A szexuális zaklatás hatása a halálos mutációs rátára nőstény Drosophila melanogaster-ben

Alekszej A. Maklakov

1 Öregedési Kutatócsoport, Állatökológiai Tanszék, Evolúciós Biológiai Központ, Norbyvägen 18d, 752 36, Uppsala, Svédország

Simone Immler

2 Öregedés Kutatócsoport, Evolúciós Biológia Tanszék, Evolúciós Biológiai Központ, Norbyvägen 18d, 752 36 Uppsala, Svédország

Hanne Løvlie

1 Öregedési Kutatócsoport, Állatökológiai Tanszék, Evolúciós Biológiai Központ, Norbyvägen 18d, 752 36, Uppsala, Svédország

Flis Ilona

2 Öregedés Kutatócsoport, Evolúciós Biológia Tanszék, Evolúciós Biológiai Központ, Norbyvägen 18d, 752 36 Uppsala, Svédország

Urban Friberg

2 Öregedés Kutatócsoport, Evolúciós Biológia Tanszék, Evolúciós Biológiai Központ, Norbyvägen 18d, 752 36 Uppsala, Svédország

Absztrakt

1. Bemutatkozás

A mutációk a genetikai variáció végső forrása, és előfordulásuk gyakorisága az evolúciós diverzifikáció és a populáció életképességének középpontjában áll. Az egyénre és a nemzedékre jutó, a genom egészére kiterjedő mutációs ráta, az U, a populációgenetika egyik legfontosabb paramétere, amelyet az evolúciós biológia számos elméleti modelljében széles körben alkalmaztak [1–4]. Általában feltételezzük, hogy a mutációk aránya a populációkon belül egyedileg rögzül [5], bár feltételezzük, hogy a megnövekedett mutációs ráta adaptív válasz lehet egy kedvezőtlen környezetnek kitett genotípus [6]. Ennek ellenére számos korai tanulmány utalt arra a lehetőségre, hogy az egyéni mutációs ráta függhet az egyén genotípusától vagy élettani állapotától [7]. Így a gyümölcslegy, a Drosophila melanogaster alkalmazásával végzett kísérletek arra utaltak, hogy a spermiumokban a megtermékenyítés előtt indukált mutagenezis női javulását befolyásolhatja a hőmérséklet [8], a petesejtek infravörös besugárzása [9], diéta [10,11], antibiotikumok [12] és női genotípus [13].

A legújabb kísérletek azt is mutatják, hogy a mutációs ráta a populáción belül egyedenként változhat, állapotuktól függően. Ezek az eredmények elsősorban egysejtű organizmusokkal végzett kísérletekből származnak [14, 15], de a D. melanogaster három újabb tanulmánya azt mutatja, hogy a mutációs ráta függhet a többsejtű organizmusok állapotától is. Egy tanulmányban a genetikai minőséget úgy manipulálták, hogy a legyek egyik populációja károsabb mutációkat halmozott fel egy másik populációhoz képest [16]. Ezt követően bebizonyosodott, hogy a mutáció-akkumuláció populációból származó legyek életképességének csökkenése nagyobb volt, összhangban a genetikai terheléssel felgyorsult mutációs rátával [16], vagy alternatívaként a mutációk fokozott káros hatásaival a genetikai terhelés függvényében [ 17]. Egy másik tanulmányban a szerzők a lárvák étrendjének táplálkozási értékét manipulálva olyan felnőtt nőstény legyeket hoztak létre, amelyek állapota tekintetében jelentősen különböztek [18]. Ebben a tanulmányban a nemhez kötött recesszív letális mutációk hozama magasabb volt alacsony állapotú legyeknél [18]. Végül Sharp & Agrawal [19] kísérletileg kimutatta, hogy az alacsony minőségű genotípusok emelkedett mutációs rátáktól szenvednek, ami pozitív mutációs visszacsatoláshoz vezet.

