Felix Zajitschek

1 Școală de Științe Biologice, Universitatea Monash, Clayton, Victoria 3800, Australia

2 Departamentul de ecologie animală, Centrul de biologie evolutivă, Universitatea Uppsala, Uppsala 75236, Suedia

Susanne R. K. Zajitschek

3 Departamentul de biologie evolutivă, Centrul de biologie evolutivă, Universitatea Uppsala, Uppsala 75236, Suedia

4 Doñana Biological Station, Spanish Research Council CSIC, c/Americo Vespucio, s/n, Isla de la Cartuja, 41092 Sevilla, Spania

Cindy Canton

2 Departamentul de ecologie animală, Centrul de biologie evolutivă, Universitatea Uppsala, Uppsala 75236, Suedia

Grigorios Georgolopoulos

2 Departamentul de ecologie animală, Centrul de biologie evolutivă, Universitatea Uppsala, Uppsala 75236, Suedia

Urban Friberg

3 Departamentul de biologie evolutivă, Centrul de biologie evolutivă, Universitatea Uppsala, Uppsala 75236, Suedia

5 IFM Biology, AVIAN Behavioral, Genomics and Physiology Group, Linköping University, Linköping 58183, Suedia

Alexei A. Maklakov

2 Departamentul de ecologie animală, Centrul de biologie evolutivă, Universitatea Uppsala, Uppsala 75236, Suedia

Date asociate

Abstract

Restricția dietetică (DR), o reducere a aportului de nutrienți fără malnutriție, este cea mai reproductibilă modalitate de a extinde durata de viață într-o gamă largă de organisme din arborele vieții, totuși fundamentele evolutive ale efectului DR asupra duratei de viață sunt încă dezbătute pe scară largă. Teoria principală sugerează că acest efect este adaptiv și rezultă din realocarea resurselor de la reproducere la întreținere somatică, pentru a supraviețui perioadelor de foamete în natură. Cu toate acestea, un astfel de răspuns ar înceta să mai fie adaptiv atunci când DR este cronic și animalele sunt selectate pentru a aloca mai multe resurse reproducerii. Cu toate acestea, DR cronică poate crește, de asemenea, puterea selecției, rezultând în evoluția unor genotipuri mai robuste. Am evoluat muștele de fructe Drosophila melanogaster pe dietele „DR”, „standard” și „ridicate” pentru adulți în populații replicate cu generații care se suprapun. După aproximativ 25 de generații de evoluție experimentală, muștele masculine „DR” aveau o stare fizică mai bună decât bărbații din populațiile „standard” și „ridicate”. În mod surprinzător, această creștere a succesului reproductiv nu a avut un cost pentru supraviețuire. Rezultatele noastre sugerează că DR susținut selectează genotipuri masculine mai robuste, care sunt în general mai bune în conversia resurselor în energie, pe care le alocă în principal reproducerii.

1. Introducere

Restricția dietetică (DR) este până în prezent una dintre cele mai robuste intervenții care prelungesc durata de viață într-o gamă largă de organisme [1], în timp ce dietele în exces de nutrienți sunt asociate cu efecte negative [2]. În timp ce înțelegerea mecanismelor nutriționale [3] și moleculare [4] de extindere a duratei de viață sub DR a progresat imens în ultimii ani, baza evolutivă a efectului DR rămâne ambiguă [5] și au existat puține studii empirice care testează în mod explicit existența teorii. Cel mai adesea, o argumentare pentru o perioadă mai bună este implicată ca fiind cauza adaptativă pentru extinderea duratei de viață mediată de DR. Mai formal, acest lucru poate fi încadrat prin aplicarea teoriei Soma de unică folosință a îmbătrânirii [6]. Conform acestei teorii, efectul DR este un răspuns plastic adaptiv al organismelor, care optimizează condiția fizică a acestora prin realocarea resurselor lor de la reproducere la întreținere somatică și, prin urmare, la supraviețuire, atunci când resursele sunt rare [6].

