Алексей А. Маклаков

1 Изследователска група за стареене, Катедра по екология на животните, Център за еволюционна биология, Norbyvägen 18d, 752 36 Упсала, Швеция

тормоз

Симон Имлер

2 Изследователска група за стареене, Катедра по еволюционна биология, Център за еволюционна биология, Norbyvägen 18d, 752 36 Упсала, Швеция

Хане Льовли

1 Изследователска група за стареене, Катедра по екология на животните, Център за еволюционна биология, Norbyvägen 18d, 752 36 Упсала, Швеция

Илона Флис

2 Изследователска група за стареене, Катедра по еволюционна биология, Център за еволюционна биология, Norbyvägen 18d, 752 36 Упсала, Швеция

Урбан Фриберг

2 Изследователска група за стареене, Катедра по еволюционна биология, Център за еволюционна биология, Norbyvägen 18d, 752 36 Упсала, Швеция

Резюме

1. Въведение

Мутациите са крайният източник на генетични вариации и честотата, с която се появяват, е в основата на еволюционната диверсификация и жизнеспособността на популацията. Честотата на мутация на генома на индивид и поколение, U, е ключов параметър в популационната генетика, който се използва широко в много теоретични модели в еволюционната биология [1–4]. Обикновено се приема, че степента на мутация е фиксирана за индивиди в популациите [5], въпреки че се предполага, че повишената степен на мутация може да бъде адаптивна реакция на генотип, изложен на неблагоприятна среда [6]. Въпреки това, няколко ранни проучвания намекнаха за възможността степента на индивидуална мутация да зависи от генотипа или физиологичното състояние на индивида [7]. По този начин, експерименти с плодова муха, Drosophila melanogaster, предполагат, че възстановяването на индуцирана мутагенеза в сперматозоидите преди оплождането при жените може да бъде повлияно от температурата [8], инфрачервеното облъчване на яйцата [9], диетата [10,11], антибиотиците [12] и женски генотип [13].

Последните експерименти освен това показват, че степента на мутация може да варира между индивидите в популацията, в зависимост от тяхното състояние. Тези резултати идват предимно от експерименти с едноклетъчни организми [14,15], но три скорошни проучвания на D. melanogaster показват, че скоростта на мутация може да зависи от състоянието и на многоклетъчните организми. В едно проучване генетичното качество се манипулира, като се позволява на една популация от мухи да натрупва по-вредни мутации в сравнение с друга популация [16]. Впоследствие беше показано, че мухите, получени от мутационно-акумулиращата популация, имат по-висок процент на намаляване на жизнеспособността, съобразен с ускорена скорост на мутация с генетично натоварване [16], или алтернативно с повишен вреден ефект на мутациите като функция на генетичния товар [ 17]. В друго проучване авторите манипулират хранителната стойност на диетата на ларвите, за да създадат възрастни женски мухи, които се различават значително в тяхното състояние [18]. В това проучване добивът на мутация на свързани с пола рецесивни летали е по-висок при мухи в ниско състояние [18]. И накрая, Sharp & Agrawal [19] експериментално показа, че нискокачествените генотипове страдат от повишена степен на мутация, което води до положителна мутационна обратна връзка.

Защо индивидуалното състояние би имало ефект върху индивидуалната мутация и какъв ефект? Предполага се, че хората в лошо състояние ще имат по-малко ресурси, за да инвестират в възстановяването на ДНК, което води до по-висок процент мутации [17–19]. Такъв механизъм би имал далечни последици за съдбата на популацията, което предполага, че популациите, страдащи от повишено мутационно натоварване, ще бъдат склонни към натрупване на мутации на зародишни линии с все по-нарастваща скорост [17,19]. По подобен начин популациите, които изпитват неблагоприятни условия на околната среда, биха имали по-голяма вероятност да произведат потомство с мутации. И накрая, такъв процес би имал последици за сексуалния подбор, защото би увеличил цената на чифтосването с партньор в ниско състояние [18,20]. Независимо от това, може да се направи противоположен аргумент, че намаляващото условие стрес на околната среда би увеличил инвестициите в соматична поддръжка, включително възстановяване на ДНК, за сметка на инвестициите в репродукцията.

Докато предишните изследвания на степента на мутация, зависима от състоянието, се фокусираха главно върху ефектите от абиотични стресове, наличност на ресурси и генетично състояние, има основания да се смята, че социалните фактори вероятно ще бъдат поне толкова важни. Сексуалният конфликт заради размножаването е потенциален ключов фактор за промените в индивидуалното състояние и следователно за промяната в индивидуалните нива на мутация. Сексуалният конфликт е резултат от различни генетични интереси на отделни мъже и жени в популация [31] и често води до еволюция на поведенчески, морфологични или физиологични черти при мъжете, които са вредни за жените [32,33]. Известно е, че нивата на сексуален конфликт варират между видовете и популациите [34,35], но ефектът от нивото на сексуален конфликт върху степента на индивидуална мутация никога не е изследван. Тъй като повишените нива на сексуален конфликт водят до намаляване на състоянието на жените [36,37], това също може да доведе до повишени нива на предаване на мутации поради намалените инвестиции в възстановяването на ДНК. Алтернативно, този вид стрес на околната среда може да доведе до увеличена инвестиция в соматична поддръжка, включително възстановяване на ДНК, последвано от намалена честота на мутация при жени, засегнати от присъствието на мъже.

