Az étrendi döntéseket a genotípus, a párzási állapot és a Drosophila melanogaster neme befolyásolja

M. Florencia Camus

1 Genetikai, evolúciós és környezetvédelmi kutatási osztály, University College London, London, Egyesült Királyság,

Csun-Cseng Huang

1 Genetikai, evolúciós és környezetvédelmi kutatási osztály, University College London, London, Egyesült Királyság,

Max Reuter

1 Genetikai, evolúciós és környezetvédelmi kutatási osztály, University College London, London, Egyesült Királyság,

Kevin Fowler

1 Genetikai, evolúciós és környezetvédelmi kutatási osztály, University College London, London, Egyesült Királyság,

Társított adatok

Minden adat a Dryad adattáron érhető el (https://doi.org/10.5061/dryad.mn3gq21)

Absztrakt

A párosodás számos változást okoz a fiziológiában, a viselkedésben és a génexpresszióban sokféle organizmusban. Ezeket a változásokat az előrejelzések szerint nemspecifikusak, befolyásolják a nemek eltérő reproduktív szerepei. A nőstény rovarokban a párzás a tojástermelés növekedésével jár, ami magas szintű táplálékigényt igényel, amelynek közvetlen következményei vannak az egyes nőstények fiziológiai szükségleteire. Következésképpen a nőstények megváltoztatják táplálkozási elsajátításukat a párzás által előidézett fiziológiai igényeknek megfelelően. Bár sokat tudni a nőstény párzás által kiváltott táplálkozási reakciójáról, jóval kevesebbet tudni a férfiak változásairól. Ezenkívül nem ismert, hogy a genotípusok közötti eltérés az étrendi viselkedési válaszok változását eredményezi-e. Itt megvizsgáljuk a párzás okozta elmozdulásokat a férfiak és a nők táplálkozási preferenciáiban a Drosophila melanogaster genotípusai között. Nem- és genotípus-specifikus hatásokat találunk mind a választott étrend mennyiségére, mind minőségére. Ezek az eredmények hozzájárulnak a nemspecifikus anyagcsere megértéséhez, és feltárják azokat a genotípusos variációkat, amelyek befolyásolják a fiziológiai igényekre adott válaszokat.

1. BEMUTATKOZÁS

Számos faj többszörös változást mutat a fiziológiában, a viselkedésben és a génexpresszióban a párzást követően. Az előrejelzések szerint a párzásra adott válaszok nemre jellemzőek, és ezek a különbségek a nemek eltérő reproduktív szerepének tulajdoníthatók. Például a párzás jelentős változásokat vált ki a nőstény rovarokban, többek között: megnövekedett tojásrakási arány, megnövekedett táplálékfogyasztás, csökkent immunitás és csökkent fogékonyság a férfiak udvarlása iránt (Chapman, Liddle, Kalb, Wolfner és Partridge, 1995; Liu & Kubli, 2003; Rolff & Siva-Jothy, 2002; Sgrò, Chapman és Partridge, 1998). Kevésbé ismertek a hímek párzási reakcióiról, bár az előrejelzések szerint elsősorban a spermiumok és a szeminális folyadéktárolás feltöltésével járnak (Sirot, Buehner, Fiumera és Wolfner, 2009). A Drosophila melanogaster alkalmazásával végzett számos tanulmány célja a géntermékek feltárása, amelyek reagálnak a párzásra, bár ezek a tanulmányok külön vizsgálták a hímet és nőstényt (Dalton et al., 2010; Ellis & Carney, 2010; Innocenti & Morrow, 2009; Lawniczak & Begun, 2004).

A közelmúltban a Callosobruchus maculatus magbogár nem-specifikus transzkriptikus elemzése rávilágított a párzással érintett gén expresszióra; nőstényekkel, amelyeknél több gén reagál a párzásra, mint a férfiak (

Bár bizonyítékok vannak arra, hogy a nemek különböznek egymástól étrendi igényeikben az erőnlétük maximalizálása érdekében (Jensen, McClure, Priest és Hunt, 2015; Maklakov et al., 2008), jelenleg nem ismert, hogy az anyagcserére gyakorolt genetikai hatások a viselkedési reakciók általában, és hogy az egyén genotípusa hatással lesz-e különösen a párzás által kiváltott táplálkozási változásokra. A közelmúltban jelentős genetikai eltérést találtak a hímek és a nőstény Drosophila étrendi követelményeiben és étrend-választásában (Camus, Fowler, Piper és Reuter, 2017; Reddiex, Gosden, Bonduriansky és Chenoweth, 2013). Ezek az eredmények együtt azt sugallják, hogy a genotípusok változóak a tápanyagok megszerzésének és feldolgozásának sebességében és hatékonyságában, és végső soron e tápanyagok reprodukciós kimenetelűvé történő átalakításában.

