Алексей А. Маклаков

Алексей А. Маклаков

Резюме

1. Въведение

Различията между половете в репродуктивните стратегии в крайна сметка се коренят в анизогамията [1] и произтичащия от това принцип на Бейтман [2,3], който гласи, че женските обикновено са ограничени от броя на яйцата, които могат да произведат, докато мъжете са ограничени от броя на партньорите, които те може да оплоди. Теорията поддържа, че специфичният за пола подбор ще оптимизира фундаменталния компромис между продължителността на живота и размножаването по различен начин за мъжете и жените [4–7], което ще доведе до повсеместен диморфизъм в продължителността на живота и стареенето в цялото животинско царство [8–11], включително хората [12]. Въпреки това, неотдавнашният напредък в еволюционната биология категорично предполага, че подобна оптимизация може да бъде трудно постижима при сексуално размножаващи се организми поради генетични конфликти в генома.

Докато половете споделят по-голямата част от своя геном, те представляват драстично различни среди за изразяване на алели, засягащи продължителността на живота. Тъй като интерсексуалната генетична корелация между хомоложните признаци често е висока [13], сексуалният антагонистичен подбор на различни локуси може постоянно да възпрепятства половете да достигнат своите фенотипни оптимуми [14,15]. Това еволюционно „претягане на въжето“ е известно като интралокусен сексуален конфликт (ISC) и е доказано, че играе ключова роля в коеволюцията между мъже и жени [16–19]. Най-важното е, че последните проучвания демонстрират високи нива на сексуално антагонистичен подбор при сексуално диморфни черти [20], което показва, че ISC не се разрешава лесно от еволюцията на сексуалния диморфизъм. Взети заедно, тези констатации осигуряват силна теоретична основа за ролята на ISC за предотвратяване на постигането на оптималните възможности на пола в продължителността на живота и стареенето [6,7,21]. Независимо от това, количествените генетични изследвания на ISC по време на живота и стареенето дават противоречиви резултати [22,23] и тази теория никога не е била подкрепена експериментално [24], въпреки нейното основно значение за еволюционните и биомедицински изследвания.

Тук показваме, че мъжките живеят по-дълго, а женските живеят по-кратко от специфичните за пола им оптимуми, използвайки изкуствен подбор в голяма генетично хетерогенна популация на семенния бръмбар Callosobruchus maculatus. Този вид е отлична моделна система за този анализ, тъй като показва голям сексуален диморфизъм в продължителността на живота и стареенето [25–27] и има сериозни доказателства за сексуално различен подбор по тези признаци [11]. Вероятно компромисите между репродукцията и соматичната поддръжка се разрешават по различен начин от половете, като мъжете C. maculatus максимизират своята годност чрез високи репродуктивни инвестиции в началото на живота (стратегия „бързо-бързо-умри-млад“), докато жените оптимизират своята репродуктивна продукция, като запазват енергия за бъдещо възпроизводство [11,28].

За да проверим тази хипотеза, първо избрахме директно върху продължителността на живота на мъжете в продължение на пет поколения, за да създадем повторяеми линии с дълъг живот, при които мъжете живееха средно с 27% по-дълго от линиите с кратък живот. За всяко поколение потомството е избрано от 25-те процента от мъжете, които са живели най-дълго (селекция нагоре за линии с дълъг живот) или най-кратко (селекция надолу за линии с кратък живот). След това, използвайки тези линии, тествахме две ключови прогнози: (i) жените от избрани нагоре линии трябва да живеят по-дълго от жените от избрани надолу линии поради положителна интерсексуална генетична корелация за продължителността на живота; и (ii) мъжете от избрани нагоре линии трябва да имат по-ниска годност от мъжете от избрани надолу линии, докато обратното трябва да е вярно за жените. Нашите резултати потвърждават и двете прогнози, като по този начин предоставят директни експериментални доказателства, че половете са възпрепятствани да достигнат оптималните си възможности за продължителност на живота.

