Subiecte

Abstract

Introducere

Materiale și metode

Studiați animalele

Toate procedurile au fost efectuate cu aprobarea Comitetului de etică animală a Universității din Sydney (numărul de aprobare L04/1–2013/3/5907) și confirmăm că toate metodele au fost efectuate în conformitate cu orientările și reglementările relevante. Guppies (Poecilia reticulata) sunt o specie model ideală pentru acest studiu, deoarece se reproduc rapid și descendenții se dezvoltă rapid; în condițiile noastre experimentale, gupii au atins maturitatea sexuală în decurs de 2-3 luni și s-au reprodus în decurs de 3-4 luni. Guppii au fost obținuți dintr-o populație sălbatică din Teritoriul de Nord, Australia (12 ° 25´S, 130 ° 50´E). Peștii au fost păstrați în rezervoare de plastic (645 × 423 × 276 mm) cu o densitate de 1-2 pești pe litru la 25-26 ° C cu un ciclu de lumină de 12 h întuneric: 12 h. Peștii au fost hrăniți de două ori pe zi cu fulgi de pește (Wardley Tropical Fish Flakes, The Hartz Mountain Corporation, Secaucus, NJ, SUA). Există un filtru de aer (filtru de burete biochimic, Age of Aquariums, Australia) conectat la o pompă de aer (AC-9908; Resun, China) în fiecare rezervor. Am crescut pești sălbatici în aceste condiții și le-am folosit descendenții ca pești părinți în experimente (Fig. 1).

plasticității

Schema schematică a experimentelor. Am obținut guppi (Poecilia reticulata) din sălbăticie (generația F-1) și le-a crescut în captivitate. Am folosit descendenți din prima generație din populația sălbatică ca generație experimentală parentală (F0). Am plasat pești F0 ca tineri în două tratamente de temperatură (22-23 ° C [23 ° C] și 29-30 ° C [29 ° C]). Pentru Experimentul 1, care a avut ca scop testarea efectelor termice cumulative ale temperaturilor de dezvoltare între generații, am crescut F0 pentru alte trei generații (F1 la F3) în condiții constante (23 și 29 ° C). Pentru a testa dacă există efecte bunicale în diferite medii (Experimentul 2), am crescut și am crescut pești F1 din tratamentele de 23 și 29 ° C (temperaturile bunicilor) la 26 ° C (F2, temperaturile parentale), astfel încât orice diferențe în descendenții (F3) trebuie să fi provenit din generația bunicilor. Toți peștii experimentali au fost aclimatizați la 26 ° C timp de trei săptămâni pentru a elimina orice efect al aclimatizării reversibile înainte de a măsura răspunsurile fenotipice (performanța înotului și ratele metabolice) la diferite temperaturi de testare (18, 26, 32, 36 ° C).

Proiectare experimentală: Experimentul 1

Înainte de a măsura răspunsurile fenotipice, am aclimatizat peștii de la ambele temperaturi de dezvoltare timp de trei săptămâni la o temperatură comună a grădinii (26 ° C) pentru a elimina efectele potențiale ale aclimatizării termice reversibile, care ar putea masca efectele plasticității dezvoltării în sine 24, 25. Am plasat peștii imaturi selectați pentru experimente în tancuri de același sex pentru tratamentele comune în grădină, iar peștii s-au maturizat în perioada de aclimatizare de trei săptămâni.

Am măsurat Ucrit și ratele metabolice pe o gamă de temperaturi acute de testare (18, 26, 32 și 36 ° C). Am ales aceste temperaturi de test pe baza studiilor preliminare care măsoară Ucrit la peștii care nu au fost folosiți în altă parte în experiment. Scopul nostru a fost să alegem temperaturi de testare acute care să cuprindă temperaturile de dezvoltare și să scadă de ambele părți ale temperaturii la care a avut loc performanța maximă, dar fără a deteriora peștii. În acest caz, performanța înotului a scăzut la 36 ° C în toate grupurile experimentale, dar ratele metabolice nu. Cu toate acestea, am decis să nu creștem temperaturile de testare pentru a evita dăunarea peștilor.