Miért lenne az egyedi állapotnak hatása az egyedi mutációs ráta és milyen hatással? Feltételezik, hogy a rossz állapotú egyének kevesebb erőforrással rendelkeznek a DNS-helyreállításba való befektetéshez, ami magasabb mutációs arányt eredményez [17–19]. Egy ilyen mechanizmusnak messzemenő következményei lennének a populáció sorsára nézve, ami azt sugallja, hogy a megnövekedett mutációs terhelésben szenvedő populációk hajlamosak lesznek a csíravonal mutációinak egyre növekvő sebességgel történő felhalmozódására [17,19]. Hasonlóképpen, a kedvezőtlen környezeti feltételekkel élő populációk nagyobb valószínűséggel hoznak létre mutációval sújtott utódokat. Végül egy ilyen folyamatnak kihatásai lehetnek a szexuális szelekcióra, mert növelné az alacsony állapotú párral való párzási költségeket [18,20]. Mindazonáltal ellentétes érv állítható azzal kapcsolatban, hogy az állapotcsökkentő környezeti stressz növelné a szomatikus karbantartásba történő befektetést, ideértve a DNS-helyreállítást is, a reprodukcióba történő befektetés rovására.

Míg az állapotfüggő mutációs ráta korábbi tanulmányai nagyrészt az abiotikus stresszek, az erőforrások elérhetősége és a genetikai állapot hatásaira összpontosítottak, vannak okok azt feltételezni, hogy a társadalmi tényezők valószínűleg legalább ilyen fontosak lesznek. A reprodukcióval kapcsolatos szexuális konfliktus potenciálisan kulcsfontosságú szerepet játszik az egyéni állapot változásában, és ezért az egyéni mutációs ráta változásában. A szexuális konfliktus a populációban levő egyes férfiak és nők eltérő genetikai érdeklődéséből fakad [31], és gyakran a nőkre káros viselkedési, morfológiai vagy fiziológiai jellemzők kialakulásához vezet [32,33]. A szexuális konfliktusok szintje fajok és populációk szerint változó [34,35], de a szexuális konfliktus mértékének az egyéni mutációs ráta hatását még soha nem vizsgálták. Mivel a szexuális konfliktusok megnövekedett szintje a női állapot csökkenését eredményezi [36,37], emellett a mutációk átadásának megnövekedett sebességéhez is vezethet a DNS-helyreállításba történő csökkent beruházás miatt. Alternatív megoldásként az ilyen típusú környezeti stressz megnövekedett befektetéseket eredményezhet a szomatikus karbantartásban, beleértve a DNS-helyreállítást, majd csökken a mutáció aránya a hímek jelenléte által érintett nőknél.

A Drosophila melanogastert mintaszervezetként alkalmazták a hím – nő koevolúció tanulmányozására, és a nemi konfliktusok közgazdaságtana közismert erre a fajra [38,39]. A szexuális konfliktusok költsége ebben a rendszerben jelentős, és becslések szerint legalább 20 százalékkal csökkenti a nők fitneszét [40]. Ezért a férfi hatása a női fenotípusos állapotra nagy lehet [36,37]. Noha ennek a költségnek a nagy része valószínűleg a férfi udvarlási és szerelési kísérleteiből, valamint a befejezett párosodásokból származik, gyakran nehéz elkülöníteni a férfiak ilyen zaklatásának hatásait a önmagában történő szaporodás költségeitől. Lehetséges azonban kiküszöbölni ezt a problémát olyan hímek felhasználásával, amelyekből hiányzik az életképes spermium, valamint a kiegészítő mirigyfehérjék (ACP) nagy része [41]. Az ilyen hímek udvarolhatnak, csatlakozhatnak és pározhatnak nőstényekkel, de nem stimulálják a tojástermelést a szűz nőstényeknél megfigyelt szintet meghaladó mértékben [41].