2. Методи

а) Система за обучение

Изведохме нашите линии за подбор от хетерогенно южноиндийско запасно население („SI USA“) от C. maculatus получено от C. W. Fox от университета в Кентъки, САЩ. Популацията произхожда от заразен боб мунг (Vigna radiata), събрани от Тирунелвели, Индия, през 1979 г. [29]. По време на експеримента тази популация е била държана в нашата лаборатория повече от 80 поколения. Както преди, така и по време на експеримента, бръмбарите се култивират върху боб мунг и се държат в климатични камери при 30 ° C, 50% относителна влажност и 14 L: 10 D цикъл. Женските снасят яйцата си на повърхността на боба. След като се излюпят ларвите, те се отварят на повърхността на зърната и завършват развитието си там, като се появяват като напълно функционални възрастни след 23–27 дни. Callosobruchus maculatus са факултативно глупави развъдчици на капитали и тази популация винаги е била поддържана в афагия (т.е. бръмбарите получават всички ресурси, необходими за оцеляване и размножаване като възрастни по време на ларвения си етап) [30]. Една от основните силни страни на тази система е, че лабораторната среда представлява точно сближаване на природните условия за този бръмбар [31].

(б) Процедура за подбор

Фигура 1. Средна продължителност на живота ± s.e. на мъжки семенни бръмбари от краткотрайни (пунктирана линия с отворени кръгове) и дълготрайни (плътна линия със запълнени кръгове) селекционни линии в пет поколения селекция. Започвайки от поколение 4, мъжете от линии с дълъг живот живеят значително по-дълго от мъжете от линии с кратък живот (дисперсионни анализи: F1,6 = 11,930, стр = 0,014; необработени данни: средно ± s.e. = 8,49 ± 0,45 дни за дълъг живот срещу 6,67 ± 0,34 дни за кратък живот). Тази разлика се увеличава с поколение 5 (дисперсионни анализи: F1,6 = 19,335, стр = 0,005; необработени данни: средно ± s.e. = 9,38 ± 0,19 дни за дълъг живот срещу 6,88 ± 0,49 дни за кратък живот). Една звездичка показва значимост при стр

По време на всяко поколение на експеримента, оплодени яйца бяха изолирани в отделни девствени камери (аерирани пластмасови контейнери с отделен кладенец за всеки индивид) преди излюпването. Възрастните са били на възраст около 1 ден, когато са сдвоени. Чифтосването на Sib беше изключено, за да се увеличи максимално размножаването. Сдвоените индивиди бяха поставени в 60 mm чаши на Петри, пълни със 75 боб. Тъй като тези женски биха могли да снасят до 65 яйца на ден (E. C. Berg 2010, непубликувани данни), ние предоставихме достатъчно боб, така че само едно яйце да бъде снесено върху всеки боб, като по този начин елиминираме объркващите ефекти от конкуренцията на ларвите. За да се намалят вариациите в възможностите за чифтосване на мъже поради потенциална женска смъртност, всички жени бяха отстранени на ден 4. Мъжете се наблюдават ежедневно и се записва датата на смъртта.

В допълнение към линиите за селекция, бръмбари от основната популация бяха поддържани за използване във фитнес анализите. Тези бръмбари се държат в буркани с 250 g боб мунг и им се позволява да се чифтосват и снасят яйца по желание. Когато младите се излюпиха, на 25-ия ден бяха избрани на случаен принцип приблизително 200 индивида и поставени в нов буркан с боб и цикълът продължи.

