Leeann T. Reaney

Școala de Științe Biologice și Chimice, Queen Mary, Universitatea din Londra, Mile End Road, Londra, Regatul Unit,

Robert J. Knell

Școala de Științe Biologice și Chimice, Queen Mary, Universitatea din Londra, Mile End Road, Londra, Regatul Unit,

Conceput și proiectat experimentele: RK LR. A efectuat experimentele: LR RK. Analiza datelor: RK. Reactivi/materiale/instrumente de analiză contribuite: LR RK. A scris lucrarea: RK LR.

Date asociate

Datele sunt arhivate la depozitul Dryad, doi: 10.5061/dryad.n6c6.

Abstract

Introducere

Cercetările privind rolul selecției sexuale ca motor al evoluției au condus la cunoștințe despre multe dintre cele mai fascinante aspecte ale sistemului de împerechere și ale biologiei reproducerii [1-3]. În cazul trăsăturilor selectate sexual utilizate în selecția intrasexuală, știm că bărbații din multe specii fie prezintă trăsături selectate sexual între ei în timpul concursurilor [4], ca și în cazul ochilor muștelor diopsidice [5] și a pălăriilor purtate de șopârlele Anolis. [6], sau folosiți-le activ ca arme, dintre care exemple includ coarne și coarne purtate de bovide [7] și gândaci [8]. Știm, de asemenea, că atunci când doi bărbați care poartă astfel de structuri concurează, deseori este cel cu trăsătura mai mare care câștigă și că de cele mai multe ori aceste trăsături de semnal selectate sexual par a fi semnale oneste ale capacității de a câștiga concursuri (adesea generalizate la „ potențial de păstrare a resurselor ”sau RHP, [9,10], deși nu întotdeauna [11].

Cercetări recente care pun un accent pe morfologia funcțională și pe mișcarea dinamică și măsurile de performanță conexe, denumită „abordarea funcțională” a selecției sexuale [12,13] a început să arate lumina asupra modului în care aceste semnale ar putea indica RHP. La șopârlele Anolis, de exemplu, masculii se mușcă reciproc în timpul luptelor, iar dimensiunea semnalului selectat sexual, pălăria, este corelată cu forța mușcăturii [14,15]. Gândacii de bălegar masculi își cuprind coarnele unul cu celălalt și împing oponenții lor în tuneluri, iar lungimea cornului pare a fi un corelat mai bun al puterii chiar și decât mărimea corpului [16,17]. Atunci, în aceste sisteme, se pare că cel puțin o componentă a RHP care este semnalată de trăsătura selectată sexual este puterea, ceea ce ne conduce la întrebarea cum apare și se menține legătura dintre semnal și putere.

O parte a răspunsului constă în observația că multe trăsături selectate sexual prezintă „dependență de condiție”, ceea ce înseamnă că sănătatea și bunăstarea generală a purtătorului pare să aibă un efect disproporționat asupra trăsăturilor selectate sexual. Acest lucru a fost demonstrat experimental prin studii care au descoperit că astfel de trăsături răspund mai mult la aspecte ale mediului și biologiei purtătorului, cum ar fi dieta sau consangvinizarea, decât la alte trăsături [18,19]. În ultimii câțiva ani au apărut dovezi care indică faptul că această dependență a afecțiunii ar putea fi mediată de calea de semnalizare asemănătoare insulinei (ILS). Această cale este unul dintre cei mai importanți actori în controlul creșterii și dimensiunii corpului și s-a demonstrat că coarnele selectate sexual ale gandacului rinocer japonez, Trypoxylus dichotomus sunt considerabil mai sensibile la ILS decât sunt alte părți ale corpului ca aripi sau organe genitale [19,20], cu dovezi similare care apar acum din sisteme precum alte specii de gândaci, muște diopside, cerbi și pești cu coadă de spadă [19]. Având în vedere că nivelurile de peptide asemănătoare insulinei (ILP, moleculele de semnalizare pentru această cale la nevertebrate) într-un organism sunt strâns legate de condiție, țesuturile care sunt deosebit de sensibile la calea ILS vor prezenta dependența de condiție ca o consecință.