2. Anyag és módszerek

a) légykészletek

A férfi zaklatás mértékének a női tojásrakás mértékétől függetlenül történő manipulálásához a DTA-E állományból származó hímeket használtuk fel [41], amelyeket M. Wolfner kedveskedett. Ezek a hímek udvarolják a nőstényeket és párosodnak velük, de nem viszik át a spermiumokat vagy a fősejtes kiegészítő mirigyfehérjéket, és nem indukálják a petesejtezést [41]. A DNS-elváltozásokat hordozó spermiumok arányának változását hím gamma-sugárzással manipulálták (lásd alább). A normális vagy besugárzott spermiumokat átadó hímek az LHm vad típusú laboratóriumi populációból származnak [38]. A domináns letálisok vizsgálatában nőstények is érkeztek LHm-ből. A nemhez kötött recesszív mutációk vizsgálatában az FM-X X-kromoszóma-kiegyensúlyozóra homozigóta nőstényeket használtunk, amelyeket a domináns B szemmutációval (bar-szem) jelölünk. Ezeket a nőstényeket a kísérletek megkezdése előtt sok generáció óta visszakeresztezték az LHm populációhoz. A legyeket 12 L: 12 D ciklusban 25 ° C-on tenyésztették. Minden kísérletben standard cukor – élesztő táptalajt használtunk.

b) Kísérleti eljárások

(i) Uralkodó letálisok

A 14. nap reggelén a nőstényeket tojásrakó kamrákba helyezték. Ezek a kamrák kis Petri-csészéket tartalmaztak, standard étkezési közeggel megtöltve, ad libitum élesztő paszta tetejével. 4,5 óra elteltével a nőstényeket megtisztítottuk, és megszámoltuk a Petri-csészére jutó összes tojás számát. Ezt a számot a női állapot proxyként vették figyelembe. Huszonnyolc órával azután, hogy a legyeket eltávolították a tojásrakó kamrákból; a tojással ellátott edényeket 4 ° C-on tároltuk, hogy megakadályozzuk az embrionális/lárva további fejlődését. Ezt követően a hámozatlan tojások arányát pontozták. Ugyanezt az eljárást kétszer megismételtük.

(ii) Nemhez kötődő recesszív letalitások

A szexuális zaklatás hatásának mérésére a nemhez kötött letálisok terjedési sebességére a Basc-módszer módosított protokollját használtuk [45]. Két független kísérletben az FM1-re homozigóta nőstényeket vagy 44 nőstény (14 injekciós üveg), vagy 11-es csoportokban tartottuk 33 DTA-E hímmel (55 injekciós üveg) 6 napig az 1. kísérletben és 9 napig a 2. kísérletben. Ezeket a nőstényeket ezután kettes csoportokra osztottuk, és két 7 napos besugárzott LHm hímnél tartottuk őket egy éjszakán át. A hímeket 45 Gy-vel besugározták az 1. kísérletben, és 50 Gy-vel a 2. kísérletben. Reggel a hímeket és nőstényeket eldobták, és a párosító fiolákba rakott peték számát minden egyes kezelési csoportban 100 fiolának pontozták (2. kísérlet), 98 injekciós üveget szereztünk a zaklatott nőstényektől és 107 injekciós üveget a nem zaklatott nőknél), és a női állapot mérésére vettük. Kilenc nappal később szűz nőstényeket (átlagosan 2,23 ± 0,07 s.e., lányok két anyára), heterozigóta FM1-re és apai eredetű besugárzott X kromoszómára gyűjtöttünk. Ezeket a nőstényeket később nem besugárzott LHm hímekkel pározták, és az ezen keresztezésekből származó FM1/Y és Xirradiated/Y fiúk számát pontozták, hogy megbecsüljék a nemhez kötött letalák arányát a különböző kezelési csoportokban.

c) Statisztikai elemzések

Az ANOVA-val teszteltük a szexuális zaklatásnak a női állapotra gyakorolt hatását a domináns letalitások vizsgálatában. Nőstényenként tojott tojásokat használtunk függő változóként, amelyet log-transzformáltunk az elemzések előtt. Egyidejűleg annak tesztelésére, hogy a férfi besugárzási státusának van-e hatása a női termékenységre, egy teljes faktoriális kétirányú rögzített hatást használtunk ANOVA-val, szexuális zaklatással és férfi besugárzási státussal fix tényezőként.