(в) Анализи за фитнес и продължителност на живота

След като бяха установени разнопосочни линии, ние проведохме тестове за дълголетие и репродуктивен успех през целия живот (LRS) за мъже и жени от всички експериментални линии. Във всяка линия бяха проведени анализи, използвайки потомството на произволно избрани индивиди от петото поколение изкуствено подбрани бръмбари. Тези бръмбари бяха сдвоени с индивиди от основната популация, от която първоначално бяха получени линиите за подбор. Всички бръмбари са били на възраст около 1 ден, когато са сдвоени. Проведохме три анализа: (i) мъжки фитнес анализ, (ii) мъжки дълголетие и (iii) женски фитнес и дълголетие. Анализите за мъжка фитнес и дълголетие на мъжете са направени отделно, за да се гарантира, че дълголетието на мъжете се оценява точно по същия начин, както по време на процеса на подбор. За женски анализи за фитнес и дълголетие това не беше необходимо (вижте по-късно).

Пригодността на мъжете се измерва като общ брой потомци, оцелели до зряла възраст, произведени от фокални мъже от експериментални линии в конкуренция с други мъже. Това включващо измерване включва всички възможни източници на вариации в репродуктивния успех на мъжете, включително предкопулационен и посткопулационен сексуален подбор, както и подбор на жизнеспособност. Фокалните мъже се съревновават с фоновите мъже, които са стерилни, но активни и се чифтосват с жени, които след това произвеждат стерилни яйца. Този метод е използван успешно в предишни проучвания [32,33]. Това е особено добър начин за измерване на годността, тъй като мъжете се изследват в средата, в която са еволюирали в продължение на поне стотици (но най-вероятно хиляди) поколения преди нашето проучване (т.е. средата, която представя скорошната им еволюционна история).

По-конкретно, за мъжкия фитнес анализ, създадохме 20 реплицирани субпопулации за всяка популация. За всяка субпопулация ние избрахме на случаен принцип двама мъже от линията за подбор и ги поставихме в 90 mm чашки на Петри с три жени от основната популация, четири тестери стерилни мъже от основната популация и 450 боб мунг. Съотношението на фокалните мъже спрямо фоновите (основната популация) мъже, както и съотношението между половете, е изкривено, за да се създаде по-конкурентна среда за фокалните мъже, което съответства на тяхното поведение [28]. След излюпване, девствените мъже от основната популация бяха стерилизирани чрез облъчване с доза 100 Gy, използвайки източник на цезий-137 в Отдела за биомедицински радиационни науки, Университет Упсала. Тези стерилни мъжки бяха включени, за да осигурят конкурентна среда за чифтосване на двамата фокусни мъжки. Всичките девет индивида бяха оставени в чашата на Петри, докато умреха и излюпеното потомство (ден 36 след сдвояване). Ястията незабавно са били замразени, за да се убият бръмбарите и след това са били преброени излюпените потомци.

В анализа за дълголетие на мъжете по един мъж от всяка селекционна линия (н = 30 мъже на линия) се сдвоява с една жена от основната популация и се поставя в 60 mm чаша на Петри със 150 боб. В продължение на 3 дни жените бяха разменени между ястия, точно както по време на експеримента с изкуствен подбор. Жените бяха отстранени на 4-ия ден и оцеляването на мъжете се наблюдаваше ежедневно.

И накрая, в анализа за годност и дълголетие на жените, както LRS, така и продължителността на живота бяха записани едновременно при една и съща жена. Една жена от всяка селекционна линия (н = 30 жени на линия) се поставя в 60-милиметрова петриева чиния с един мъж от основната популация и 150 боб, което е достатъчно, за да се даде възможност за снасяне само на едно яйце на боб. След сдвояване, всеки ден в продължение на 3 дни, всеки мъж беше преместен в различен съд (в рамките на всяка линия), за да позволи на всяка жена да се чифтосва с общо три различни мъже. Подобно на експеримента за подбор, това беше направено, за да се сведат до минимум разликите в качеството или поведението на мъжете при жените. Мъжете бяха отстранени на ден 4. Жените бяха наблюдавани ежедневно, за да се измери дълголетието. Ние оценихме реализираната плодовитост - общият брой на яйцата, положени от женска по време на живота й - като мярка за LRS, която е стандартната мярка за репродуктивност на жените в тази система.