Deoarece teoria realocării resurselor se bazează pe presupunerea că efectul DR este o adaptare, care permite supraviețuirea unei penurii temporare de alimente până când resursele devin din nou abundente, corolarul este că efectul DR va deveni inadaptativ dacă lipsa alimentelor este permanentă. În DR susținut, indivizii care produc mai mulți descendenți în astfel de condiții suboptime vor fi selectați mai degrabă decât indivizii care pot supraviețui mai mult. Prin urmare, evoluția în DR susținut este prevăzută să crească reproducerea și să reducă efectul DR, cu condiția să existe variații genetice permanente pentru acest răspuns plastic [7]. Pe de altă parte, evoluția în condiții de disponibilitate ridicată a resurselor nu ar trebui să se aleagă împotriva plasticității în DR pe termen scurt (observat ca efect clasic DR), cu excepția cazului în care pur și simplu purtarea genei responsabile de efectul DR este costisitoare (adică dacă există o costul plasticității [8]).

Cu toate acestea, scenariul de mai sus ignoră alte surse potențiale de selecție pe care o populație le poate experimenta în RD. Se sugerează adesea că stresul de mediu crește selecția (de exemplu [9], dar vezi [10]). Două studii recente efectuate pe diferiți taxoni ai nevertebratelor au arătat că evoluția sub stres de temperatură poate duce la evoluția corelată a creșterii fecundității, însoțită de o durată de viață crescută sau nealterată [11,12]. DR este o formă de factor de stres al mediului și, prin urmare, ar putea duce la o selecție mai puternică a calității genetice, comparativ cu atunci când nutriția este mai abundentă.

Mai mult, Adler și Bonduriansky [5] au propus recent o nouă teorie controversată, care susține că efectul DR poate fi un produs secundar neselectat al maximizării reproducerii în timpul foametei. Mai exact, această teorie sugerează că efectul DR este condus de un mecanism de reciclare a nutrienților extrem de conservat, autofagia, care maximizează utilizarea resurselor interne pentru reproducere în lipsa alimentelor și ca un produs secundar extinde durata de viață a organismelor în condiții de laborator protejate. Conform acestei ipoteze, evoluția sub DR susținută se va selecta pentru indivizii care sunt mai capabili să convertească cantități mici de energie disponibilă în reproducere, ducând astfel la evoluția reproducerii crescute în DR pe termen lung însoțită de evoluția unei durate de viață crescute.

2. Metode

(a) Proiectare experimentală

(i) Crearea și menținerea cuștilor populației cu evoluție experimentală

Evoluția experimentală s-a dovedit a fi una dintre cele mai valoroase metode experimentale pentru a studia evoluția în laborator [13]. Cu toate acestea, există și probleme potențiale asociate cu această abordare experimentală. Expunerea la un mediu nou, consangvinizarea și selecția pe termen lung pot contribui la obținerea unor compromisuri subiacente [14]. Deși evoluția experimentală prin definiție implică întotdeauna expunerea la un mediu nou, populațiile noastre experimentale au fost expuse unui protocol de cultivare apropiat de cel experimentat de populația noastră de bază, minimizând această problemă. Mărimea populațiilor noastre experimentale ar trebui să prevină în mod eficient problemele asociate cu consangvinizarea. Compensările dintre durata de viață și fecunditate ar fi trebuit să fie evidente în acest studiu de evoluție experimental relativ scurt, chiar dacă astfel de compromisuri pot dispărea pe termen lung. Vom putea evalua efectele raportate la populațiile selectate pe termen lung, deoarece liniile noastre sunt încă menținute.

(ii) Proiectarea testului

După 500 de zile de evoluție experimentală în cuștile descrise mai sus (echivalent cu aproximativ 25 de generații, presupunând un timp de generație de 20 de zile), am crescut muște din fiecare cușcă timp de două generații în condiții standardizate (a se vedea setarea pentru cuștile de populație de mai sus) și a folosit a treia generație pentru a crea 108 fiole experimentale (28,5 × 95 mm). Fiecare fiolă a fost populată cu 40 de muște masculine. Muștelor li s-a oferit una dintre cele trei diete utilizate în cuștile experimentale de evoluție, cu trei flacoane replicate pe cușcă și combinație de diete (12 cuști, trei diete pe cușcă, patru replici).