Aici, folosind gândacul de bălegar cu coarne Euoniticellus intermedius ca organism model, investigăm întrebarea cu privire la modul în care disponibilitatea resurselor în timpul etapelor larvare și adulte ale vieții unui animal determină expresia unui număr de trăsături importante, inclusiv dimensiunea semnalului, dimensiunea corpului, greutatea, rezistența și masa testiculelor. Gândacii de balle sunt animale deosebit de potrivite pentru astfel de experimente, deoarece mama face bile de puiet, fiecare conținând un singur ou (la această specie), astfel încât resursele disponibile larvei sunt strict limitate la cele furnizate de mamă, ceea ce înseamnă că este ușor de măsurat și pentru a manipula resursele larvare disponibile.

Materiale și metode

Euoniticellus intermedius este un gândac mic (aproximativ 1cm lungime), originar din Africa de Sud, dar introdus acum în Australia și America. Femelele îngropă balegă sub pături pentru a forma bile de puiet și depun un singur ou în fiecare. Larvele de gândaci se hrănesc exclusiv cu balegele conținute într-o singură bilă de puiet și, după ecluzie, se angajează într-o perioadă de hrănire care durează aproximativ două săptămâni înainte de a deveni mature sexual (Knell, observații nepublicate). Masculul E. intermedius luptă pentru accesul la femele folosind un corn scurt pe clipe [28], iar dimensiunea cornului este strâns corelată atât cu puterea, cât și cu rezistența la aceste animale [16]. Mărimea corpului și lungimea cornului acestor animale se află atât sub control genetic, cât și sub controlul mediului, prin disponibilitatea resurselor pentru larva în curs de dezvoltare, dar aceasta din urmă pare a fi considerabil mai importantă decât prima, eritabilitatea lungimii cornului fiind estimată la 0,12 la această specie (Head, M și Knell, R., nepublicat). Acești gândaci au, de asemenea, pronoturi dimorfice sexual, cu vârful pronotului masculin extins înainte deasupra capului (vezi figura A din fișierul S1).

Pentru experimentul descris aici, bile de puiet proaspăt făcute au fost colectate dintr-o mare cultură de laborator care a fost inițial începută cu animale colectate în Queensland, Australia în 2007 și menținută la 28 ° C cu un ciclu de lumină: întuneric de 12:12 h folosind metodele descrise. în [29]. Pentru a se asigura că a existat un grad bun de variabilitate în cantitatea de resurse larvare disponibile, bilele de puiet au fost cântărite folosind o balanță Sartorius BP-221S și alocate aleatoriu fie pentru o îndepărtare a gunoiului de grajd, fie pentru un tratament fără îndepărtare. Primilor li s-a îndepărtat 25% din greutate, reducând astfel cantitatea de alimente disponibilă larvelor în curs de dezvoltare. Bilele de puiet în tratamentul fără îndepărtare au avut 25% din greutatea lor îndepărtată și apoi atașate din nou la bila de puiet.

Gândacii au fost apoi uciși cu acetat de etil și fotografiați cu ajutorul unei camere digitale (Nikon Coolpix 950) montată pe un microscop de disecție, iar imaginile luate au fost utilizate pentru a obține măsurători pentru lungimea elitronului, lungimea pronotului și lungimea cornului utilizând software-ul de analiză a imaginii ImageJ (v 1.45, disponibil de pe http://imagej.nij.gov/ij). Testiculele au fost disecate din gândacii masculi, cântărite și așezate înapoi în corpul animalului. Conținutul total de grăsime al fiecărui gândac este determinat prin utilizarea unui aparat Soxhlet [31]. Conținutul de grăsime oferă o măsură a energiei totale stocate de animal, care este strâns legată de definiția originală a lui Rowe și Houle [32] a „stării” ca ansamblu total de resurse disponibile pentru alocarea trăsăturilor de îmbunătățire a fitnessului. Conținutul de grăsime este adesea folosit ca măsură a stării [33-35] și unii autori au susținut că conținutul de grăsime ar trebui să fie legat de succesul împerecherii [35,36] (definiția NB Rowe și Houle nu menționează în mod explicit „energia”, deși este uneori a afirmat că da, de exemplu [37]). Un total de 98 de gândaci masculi și 93 de femele au fost măsurați în acest fel.

