétlésben számoltuk, öt generációs szelekció után, a férfi élettartamán. Egy rövid vonal kívül esett a 95% -os CI-n. Amikor ezt a sort kizárták, a szaporodási siker szignifikánsan különbözött a szelekciós kezelések között (lásd a szöveget), bár a különbség nem volt szignifikáns, amikor az összes sort belefoglalták (varianciaelemzések standardizált értékeken: F1,6 = 1,553, o = 0,259). (b) Átlagos termékenység (lefektetett tojások száma) ± s.e. nőstények négy rövid életű (nyitott kör) és négy hosszú életű (zárt kör) szelekciós sorból. A tojások teljes számát soronként 30 nősténynek számolták meg, miután öt generációs szelekciót végeztek a hím élettartamán, a hosszú életű nőstények pedig lényegesen több tojást.

Vetőmag-bogarakra vonatkozó vizsgálatunk az első közvetlen kísérleti bizonyítékot szolgáltatja arra vonatkozóan, hogy az ISC korlátozhatja a hímeket és nőstényeket arra, hogy elérjék nemükre jellemző optimális élettartamukat. A férfi és a nő élettartama pozitív korrelációban volt, jelezve, hogy az élettartam alapjául szolgáló genetikai architektúra legalább részben mindkét nemben megegyezik, és a rövid és hosszú életű szelekciós kezelések között erőteljes nemi × szelekciós kölcsönhatás alakult ki az LRS esetében a szaporodás és az élettartam közötti optimális egyensúly valóban különbözik a férfiaknál és a nőknél. Megmutatjuk, hogy mindkét eredeti jóslatunkat alátámasztották az adatok: (i) a felfelé kiválasztott vonalakból származó nőstények hosszabb ideig éltek, mint a lefelé kiválasztott vonalakból származó nők; és (ii) a felfelé irányuló szelekció csökkentette a férfi LRS-t és megnövelte a női LRS-t. Így sikerült a nemeket a nemspecifikus fitneszoptimájuktól elfelé vagy azok felé húzni azzal, hogy csak egy nemnél feltételezzük a szexuálisan antagonista tulajdonságot.

Ezek az eredmények együttesen ezt sugallják C. maculatus „élj-gyorsan-halj meg-fiatal” stratégiát fogad el [6,41], amint azt az öregedés antagonisztikus pleiotróp elmélete [4] megjósolja, és hogy a magas genetikai minőség a férfiak rövid élettartamával jár együtt [11,24]. Ez egyértelmű megjósláshoz vezet, miszerint a rövid élettartamra való kiválasztás során jobb minőségű hímeket kell eredményezni, ezt az eredményt korábban fekete mezei tücskökben [24] érték el, és most ezt a tanulmányt megismételték. Vizsgálatunk legfontosabb újszerű megállapítása azonban az, hogy a hímeken végzett szelekció ellentétes hatásokkal járt a nők fitneszében, ami azt jelzi, hogy az életciklus alatt erős ISC.

A nemek általában nemcsak abban különböznek egymástól, hogy mennyi ideig élnek, és mikor kezdenek öregedni, hanem abban is, hogyan reagálnak az életük meghosszabbítását vagy az öregedés lassítását célzó környezeti beavatkozásokra [53,54]. Az életkorbeli nemi különbségek evolúciós okainak és orvosi következményeinek egyaránt az öregedés biológiájával foglalkozó korabeli kutatások kulcsfontosságú célkitűzései kell, hogy legyenek, de az élettartamot meghosszabbító kezelésekre adott válaszok különbözőségének okai gyakorlatilag ismeretlenek [55,56]. Itt bebizonyítottuk, hogy a megnövekedett élettartamra való szelekció ellentétes hatásokat eredményezhet a modell organizmus fitneszében. Eredményeink azt sugallják, hogy a szexuálisan antagonista szelekció fenntarthatja a populációk élettartamának genetikai variációit, de megnehezíti az életet meghosszabbító kezelések megvalósíthatóságának keresését is. A tanulmányunkban megfigyelt, az élettartam meghosszabbításáért felelős gének hatásait utánzó kezelések káros hatással lennének a férfi fitneszre. Noha a nemspecifikus szelekció nagysága és iránya valószínűleg jelentősen különbözik fajonként, bizonyos mértékű szexuális ellentétre számítunk minden szexuálisan szaporodó organizmusban, beleértve az embereket is, ami szükségessé teszi a nemspecifikus hatások közeli okainak vizsgálatát.