Itt azt kérdezzük, hogy a hímek és a nők megváltoztatják-e az étrendi viselkedést a párzásra reagálva, és vajon a párzás okozta táplálkozási elmozdulások genotípus-e. Citogenetikus klónozási technikákat alkalmazunk, és az étrendi preferenciák alapján mérjük a válaszokat mindkét nem hat genotípusán belüli párzással szemben. Eredményeink megmutatják a párzásra adott nemi és genotípus-specifikus reakciókat. A nőstények jelentős választ mutatnak az elfogyasztott élelmiszerek mennyiségében és minőségében egyaránt; a párzást követően inkább magasabb fehérjetartalmú étrendet fogyaszt. Ezenkívül megtaláljuk a genotípus-specifikus válaszokat, és összekapcsoljuk ezeket a korábban megszerzett fitneszmérésekkel. A hímek viszont nem mutatnak általános táplálkozási tendenciát a párzást követően, bár összetett kölcsönhatásokat tapasztalunk a párzási reakció és az egyes légyek genotípusa között. Ezek az eredmények összességében hozzájárulnak a nemspecifikus anyagcsere megértéséhez és a fiziológiai követelményekre adott rugalmas válaszokhoz.

2. ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK

2.1. Légiállomány és karbantartás

Kísérleteinkhez a D. melanogaster laboratóriumi LHM populációt használtuk. Ez több mint 400 nem átfedő generáció számára nagy, túlnövekedett populációként fennmaradt (Chippindale, Gibson és Rice, 2001; Rice, 1996), szigorú 14 napos rendszerben, állandó lárvassűrűséggel (

Injekciós üvegenként 175 lárva) és felnőtt (56 fiola 16 hím és 16 nőstény) szakaszban. Az összes LHM-legyet 25 ° C-on, 12 órás: 12 órás világos: sötét üzemmódban, kukoricadara – melasz – élesztő – agar táptalajon tenyésztették.

Hemiklonális analízissel hat haploid genomot vettünk fel, amelyek X, II és III kromoszómából állnak (a negyedik pont kromoszómát figyelmen kívül hagyják) a populációból. A haploid genomokat rekombináció nélkül tartják fenn, és férfiakban és nőstényekben expresszálják. A kísérleti legyek egy genomi haplotípussal (itt hemiklon) rendelkeznek, amelyet az alappopulációból véletlenszerűen beszerzett kromoszómák egészítenek ki (Chippindale et al., 2001). Tekintettel arra, hogy mind a megcélzott haploid genomok, mind a komplementer genomok az LHM populációból származnak, az egyes hemiklonális légyeket tenyésznek tekintik. A kísérleti vonalakat nem véletlenszerűen választottuk ki. A választott hemiklon vonalakról kiderült, hogy a női produktivitás szintje eltérő volt egy korábbi tanulmányban, ami az LHM populációban a női fitnesz magas variációs szintjét jelzi (Camus et al., 2017). Két olyan vonalat választottunk, amelyek összességében a legmagasabb és legalacsonyabb termelékenységgel rendelkeztek (M40, illetve M55), míg a másik négy vonalat úgy választottuk ki, hogy egyenletes eloszlást jelentsen a két véglet között (M39, M8, M91, M52).

2.2. Szintetikus étrend

2.3. Diétás preferencia vizsgálat

2.4. statisztikai elemzések

Tekintettel arra, hogy a kísérleteket külön elvégezték a hímek és a nők esetében, külön elemeztük az egyes nemeket. Trigonometria segítségével megkülönböztettük a legyek által elfogyasztott élelmiszerek mennyiségét és minőségét, valamint azok változását a párzási állapottal (1. ábra). Az elfogyasztott élelmiszer számszerűsítéséhez kiszámítottuk egy vektor hosszát az origótól (0,0) kezdve a szénhidrát – fehérje síkon lévő pontig, leírva az egyének ismétlődő triójának mért fogyasztását. Az elfogyasztott ételek minőségének számszerűsítéséhez kiszámítottuk az egyes fogyasztási vektorok és az x tengely között létrehozott szöget (α). A szög értéke jelzi a fehérje vagy a szénhidrát preferenciáját. Például, ha az α 45 ° jelzi a szénhidrát étrendi preferenciáját (1. ábra).