Analiza datelor

Analiza datelor exploratorii a constatat că lungimea cornului a fost foarte strâns corelată cu lungimea pronotului la bărbați (r Pearson = 0,91). Aceasta înseamnă că includerea ambelor variabile explicative într-un model va provoca probleme datorate multicoliniarității și, în consecință, modelele de cale au fost prevăzute cu doar lungimea cornului inclus.

Toate modelele de cale au fost montate folosind pachetul Lavaan (v 0,5-17, [40,41] rulează în R v3.01. În urma unei potriviri inițiale a modelului, a fost produs un model minim prin eliminarea termenilor nesemnificativi și adăugarea de termeni care nu au fost incluși anterior când indicii de modificare [38] au sugerat că includerea acestor termeni ar duce la o creștere semnificativă a puterii explicative a modelului. Datele de la bărbați și femele au fost analizate separat, deoarece femelele nu au coarne sau testicule, dar există, de asemenea, câteva contraste interesante între bărbați și femele și acestea au fost prezentate folosind rezultatele de la modele liniare normale.

Două măsuri de bună-potrivire sunt prezentate în rezultate, ambele fiind în realitate măsuri de „rău de potrivire”, astfel încât valorile apropiate de zero sunt indicative ale unui model bine adaptat. Una este statistica minimă de testare a funcției, care este calculată ca n-1 înmulțită cu valoarea minimă a estimatorului de probabilitate maximă din funcția de potrivire, iar cealaltă este eroarea de aproximare pătrată medie a rădăcinii (RMSEA). Prima este o măsură standard utilizată în analiza căii și care este de obicei exprimată ca rezultat al unui test chi-pătrat care compară valoarea cu zero, deci este de dorit o valoare p ridicată. Această măsură este oarecum dependentă de dimensiunea eșantionului, totuși, așa că prezentăm și RMSEA, care ia în considerare dimensiunea eșantionului. Valorile RMSEA 1 sugerează o potrivire slabă. [38].

Rezultate

Comparând puterea gândacilor masculi și feminini

Deși gândacii femele erau puțin mai mici decât masculii cu lungimi de elitre care erau, în medie, cu 0,01 mm mai scurte (testul t comparând lungimile elitrelor, t = 3,48, 185df, p = 0,0006), gândacii femele erau semnificativ mai puternici decât masculii (t = 2,583, df = 166, p = 0,0107, test efectuat folosind valori transformate în log pentru rezistență la stabilizarea varianțelor). În medie, gândacii masculi pot rezista la o forță de tracțiune de 39,96N, în timp ce femelele ar putea rezista la o forță de 45,86N. Acest model a rămas atunci când dimensiunea corpului a fost controlată prin includerea lungimii elitrelor într-un model (Sex F1,165 = 20,5 p Fig. 1 prezintă diagramele de cale pentru modelele finale după perfecționarea modelului prin eliminarea variabilelor care au avut un efect redus sau deloc asupra puterii și prin adăugarea variabilelor indicate de indicii de modificare. Detaliile complete ale analizei pot fi găsite în materialul suplimentar online, la fel ca și diagramele modelelor inițiale de cale care au fost montate (figurile C și E în fișierul S1). pentru bărbați indicați un model bine adaptat [38], cu o valoare p pentru statistica minimă de testare a funcției de 0,555, care este departe de 0,05, și o eroare pătrată medie de rădăcină de aproximare (RMSEA), care este fie zero, fie foarte apropiată la acesta (estimare = 0, 95% IC 0-0.118) Măsurile potrivite pentru modelul pentru femei nu sunt la fel de bune (statistica minimă a testului funcțional p = 0.190, estimarea RMSEA = 0.08, 95% CI 0-0.306), dar sunt în limite satisfăcătoare.