Proiectare experimentală: Experimentul 2

Aici ne-am propus să testăm dacă mediul bunicilor a influențat fenotipurile atunci când mediul s-a schimbat între generațiile bunicilor și părinți. Am crescut pești la 22-23 ° C și la 29-30 ° C până la generația F1 așa cum s-a descris mai sus. Apoi am crescut și am crescut F1 juvenil la 26 ° C până la generația F2 (Fig. 1). Prin urmare, generația F2 a fost derivată din diferite temperaturi bunicale (23 ° C și 29 ° C tratamente bunicale), dar aceeași temperatură parentală (26 ° C), care ne-a permis să detectăm orice efecte bunicale asupra fenotipilor descendenților F3. Am măsurat răspunsurile fenotipice (performanță locomotorie susținută [Ucrit] și rate metabolice maxime și de repaus [vezi mai jos]) la opt bărbați și opt femele din fiecare tratament de temperatură bunică (23 ° C temperatura bunicilor: femele, lungime 0,015 ± 0,00098 m, masă 0,086 ± 0,019 g, masculi, lungime 0,015 ± 0,00053 m, masă 0,074 ± 0,010 g, 29 ° C temperatură de dezvoltare: femele, lungime 0,017 ± 0,00022 m, masă 0,074 ± 0,0042 g, bărbați: 0,017 ± 0,00044 m, masă 0,072 ± 0,0023 d).

Performanță de înot

Rata metabolica

Am măsurat concentrația de oxigen a unei camere goale în timpul tuturor încercărilor pentru a verifica alte surse posibile de consum de oxigen și, atunci când este necesar, am scăzut consumul de oxigen din camera goală din datele peștilor. Toate respirometrele au fost uscate după utilizare și curățate în mod regulat, astfel încât efectele de confuzie să fie minime. Domeniul metabolic a fost calculat ca diferență între ratele metabolice maxime și cele de repaus. Raportăm rezultatele pentru domeniul metabolic în textul principal, deoarece este cel mai relevant din punct de vedere funcțional și raportăm ratele maxime de odihnă și consumul maxim de oxigen în material suplimentar, deoarece acestea sunt măsurătorile care arată modul în care au fost derivate valorile domeniului metabolic.

Analize statistice

În analiza experimentului 1, am folosit generația (F1, F2, F3), temperatura de dezvoltare (23 sau 29 ° C), temperatura de testare acută (18, 26, 32, 36 ° C) și sexul (masculin și feminin) ca factori fixi. În Experimentul 2, am folosit temperatura de dezvoltare a bunicilor (23 sau 29 ° C), sexul și temperaturile acute de testare ca factori fixi. Am folosit lungimea standard ca covariabilă pentru analizele performanței la înot, iar masa ca covariabilă pentru analizele ratelor consumului de oxigen. În plus, am folosit identificarea peștilor ca factor aleatoriu pentru a explica măsurile repetate ale aceluiași individ la temperaturi diferite de testare, utilizând un model de interceptare aleatorie. Când sexul a fost semnificativ, am efectuat analize de urmărire separat pentru bărbați și femei. Am analizat în continuare interacțiunile semnificative prin compararea mijloacelor marginale cu analizele permutaționale post-hoc. În analizele Ucrit am adăugat temperatura testului ca termen pătratic (Test + Test ^ 2). Spre deosebire de modelele parametrice ANOVA din R, lmPerm colectează împreună termenii corespunzători în modelele de suprafață de răspuns și produce un ANOVA corect, astfel încât „Test” în rezultatele noastre Tabelele pentru Ucrit reprezintă termenul pătratic. Nu am folosit un termen pătratic pentru analize ale ratelor metabolice, deoarece răspunsurile metabolice la temperatură au fost aproximativ liniare.

În plus, am analizat curbele de performanță termică individuale ale Ucrit pentru a testa dacă modul (adică temperatura la care apare performanța maximă) a curbelor de performanță s-a modificat ca urmare a diferitelor temperaturi de dezvoltare, ceea ce ar indica potrivirea mediului sau nepotrivirea între generații. Am determinat ecuațiile pătratice 43 la curbele de performanță termică ale peștilor individuali pentru a determina modul. De asemenea, am determinat lățimea de performanță ca intervalul de temperatură în care peștii au efectuat în 80% din maxim, așa cum este descris în 31 Am analizat modul și lățimea curbelor de performanță cu analize permutaționale ale varianței. Factorii independenți au fost aceiași ca mai sus, cu excepția temperaturii de testare, care a fost utilizată în schimb pentru a calcula curbele de performanță. Rețineți că modul și lățimea curbei de performanță au fost calculate din patru măsurători ale performanței la înot la fiecare pește. Prin urmare, poate exista o eroare asociată estimărilor, deși ne-am asigurat că aceeași persoană a efectuat probe de înot folosind același echipament pentru fiecare măsurare.

Rezultate

Experimentul 1: schimbări fenotipice între generații în medii

Performanță de înot

Bărbații au avut o performanță de înot susținută (Ucrit) mai mare decât femelele (efectul principal al sexului, Tabelul 1, Fig. 2A-B, EF) și au existat interacțiuni în trei direcții între generație, temperatura de dezvoltare, temperatura testului și sexul, generația și temperatura de dezvoltare (Tabelul 1).