(г) Статистически анализи

Всички данни бяха анализирани с помощта на SPSS 19.0 (SPSS, Inc., Чикаго, IL) и JMP 9.0 (SAS Institute, Inc., Cary, NC). Дву опашка т-тестовете бяха използвани, за да се тестват разликите в дълголетието на мъжете и жените сред дългосрочните и краткотрайните селекционни процедури. Всички данни за дълголетието бяха преобразувани в мощност и ln преди анализ (ln [продължителност на живота] 0,3) и тестовете на Levene за равенство на дисперсии бяха извършени за всеки тест. Данните, използвани на фигурите, обаче са представени като нетрансформирани стойности. Средствата са дадени ± 1 s.e. през цялото време. Данните от LRS бяха анализирани с помощта на общ линеен смесен модел, който включваше пол, селекционно лечение и взаимодействие между секс и лечение като фиксирани фактори и репликира популацията като случаен фактор, вложен в селекционното лечение. Преди включването в модела, данните за LRS бяха стандартизирани отклонения в рамките на пола чрез изваждане на средната стойност на фитнес от отделни сурови стойности и след това разделяне на разликата на стандартното отклонение [34,35]. Отбелязваме, че взаимодействието е важно и когато изобщо не стандартизираме данните.

3. Резултати и дискусия

Измерихме дълголетието на мъжете и жените от всичките осем линии (н = 30 на пол на линия) чрез сдвояване на фокалните бръмбари с противоположните бръмбари от основната популация на тестера и ежедневно наблюдение на бръмбарите. Имаше значителна положителна интерсексуална корелация за продължителността на живота през осемте линии (на Пиърсън r = 0,759, стр = 0,029; фигура 2). Както се очакваше, мъжете от линиите с дълъг живот са живели значително по-дълго от мъжете от линиите с кратък живот (ANOVA за трансформиран в сила ln-живот: F1,6 = 27,139, стр = 0,002; необработени данни: средно ± s.e. = 10,4 ± 0,52 дни за дълъг живот срещу 7,6 ± 0,24 дни за кратък живот; фигура 3а). Жените от линиите с дълъг живот също живеят по-дълго от жените от линиите за кратък живот, въпреки че увеличението на продължителността на живота е относително по-малко, отколкото при мъжете (ANOVA за трансформирани от мощността стойности на ln-живот: F1,6 = 6,008, стр = 0,0488; необработени данни: средно ± s.e. = 6,8 ± 0,18 дни за дълъг живот срещу 6,2 ± 0,19 дни за кратък живот; фигура 3б). Този резултат показва, че генетичната архитектура, лежаща в основата на продължителността на живота, е частично споделена от половете и че подборът на продължителността на живота на мъжете е произвел корелиран генетичен отговор в продължителността на живота на жените, подкрепяйки първата от нашите прогнози.

половете

Фигура 2. Междуполова корелация (r = 0,759, стр = 0,029) за продължителност на живота през четирите линии за избор нагоре (запълнени кръгове) и четири надолу (отворени кръгове). Анализите на продължителността на живота са проведени след пет поколения селекция само за продължителност на живота на мъжете.

Фигура 3. Средна продължителност на живота ± s.e. на (а) мъже (синьо) и (б) жени (червени) от краткосрочните (отворени кръгове) и дългогодишните (затворени кръгове) линии за подбор, след пет поколения селекция. Докато селекцията се прилагаше само за мъже, при двата пола бръмбарите от дълголетни линии живееха по-дълго от бръмбарите от краткотрайни линии.

Фигура 4. Взаимодействие между секс × за относителна фитнес ± s.e. между режимите за подбор на краткосрочен живот (отворени кръгове) и дългосрочен живот (затворени кръгове). Фитнесът се изчислява като LRS на пол на популация и след това се стандартизира отклонение за всеки пол. Относителната годност на жените (червено) е по-висока при линиите с дълъг живот, докато относителната годност на мъжете (синьо) е по-висока при линиите за кратък живот.