(iii) Testele de mortalitate și de performanță reproductivă

Mortalitatea a fost verificată în fiecare săptămână, luni, miercuri și vineri, când muștele au fost aruncate în flacoane cu alimente noi. Am măsurat performanța reproductivă masculină la vârstele de 7, 28 și 56 de zile după ecluzie la vârsta adultă. Pentru aceasta, am dat masculilor fiecărei fiole posibilitatea de a se împerechea cu 40 de femele. Aceste femele au fost homozigote pentru marcatorul recesiv de abanos (e), o mutație care întunecă culoarea corpului, care anterior fusese introdusă în fundalul genetic Dahomey. Femelelor de abanos li s-a permis să se împerecheze cu masculi de abanos în primele 2 zile după ecloziune la vârsta adultă și au fost plasate cu bărbații experimentali la vârsta de 4 zile, timp de 4 ore. Ouăle depuse de femelele de abanos în următoarele 24 de ore au fost tăiate înapoi la 180 de ouă pe flacon. S-au numărat descendenții de tip sălbatic și de abanos. Orice descendenți de tip sălbatic a fost generat de bărbați experimentali de tip sălbatic. Am calculat raportul dintre numărul descendenților de tip sălbatic și numărul total de descendenți ca măsură a performanței reproductive (capacitatea de reproducere).

(b) Analiza statistică

(i) Supraviețuire

Am folosit modele mixte de pericol proporțional Cox (funcție coxme, pachet coxme R [15]) pentru a testa efectele dietei de evoluție și testarea dietei asupra tiparelor de supraviețuire, cu un efect aleatoriu care modelează variația dintre fiolele aceluiași tratament, cuibărite în populație cușca de origine. Pentru selecția modelului, am efectuat eliminarea inversă a efectelor fixe nesemnificative (la un nivel de semnificație 0,05), utilizând teste de raport log-probabilitate, cu diferența de două ori mai mare a probabilităților de log a modelelor luate ca chi-pătrat distribuite. Pentru a analiza în continuare termenul de interacțiune semnificativ dintre dieta de evoluție și dieta de testare pentru supraviețuirea bărbaților, am procedat cu analize separate pe subgrupuri de date (cu un nivel de semnificație de 0,017, după o corecție Bonferroni pentru teste multiple). Pentru toate rezultatele raportate, dieta a fost tratată ca o variabilă categorică. Statisticile rezumative ale duratei de viață și dimensiunile eșantionului sunt date în materialul suplimentar electronic, tabelul S2.

(ii) Performanța reproductivă

Am calculat performanța totală de reproducere masculină pe flacon ca suma raportului numărului de descendenți de tip sălbatic la numărul total de descendenți (suma numărului de descendenți de abanos și de tip sălbatic), valoarea 1 indicând cea mai mare performanță reproductivă de bărbați experimentali și 0 cel mai mic și, în consecință, valoarea 3 reprezentând cea mai mare valoare a performanței reproductive totale (însumată pe cele trei eșantioane, măsurate la vârsta de 7, 28 și 56 de zile de viață adultă). Aceasta reprezintă cea mai incluzivă măsură a performanței reproductive pentru o anumită populație de flacoane. Efectele dietei de evoluție, dieta de testare și interacțiunea dintre dieta de evoluție și dieta de testare asupra condiției de reproducere au fost testate în modele mixte liniare, cu variabila „cușcă” montată ca o interceptare aleatorie (folosind funcția lmer în pachetul R lme4 [16]) . Am folosit pachetul R lmertest pentru a calcula valorile p pentru modelele lmer, cu grade de libertate bazate pe aproximarea Satterthwaite [17]. Selecția modelului a fost efectuată cu același motiv ca și pentru analize de supraviețuire. Pentru a analiza în continuare (post hoc) efectul semnificativ al dietei de evoluție, am folosit funcția diferită în pachetul lmerTest (a se vedea materialul suplimentar electronic, tabelul S3).

3. Rezultate

restricție

(a - c) Nu există nicio diferență în supraviețuirea muștei fructelor masculine între populațiile din dieta de evoluție. Fiecare panou prezintă curbele de supraviețuire Kaplan - Meier pentru grupurile de tratament de dietă. Curbele separate ilustrează supraviețuirea populațiilor dietetice de evoluție, testate pe diferite diete de testare.