În analize separate ale fiecărui sex, Ucritul femelelor a fost determinat de o interacțiune în trei direcții între generație, temperatura de dezvoltare și temperatura testului (Tabelul 2; Fig. 2A-B). Analiza mijloacelor marginale a arătat că Ucritul peștilor de la temperatura de dezvoltare de 23 ° C a fost mai mic decât cel al peștilor de la temperatura de dezvoltare de 29 ° C în generația F1 (post-hoc p 0,9; Fig. 2C). Cu toate acestea, în toate generațiile Ucrit a fost mai mare la peștii dezvoltați la 29 ° C comparativ cu cei dezvoltați la 23 ° C la toate temperaturile de testare (post-hoc toate p. Tabelul 2 Analize permutaționale ale performanței înotului și domeniului metabolic efectuate separat pentru bărbați și femele în Experimentul 1.

Ucritul masculilor a fost determinat de o interacțiune între generație și temperatura de dezvoltare (Tabelul 2; Fig. 2E, F), iar Ucrit a fost semnificativ mai mare la peștii F2 din tratamentul de 23 ° C comparativ cu tratamentul de 29 ° C (post-hoc p 0,3; Fig. 2G). În plus, o interacțiune semnificativă între temperaturile de dezvoltare și de testare (Tabelul 2) a arătat că Ucritul masculilor din tratamentul de dezvoltare la 23 ° C a fost semnificativ mai mare la 26 ° C și 36 ° C la temperaturile de testare (ambele post hoc p 0,5) comparativ cu peștii din tratamentul la 29 ° C (Fig. 2H); acest model a fost invers cu cel observat la femei (cf. Fig. 2D).

Curbele de performanță ale Ucrit au fost similare între tratamente și nu au existat diferențe semnificative între generații, temperaturi de dezvoltare sau sexe în mod (medie ± se = 30,88 ± 0,33; toate p> 0,15) sau în lățimea performanței (medie ± se = 17,16 ± 0,47; toate p> 0,12). Pe scurt, Ucrit a fost determinat de temperaturile de dezvoltare, dar acest efect s-a schimbat între generații și a diferit între sexe, deși sensibilitatea termică (curbele de performanță) nu a fost afectată de niciun factor experimental.

Metabolism

Similar cu Ucrit, răspunsurile la odihnă și ratele maxime ale consumului de oxigen (Fig. 1 suplimentară) și domeniul de aplicare metabolic (Fig. 3) au diferit între sexe (efectele principale și interacțiunile dintre sex și generație, temperatura de dezvoltare și temperatura testului), Tabelul suplimentar 1), astfel încât am analizat datele de la bărbați și femele separat. Rata metabolică maximă și de repaus atât a femeilor, cât și a bărbaților au fost determinate de interacțiuni în trei direcții între generație, temperatura de dezvoltare și temperatura de testare (Fig. Suplimentară 1, Tabelul suplimentar 1 ).

La femei, sfera metabolică a fost determinată de interacțiunile dintre generații și temperatura de dezvoltare (Tabelul 2; Fig. 3A, B) și între temperatura de dezvoltare și temperatura de testare (Tabelul 2, Fig. 3A, B). Graficele de interacțiune arată că sfera metabolică a diferit semnificativ între tratamentele de dezvoltare în generațiile F1 și F2 (ambele post-hoc p. Tabelul 3 Analize permutaționale ale performanței înotului și sfera metabolică pentru bărbați și femei în Experimentul 2.

Modul curbei de performanță termică Ucrit (Fig. 4D) a fost mai mare la bărbații din grupul bunicilor de 23 ° C decât la cei din grupul bunicilor de 29 ° C, iar inversul a fost cazul femeilor (Fig. 4E, temperatura bunicilor x interacțiunea sexuală p 0,15; Fig. 4F).

Metabolism

Consumul de oxigen în repaus a fost determinat de o interacțiune în trei direcții între sex, temperatura bunicilor și temperatura testului (Tabelul suplimentar 3; Fig. Suplimentar 3). La bărbați, consumul de oxigen în repaus s-a modificat doar cu temperatura testului (Tabelul suplimentar 4), în timp ce la femei a fost determinat de o interacțiune între temperaturile bunicilor și temperatura testului (Tabelul suplimentar 4, Fig. Suplimentar 3A, B). Ratele maxime de consum de oxigen nu au diferit între sexe, dar au fost determinate de interacțiunea dintre temperaturile bunicilor și de testare (Tabelul suplimentar 3; Fig. Suplimentar 3C, D).