Фигура 5. (а) Средна LRS (брой излюпени потомци) ± s.e. за мъже от четири линии за подбор за кратък живот (отворени кръгове) и четири дългосрочни линии (затворени кръгове). Общият брой на излюпените малки се отчита за 20 повторения на линия след пет поколения селекция за продължителност на живота на мъжете. Една къса линия падна извън 95% CI. Когато тази линия беше изключена, репродуктивният успех се различаваше значително между лечебните лечения (вж. Текста), въпреки че разликата не беше значима, когато бяха включени всички редове (дисперсионни анализи на стандартизирани стойности: F1,6 = 1,553, стр = 0,259). (б) Средна плодовитост (брой снесени яйца) ± s.e. на жени от четири линии за подбор на краткотраен живот (отворени кръгове) и четири дългосрочни линии (затворени кръгове). Общият брой на снесените яйца е преброен за 30 жени на линия след пет поколения селекция по време на живота на мъжете, като женските с дълъг живот носят значително повече яйца.

Нашето проучване на семенни бръмбари предоставя първите преки експериментални доказателства, че ISC може да възпре мъжете и жените да достигнат специфичната за пола им оптимална продължителност на живота. Продължителността на живота на мъжете и жените е положително корелирана, което показва, че основната генетична архитектура за продължителността на живота е поне отчасти споделена от двата пола и че има силно взаимодействие между селекция между пол и селекция за LRS между леченията за кратък и дълъг живот, което показва, че оптималният баланс между възпроизводството и продължителността на живота наистина е различен за мъжете и жените. Ние показваме, че и двете ни първоначални прогнози се поддържат от данните: (i) жените от избрани нагоре линии са живели по-дълго от жените от избрани надолу линии; и (ii) селекция нагоре намалява LRS при мъжете и увеличава LRS при жените. По този начин успяхме да издърпаме половете или от или към техните специфични за пола фитнес оптимуми, като избрахме предполагаемата сексуално антагонистична черта само за един пол.

Взети заедно, тези резултати предполагат това C. maculatus възприема стратегия за „бързо-бързо-умре-младо“ [6,41], както се предвижда от антагонистичната теория за плейотропия на стареенето [4], и че високото генетично качество се свързва с кратката продължителност на живота при мъжете [11,24]. Това води до ясна прогноза, че подборът за кратък живот трябва да доведе до по-висококачествени мъже, резултатът, получен преди това при щурците в черно поле [24] и сега възпроизведен в това проучване. Основното ново откритие на нашето проучване обаче е, че подборът на мъже е довел до противоположни ефекти върху женската годност, което показва силен ISC през целия живот.

Половете обикновено се различават не само по това колко дълго живеят и кога започват да стареят, но и по това как реагират на екологични интервенции, целящи удължаване на живота им или забавяне на настъпването на стареенето [53,54]. Както еволюционните причини, така и медицинските последици от половите различия в продължителността на живота трябва да бъдат ключови цели на съвременните изследвания върху биологията на стареенето, но причините за различията в отговор на лечението, удължаващо живота, са практически неизвестни [55,56]. Тук демонстрирахме, че подборът за увеличена продължителност на живота може да доведе до противоположни ефекти върху фитнеса в моделен организъм. Нашите открития показват, че сексуалният антагонистичен подбор може да поддържа генетични вариации за продължителността на живота на популациите, но също така ще усложни търсенето на осъществими лечения за удължаване на живота. Лечението, имитиращо ефектите на гените, отговорни за удължаването на продължителността на живота, наблюдавано в нашето проучване, би имало вредни ефекти върху мъжката годност. Въпреки че величината и посоката на специфичния за пола подбор вероятно ще се различават значително при видовете, ние очакваме известна степен на сексуален антагонизъм във всички полово размножаващи се организми, включително хората, което налага разследване на близките причини за секс-специфичните ефекти.