(a) Az elfogyasztott élelmiszer szemléltető ábrázolása mennyiség (a vektor hossza egy adott adatpontig - piros pont) és a minőség (a vektor szöge) szempontjából. (b) Étrendi eltolódások, amelyeket a vektor szöge (α) képvisel. Az α 45 ° értékek előnyben részesítik a szénhidrát (vörös pont) magasabb koncentrációját az étrendben

Annak eldöntésére, hogy a férfi és a női táplálkozási választás függ-e párzási állapotuktól és genotípusuktól, a vektor hosszúságait és szögeit többváltozós varianciaanalízisnek vetettük alá (MANOVA). Először egy előzetes modell futtatásával távolítottuk el a „kísérleti blokk” hatását, amelynek válaszhossza és szöge a válaszváltozóként, a blokk pedig fix hatásként. Ezután kivontuk ennek a modellnek a maradványait, és válaszváltozóként használtuk őket a fő elemzéshez. A fő modellben a vektorok (maradék) hossza és szöge volt válaszváltozó, rögzített hatásként a párzási állapot és a genotípus. Kétlépcsős modelles megközelítésünk megkerüli azt a tényt, hogy nem lehet többváltozós varianciaanalízist véletlenszerű hatásokkal modellezni Bayes-statisztikák nélkül. Kétlépcsős modell-megközelítéssel először egy előzetes modellben eltávolíthattuk adatainkból a „blokk” véletlenszerű hatását, majd megmértük a „genotípus” és a „párzási állapot” hatását az előzetes modell maradványaira.

Tekintettel arra, hogy ahelyett, hogy a populációból véletlenszerűen vettünk volna mintát, a női fitnesz alapján választottunk genotípusokat, rögzített hatásként a genotípust is felvettük. Követtük a MANOVA-t, minden válaszváltozó esetében külön egyváltozós varianciaanalízissel (ANOVA). Az egyváltozós elemzéseket követően Tukey post hoc tesztjeivel azonosítottuk az étrend mennyiségében és minőségében egymástól szignifikánsan eltérő genotípusokat. Az összes elemzést az R 3.3.2 verzióban hajtottuk végre (Team, 2016).

3. EREDMÉNYEK

A nők esetében a párzási állapotnak az étrend választására gyakorolt jelentős hatását találtuk a teljes többváltozós modellben (Pillai nyom = 0,73657, kb. F = 313,160, p 1). Adataink szintén jelentős genetikai különbségeket tártak fel az étrendválasztás terén a teljes többváltozós modellben (Pillai nyom = 0,41642, kb. F = 11,833, p 1) és a párzás által kiváltott étrendi elmozdulások genetikai variációiban (genotípus × státusz: Pillai nyom = 0,21154, kb. F = 5,323, p 1). Az egyváltozós elemzések azt mutatták, hogy a genotípusok között a párzás növelte az elfogyasztott élelmiszer mennyiségét, és az összes genotípus megváltoztatta étrendi minőségét, hogy magasabb fehérje-koncentrációkat fogyasszon (hossz: F = 618,8995, p 2 és and3, 3, 1. táblázat; A1. Ábra a függelékben. S1). Ezenkívül post hoc elemzések segítségével boncolni tudtuk ezt a genotípusos választ. Például az M40 genotípus mutatta a legnagyobb választ a párzásra azáltal, hogy több ételt fogyasztott, mint az összes többi vonal, és szignifikánsan nagyobb a fehérjekapcsolása, mint a többi genotípusnak (2. és 3. ábra; S1. Függelék A4 és A5 táblázat).

Genotípus-specifikus táplálkozási válasz a párzásra nőstényeknél (balra) és férfiakra (jobbra), a fehérje (x tengely) és a szénhidrát (y tengely) beviteleként (átlag ± SE). Tekintettel a táplálkozási preferenciák skálájának különbségére a nemek között, megrajzoltuk a férfi értékeket (szürke adatpontok) a női ábrán is, hogy nyilvánvalóvá váljanak a nemek közötti különbségek

Genotípus-specifikus étrendi válaszok a párzásra nőknél (felső) és hímeknél (alul), a genotípus-specifikus vektor szögének (élelmiszerminőség, x-tengely) és hosszának (élelmiszer-mennyiség, y-tengely) átlag ± SE-ként mérve. Tekintettel a táplálkozási preferenciák skálájának különbségére a nemek között, megrajzoltuk a férfi értékeket (szürke adatpontok) a női ábrán is, hogy nyilvánvalóvá váljanak a nemek közötti különbségek

Asztal 1

A többváltozós (MANOVA) és az egyváltozós (ANOVA) kimenetek eredményei minden nem esetében

Nő férfiMANOVA df Pillai F numDFdenDFPr (> F) df Pillai F numDFdenDFPr (> F)