construirea

Liniile solide indică relații pozitive, liniile întrerupte negative, săgețile cu dublu cap indică corelația (adică nu există ipoteze despre cauzalitate), iar lățimea liniei este proporțională cu forța relației. Numerele de lângă săgeți indică coeficienți de regresie sau de corelație calculați din variabile predictive standardizate. Conținutul de proteine ​​hemolimfă, conținutul global de grăsimi și tratamentul dietelor pentru adulți nu au fost reținute în niciunul dintre modele și, prin urmare, nu sunt prezentate.

Acest model complex pentru performanța masculină poate fi rezumat după cum urmează: dimensiunea cornului, dimensiunea corpului (așa cum se indică prin lungimea elitrelor) și greutatea la eclosie sunt puternic corelate pozitiv cu cantitatea de resurse disponibile larvei în curs de dezvoltare (greutatea mingii de puiet). Gândacii mari și gândacii cu coarne mai lungi se dezvoltă puțin mai repede decât animalele mici sau cele cu coarne scurte. După ecluzie, gândacii mari câștigă puțin mai mult în greutate în timpul hrănirii maturizării, dar lungimea cornului este de departe cel mai important predictor al creșterii în greutate. Gândacii care erau relativ grei atunci când au închis câștigă ceva mai puțin greutate. Gândacii relativ mari sunt oarecum mai puternici, dar cel mai bun predictor al puterii este cantitatea de greutate câștigată după ecluzie.

Puterea maximă este, de asemenea, corelată negativ cu greutatea mingii de puiet într-un grad mai mic, indicând faptul că gândacii care au ieșit din bile de puiet relativ grele pentru dimensiunea și lungimea cornului tind să fie puțin mai puternici.

Conținutul de grăsime și masa testiculelor

Modelele de cale inițiale care au fost adaptate pentru a explica conținutul de grăsime corporală feminină și conținutul de grăsime corporală masculină și masa testelor (a se vedea figurile G și I din fișierul S1) au fost similare modelelor inițiale utilizate pentru a explica rezistența maximă prezentată în Fig 1, cu diferențele fiind în primul rând că rezistența maximă pentru bărbați a fost înlocuită cu masa testiculelor în modelul inițial, iar pentru femei această variabilă a fost eliminată. În al doilea rând, relațiile dintre masa testelor, conținutul de grăsime și concentrația de proteine ​​hemolimfice au fost modelate mai degrabă ca corelații decât ca relații cauzale. Fig. 2 prezintă diagramele de trasee pentru modelele montate după rafinarea modelului. În ambele cazuri, diferitele măsuri de potrivire indică modele bine adaptate (femele: statistică minimă de testare funcțională p = 0,420, RMSEA 95% CI 0-0,0109, bărbați: statistică minimă de testare funcțională p = 0,823, RMSEA 95% CI 0-0,3535).

Liniile solide indică relații pozitive, liniile întrerupte negative, săgețile cu dublu cap indică corelația (adică nu există ipoteze despre cauzalitate), iar lățimea liniei este proporțională cu forța relației. Numerele de lângă săgeți indică coeficienți de regresie sau de corelație calculați din variabile predictive standardizate.