Performanța reproductivă masculină este cea mai ridicată la muștele dezvoltate în DR, comparativ cu populațiile de dietă standard și cu evoluție ridicată. Graficele cu bare arată media cu 95% IC pentru fiecare populație de dietă în evoluție, testate pe diferite diete de testare.

4. Discutie

Modul în care dieta (și mai ales modul în care DR) afectează durata de viață, reproducerea și alte trăsături de fitness a fost centrul unor teorii [18,19] și a unui număr mare de studii empirice (revizuite în [4,20]). O realocare a resurselor de la reproducere la întreținere și reparație somatică este mecanismul de bază utilizat în mod obișnuit pentru a explica durata de viață extinsă și reproducerea redusă în DR [21]. Dacă o corelație negativă indusă de DR între reproducere și supraviețuire se bazează pe realocarea resurselor și dacă este adaptivă ca o modalitate de a depăși perioade scurte de disponibilitate redusă a resurselor, DR cronic ar trebui să aleagă o reproducere crescută cu o reducere concomitentă a supraviețuirii, comparativ cu nivelurile observate în DR pe termen scurt. Rezultatele noastre nu susțin acest scenariu. În timp ce performanța reproductivă masculină a fost mai mare în populațiile de evoluție DR, așa cum s-a prezis, ratele de supraviețuire nu au fost afectate în mod semnificativ de dieta de evoluție.

În timp ce acest studiu este primul care testează indirect ipoteza realocării efectelor DR utilizând evoluția experimentală, dovezile empirice împotriva unei corelații negative obligatorii strânse între reproducere și supraviețuire, bazată pe realocarea resurselor, au provenit dintr-o serie de studii din ultimii ani. La femela D. melanogaster, Mair și colab. [22] au arătat că ovarele și, prin urmare, capacitatea de a produce ouă nu erau necesare pentru a determina extinderea duratei de viață în DR. Grandison și colab. [23] a arătat că fecunditatea la muștele femele sub DR ar putea fi crescută până la nivelurile observate în condițiile standard de hrană completă prin adăugarea unui aminoacid specific (metionină) la dieta DR. În timp ce fecunditatea a crescut în dieta DR suplimentată cu metionină, efectul tipic DR al extinderii duratei de viață a fost încă observat. În mușca neriidă Telostylinus angusticollis [24], dieta DR la adulți la bărbați nu a redus fecunditatea sau viabilitatea ouă-la-adult a ouălor depuse de femele împerecheate la bărbați DR. Dacă efectele DR s-ar baza pe un compromis obligatoriu între reproducerea masculină și supraviețuire printr-o realocare a resurselor de la reproducere la supraviețuire, bărbații ar fi prezis să prezinte un potențial reproductiv scăzut, ceea ce nu a fost cazul.

În ansamblu, evoluția sub DR susținută nu a avut ca rezultat efecte puternice asupra tiparelor de supraviețuire a bărbaților, dar, dacă este ceva, bărbații care au evoluat în dieta DR au avut o supraviețuire mai mare și nu mai mică, comparativ cu bărbații care evoluează cu diete mai mari. Foarte important, această lipsă de răspuns a fost observată în ciuda variației genetice aditive pentru separarea duratei de viață în populația de bază [36]. În schimb, reproducerea competitivă a fost cea mai mare la bărbații din liniile DR. Absența unei scăderi evolutive a duratei de viață la bărbați din populațiile care evoluează sub DR în fața performanței reproductive crescute nu oferă niciun sprijin direct pentru teoria realocării DR. Cu toate acestea, rezultatele noastre sugerează că o DR susținută crește puterea selecției, ducând la evoluția unei condiții fizice sporite la bărbați într-o gamă largă de condiții dietetice. Astfel, este posibil ca evoluția sub DR susținută să fie selectată pentru bărbații mai în formă, care alocă relativ mai multe resurse reproducerii, așa cum a prezis teoria realocării resurselor. Dacă laboratorul nostru a investigat dacă acest avantaj al aptitudinilor masculine la populațiile care au evoluat în DR susținut este compensat de dezavantaje la femei.