Drosophila melanogaster е използван като модел на организма за изследване на коеволюцията между мъже и жени и икономиката на сексуалния конфликт е добре известна за този вид [38,39]. Цената на сексуалния конфликт в тази система е значителна и се изчислява, че намалява женската годност с поне 20% [40]. Следователно мъжкото въздействие върху фенотипното състояние на жените може да бъде голямо [36,37]. Докато голяма част от тези разходи вероятно ще дойдат от опити за ухажване и монтиране на мъже, както и от завършени съчетания, често е трудно да се отделят ефектите от такъв тормоз от мъже от разходите за възпроизвеждане сами по себе си. Възможно е обаче да се заобиколи този проблем, като се използват мъже без жизнеспособни сперматозоиди, както и по-голямата част от протеините на спомагателните жлези (АКТБ) [41]. Такива мъже могат да ухажват, монтират и да се чифтосват с женски, но те не стимулират производството на яйца над нивото, наблюдавано при девствените женски [41].

2. Материал и методи

а) Fly запаси

За да манипулираме нивото на мъжки тормоз независимо от степента на снасяне на яйца, използвахме мъже от запаса DTA-E [41], любезно предоставени от M. Wolfner. Тези мъжки ухажват женските и се чифтосват с тях, но не прехвърлят сперматозоиди или протеини на допълнителни жлези на основните клетки и не предизвикват снасянето на яйца [41]. Вариация в пропорцията на сперматозоиди, носещи ДНК лезии, се манипулира чрез гама-лъчение на мъже (виж по-долу). Мъжете, прехвърлящи нормални или облъчени сперматозоиди, идват от лабораторната популация от див тип LHm [38]. В анализа за доминиращи смъртоносни случаи, жените също произхождат от LHm. В анализа за рецесивни мутации, свързани с пола, използвахме жени, хомозиготни за X-хромозомния балансьор FM1, маркиран с доминираща очна мутация B (бар очи). Тези женски са били кръстосани в продължение на много поколения към популацията LHm преди началото на експериментите. Мухите се отглеждат на цикъл 12 L: 12 D при 25 ° C. Във всички експерименти се използва стандартна среда захар-дрожди.

б) Експериментални процедури

(i) Доминиращи леталисти

Сутринта на 14-ия ден женските бяха прехвърлени в камерите за снасяне на яйца. Тези камери съдържаха малки чаши на Петри, пълни със стандартна хранителна среда, покрита с дрождова паста ad libitum. След 4,5 часа женските се изчистват и се отчита общият брой яйца в чаша на Петри. Този номер е взет като прокси за женско състояние. Двадесет и осем часа след изваждането на мухите от камерите за снасяне на яйца; ястията с яйца се съхраняват при 4 ° C, за да се спре по-нататъшното развитие на ембриона/ларвите. Впоследствие се оценява делът на неизлюпените яйца. Същата процедура се повтаря два пъти.

(ii) Свързани със секс рецесивни летали

За да измерим ефекта от сексуалния тормоз върху скоростта на предаване на свързани с пола летали, използвахме модифициран протокол на метода на Баск [45]. При два независими експеримента женски хомозиготни за FM1 са били държани или във флакони с 44 жени (14 флакона), или в групи от 11 с 33 мъже DTA-E (55 флакона), в продължение на 6 дни в експеримент 1 и 9 дни в експеримент 2. Впоследствие тези женски бяха разделени на групи от по двама и настанени с двама 7-дневно облъчени мъже от LHm за една нощ. Мъжете бяха облъчени с 45 Gy в експеримент 1 и с 50 Gy в експеримент 2. На сутринта мъжете и жените бяха изхвърлени и броят на яйцата, поставени в чифтосващи се флакони, беше отбелязан за 100 флакона във всяка обработена група (в експеримент 2, набрахме 98 флакона от тормозените жени и 107 флакона за не тормозените жени) и взети като мярка за женското състояние. Девет дни по-късно бяха събрани девствени жени (средно 2,23 ± 0,07 s.e., дъщери на две майки), хетерозиготни за FM1 и получената от баща облъчена Х хромозома. Впоследствие тези жени се чифтосват с не облъчени LHm мъже и броят на FM1/Y и Xirradiated/Y синове от тези кръстоски е оценен, за да се оцени делът на свързаните с пола летали в различни групи на лечение.

(в) Статистически анализи

Използвахме ANOVA, за да тестваме ефекта от сексуалния тормоз върху женското състояние в анализа за доминиращи летали. Използвахме яйца, снесени на женска, като зависима променлива, която беше трансформирана в лога преди анализите. За да тестваме едновременно дали състоянието на облъчване на мъжете е оказало ефект върху плодовитостта на жената, използвахме пълен факториален двупосочен фиксиран ефект ANOVA с ниво на сексуален тормоз и статус на облъчване на мъже като фиксирани фактори.