Modelul de cale finală pentru conținutul de grăsime feminină (Fig. 2A) arată legăturile preconizate între disponibilitatea resurselor larvare (greutatea bilei de puiet) și ambele dimensiuni (lungimea elitrelor) și greutatea gândacilor feminini. Ca și în cazul modelului de cale pentru rezistența masculină, există un efect negativ mic al timpului de dezvoltare asupra lungimii elitrelor, indicând faptul că gândacii mai mari se dezvoltă puțin mai repede decât cei mai mici. Atât lungimea elitrelor cât și greutatea la ecluziune au efecte indirecte asupra conținutului de grăsime, mediată de creșterea în greutate în timpul hrănirii la maturare, iar greutatea la ecloziune are, de asemenea, un efect direct pozitiv asupra conținutului de grăsime. Cealaltă influență importantă asupra conținutului de grăsimi este dieta pentru adulți: animalele care au primit o dietă restricționată au avut un conținut substanțial redus de grăsimi.

Atunci când se iau în considerare ambele teste de masă și conținutul de grăsime la bărbați (Fig. 2B), creșterea în greutate după ecluziune ocupă din nou un rol central în determinarea valorilor ambelor variabile. Modelul de cale care duce la creșterea în greutate este similar cu cel observat anterior pentru rezistența maximă, cu lungimea cornului, el însuși determinat de disponibilitatea resurselor larvare și oarecum legat negativ de timpul de dezvoltare, fiind de departe cel mai important predictor al creșterii în greutate. La fel ca în cazul femelelor, dieta pentru adulți este legată de conținutul de grăsimi, iar animalele care au primit o dietă restricționată au avut un conținut semnificativ mai mic de grăsimi decât cele cărora li s-a administrat o dietă ad-libitum. Masa testelor este corelată pozitiv cu conținutul de grăsime, astfel încât există un efect indirect al dietei adulte asupra masei testelor, dar acest lucru este mic, deoarece corelația este slabă. În cele din urmă, timpul de dezvoltare este slab corelat pozitiv cu masa testiculelor: gândacii mari și cei cu coarne mai lungi se pot dezvolta mai repede, dar odată ce acești factori sunt controlați, animalele care necesită mai mult timp pentru a se dezvolta au testicule mai mari.

Discuţie

Conținutul total de grăsimi a fost afectat atât de nutriția larvelor, cât și de cea a adulților, dar, în timp ce a fost asociată cu masa testiculelor, nu a avut legătură cu puterea, nici la bărbați, nici la femei. Acest lucru indică faptul că în E. intermedius cel puțin conținutul total de grăsime este probabil doar un indicator al anumitor aspecte legate de fitness ale biologiei unui animal. Utilizarea „indicilor de stare” și, de asemenea, a conținutului de lipide ca indicator general al aptitudinii sau calității a fost recent criticată pe motiv că (printre altele) conținutul de grăsime nu este neapărat un indicator al aptitudinii [34], iar data noastră oferiți sprijin suplimentar pentru acest argument.

Hrănirea posteclosie, denumită adesea „hrănirea maturizării”, a fost istoric studiată în mare măsură în ceea ce privește relația sa cu producția reproductivă feminină. Acest studiu demonstrează că hrănirea maturării este, de asemenea, importantă în determinarea stării de sănătate a bărbaților și că în E. intermedius cel puțin efectul hrănirii maturării poate fi el însuși o consecință a disponibilității resurselor larvare. Studiile viitoare ale compromisurilor mediate de resurse și ale trăsăturilor importante, cum ar fi performanța și masa testelor la insecte, vor trebui să ia în considerare hrănirea maturării ca un factor potențial important și ar trebui să examineze în mod ideal efectele nutriției pe parcursul ciclului de viață al unui animal, mai degrabă decât în ​​timpul unei etapa de viață unică.

informatii justificative

Fișier S1

Detalii complete și cod pentru analiza traseului și alte analize descrise în lucrare. Include zece cifre, inclusiv analize exploratorii (figurile A&B) și diagrame pentru toate modelele de trasee inițiale și finale (figurile C-J).