Nu a existat nicio diferență semnificativă între sexe în domeniul metabolic (Tabelul 3), dar domeniul metabolic a fost determinat de o interacțiune între temperatura bunicilor și temperatura testului (Tabelul 3; Fig. 4C). În comparație cu peștii tratați cu bunicii la 29 ° C, scopul metabolic a fost mai mare la 32 ° C (post-hoc p = 0,022) și 36 ° C (post-hoc p = 0,028) la testele de temperatură la peștii derivați de la bunici crescuți la 23 ° C (Fig. 4C).

Discuţie

Diferența dintre sexele pe care le-am observat în mod constant este interesantă, deoarece arată că bărbații și femeile diferă nu numai în ceea ce privește valorile absolute ale trăsăturilor, ci și în gradul în care acele valori ale trăsăturilor sunt influențate de generațiile anterioare. Gupii masculi și feminini au traiectorii ale istoriei vieții foarte diferite și răspund diferit la procesele ecologice, cum ar fi prădarea 63. Durata de viață a bărbaților este mai scurtă decât cea a femeilor 64, astfel încât bărbații pot experimenta, de asemenea, o gamă mai restrânsă de condiții de mediu pe durata vieții, ceea ce poate face efectele anticipative (grandioase) ale părinților mai avantajoase. În plus, femeile stochează sperma care prelungește efectiv vârsta de reproducere a bărbaților dincolo de moartea individului 64. Ar fi foarte interesant să investigăm dacă depozitarea spermei modifică efectele epigenetice asupra descendenților, deoarece întârzierea fertilizării poate crește riscul unei nepotriviri de mediu.

Codurile de metilare ADN sunt stabilite în timpul gametogenezei și în timpul embriogenezei foarte timpurii 8. Există diferențe pronunțate între bărbați și femei în dezvoltarea gameților și a stării lor epigenetice 71. La grauri, de exemplu, modelele de precipitații din timpul dezvoltării timpurii au influențat modelele de metilare a ADN ale genelor receptorilor glucocorticoizi într-o manieră specifică sexului și, prin urmare, au afectat în mod diferit condiția fizică a bărbaților și femelelor 72. Prin urmare, mediul poate avea un impact diferit asupra profilurilor epigenetice ale bărbaților și femelelor și, prin urmare, poate provoca traiectorii fenotipice specifice sexului de-a lungul generațiilor. Aceste răspunsuri specifice genului sunt importante din punct de vedere experimental, deoarece trebuie făcută o distincție clară între sexe și din punct de vedere ecologic, deoarece schimbările de mediu pot avea efecte fundamental diferite asupra bărbaților și femeilor. Diferențele pe care le-am observat între sexe în ceea ce privește plasticitatea dezvoltării vor fi importante pentru a continua, deoarece acestea pot influența și dinamica populațiilor în medii în schimbare.

Este posibil ca selecția să fi jucat un rol în obținerea rezultatelor noastre, presupunând că trăsăturile fenotipice pe care le-am măsurat sunt ereditare. De exemplu, femelele care sunt mai bine adaptate genetic fie la temperatura de dezvoltare poate să fi contribuit cu o proporție mai mare de descendenți la următoarea generație. Dacă ar fi cazul, totuși, ar fi de așteptat ca modificările fenotipului să fie direcționale de-a lungul generațiilor din același mediu și că peștii să devină din ce în ce mai specializați mediului lor. Rareori am observat aceste răspunsuri în datele noastre. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că modificatorii de dezvoltare care mediază modificările epigenetice, cum ar fi ADN metiltransferazele (DNMT), au evoluat ei înșiși, astfel încât va exista întotdeauna o componentă genetică în răspunsurile epigenetice 73. În mediile care fluctuează între generații, selecția ar trebui să favorizeze modificatorii care reduc expresia fenotipică a varianței genetice subiacente, deoarece răspunsurile la selecție într-o generație ar fi dezadaptative în următoarele 44 .

Descoperirile noastre conform cărora efectele plasticității dezvoltării se manifestă diferit în diferite trăsături și sexe și nu se potrivesc neapărat cu fenotipurile descendenților cu mediul lor au implicații pentru înțelegerea evoluției plasticității dezvoltării, deoarece beneficiile nu sunt atât de clar definite precum stipulează ipoteza adaptivă predictivă., de exemplu. Mai degrabă, este posibil ca evoluția plasticității dezvoltării să fie specifică trăsăturii și să fie modificată de rolurile acelor trăsături jucate în istoria vieții.

Accesibilitatea datelor

Setul complet de date a fost trimis ca material suplimentar.