Állapot	1	0.73657	313.160	2	224	F) df Összesen SqMean Sq F Pr (> F)
Állapot	1	3 739,7	3.739.7	29.4489	1) a teljes többváltozós modellben. Jelentős különbségeket találtunk a fogyasztásban a genotípusok (Pillai nyom = 0,231438, kb. F = 5,1036, p 1) és a párzási állapot-genotípus közötti kölcsönhatás között (Pillai nyom = 0,1117975, kb. F = 2,4447, p =, 008, ábra 2. táblázat, 1. táblázat). Az egyváltozós elemzésekből kiderült, hogy a jelentőséget inkább az étrend-fogyasztás (a vektor hossza) vezérli, mint az étrendi választások (a vektor szöge). Noha nem találtunk szignifikáns hatást az egyváltozós modellben, ahol a szög válaszváltozó volt, megtaláltuk a genotípust (F = 29.9.769, p 1). A nőstények esetében az ezeken a légyvonalakon gyűjtött korábbi adatokból (Camus és mtsai, 2017) tudjuk, hogy az M40 hemiklonális vonal mutatja a legmagasabb szintet az összes tojástermelésben, míg az M55 az összes hemiklonális vonal közül a legkisebb termékenységet mutatja. Jelenlegi adataink azt mutatják, hogy mind az étrend mennyisége, mind minősége nagyon eltér egymástól (2. ábra), az M40 vonal lényegesen több ételt fogyaszt, mint az M55 (A4 és A5 táblázat az S1 függelékben). Az M40 vonal az étrend minőségében is nagyobb eltérést mutat az M55-höz képest, és úgy dönt, hogy a párzás után fehérjében gazdagabb étrendet fogyaszt. Bár kvalitatív érvünk alátámasztására nem tudtunk szignifikáns összefüggést észlelni a jelenlegi viselkedési vonásaink és a korábban megszerzett fitneszadataink között (A6. Táblázat az S1. Függelékben), mégis megjegyezzük, hogy alacsony a genotípus mintaméretünk (N = 6). Érdekes lenne tovább megvizsgálni ezt a kapcsolatot a táplálkozás és a fitnesz között annak feltárásával, hogy a vonalak közötti fitnesz különbségek tápanyag-érzékelési útvonalak vagy hatékonyabb anyagcsere (vagy mindkettő) következményei egy nagyobb genotípus-panelen. Mindazonáltal eredményeink arra utalnak, hogy a légy anyagcsere útjai szorosan kapcsolódnak a tápanyag-érzékelő génekhez, mivel a legyek aktívan választanak étrendi ételeket genotípusuk, párzási állapotuk és nemük alapján. Következésképpen ez a folyamat visszacsatoló hurkot generál a szaporodási igények (szaporodási állapot) és a tápanyag-megszerzés (étrend-preferencia) között genotípusfüggő módon.

Habár fehérje étrendünk többnyire tisztított aminosavakból, valamint vitaminok/ásványi anyagok/lipid pufferből állt, 4% élesztő kivonatból származó szénhidrátot tartalmazott. Erre azért volt szükség, mert előzetes adataink alapján megállapították, hogy a legyek nem esznek tisztán aminosavakból készült tisztán szintetikus fehérjetartalmú étrendet, ami azt sugallja, hogy a holidikus közegből hiányozhat a legérzékenyebb érzék a légy számára. Noha nem tudjuk teljesen szétválasztani a szénhidrát lehetséges hatásait fehérjetartalmunkban, ennek az étrendnek sokkal nagyobb a fehérjekoncentrációja (> 90%: aminosavak, vitaminok/ásványi anyagok/lipid puffer, élesztő kivonat), mint az összes korábbi tanulmány (

42%: élesztő kivonat), így tanulmányunk informatívabb a fehérje étrendi preferenciákra gyakorolt hatásáról.

Összegzésképpen megfigyelhetünk egy táplálkozási váltást a párzásra reagálva, amelynek során a legyek a párzás eredményeként megváltoztatták az előnyben részesített étrend mennyiségét és minőségét is. Noha nagyobb reakciót figyeltünk meg a nőknél, mindkét nem jelentős genotípusos varianciát mutatott az étrend megválasztásában. Ezek az eredmények összhangban vannak a közzétett adatokkal, amelyek szerint a nőstények megnövelik a párzást követően elfogyasztott étrend mennyiségét, a makrotápanyagok egyensúlyának általános eltolódásával a fehérje magasabb koncentrációjára (Corrales-Carvajal et al., 2016; Ribeiro & Dickson, 2010; Vargas és mtsai., 2010). Adataink arra utalnak, hogy a D. melanogaster anyagcsere-feldolgozásában és/vagy a tápanyagok szignalizációjában genotípusos eltérések vannak, ami végső soron változást okoz a fitneszben. A jövőbeni kutatásoknak arra kell összpontosítaniuk, hogy azonosítsák azoknak az anyagcsere-utaknak a genetikai felépítését, amelyekre a szelekció képes hatni, és megvizsgálják, hogy a szelekció hogyan hat az egyes nemek étrendi döntéseire.

VERSENY ÉRDEKEK

Kijelentjük, hogy nincsenek versengő érdekeik.

A SZERZŐK HOZZÁJÁRULÁSA

Az MFC, az MR és a KF megalkotta a vizsgálatot, elemezte az adatokat és megírta a kéziratot. Az MFC és a CCH végezte a kísérletet.