Институт Едуард Грей, Катедра по зоология, Университет в Оксфорд, Оксфорд, Обединеното кралство, Jesus College, Университет в Оксфорд, Оксфорд, Великобритания

калинки

Отделение по психология на Университета на Ватерло, Ватерло, Онтарио, Канада

Фигури

Резюме

Цитат: Perry JC, Tse CT (2013) Екстремни разходи за чифтосване за мъжки бръмбари от калинки с две петна. PLoS ONE 8 (12): e81934. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0081934

Редактор: Симоне Имлер, Университет Упсала, Швеция

Получено: 30 август 2013 г .; Прието: 28 октомври 2013 г .; Публикувано: 5 декември 2013 г.

Финансиране: Авторите са подкрепени със стипендии от Съвета за естествени науки и инженерни изследвания (NSERC, за JCP и CTT), Ентомологичното общество на Канада (JCP) и правителството на Онтарио/д-р. Стипендия на F. M. Hill в областта на науката и технологиите (JCP). Проучването е финансирано от безвъзмездни средства за Locke Rowe от NSERC и канадската програма за научни столове. Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Въведение

Въпреки че разходите за чифтосване на женските отдавна са оценени [1], [2], някога се смяташе, че чифтосването е относително безплатно за мъжете. Сега обаче има изобилие от доказателства за разходите за чифтосване на мъжете [3] - [5]. Тези разходи приемат различни форми [5], включително намалена способност за придобиване на бъдещи партньори и прехвърляне на сперматозоиди и семенни течности, намалена преживяемост от повишено стареене или външна смъртност по време на чифтосване или търсене на партньор, компромиси с други физиологични функции като имунитет и преки метаболитни разходи за копулация и производство на еякулат. Размерът на разходите за чифтосване при мъжете е важен въпрос, засягащ избора на партньор [6], интрасексуалната конкуренция [7] и сексуалния конфликт [1] и от значение за теоретичните модели на сексуален подбор и честна сигнализация [8].

Двукратният бръмбар на калинка Adalia bipunctata (Coleoptera: Coccinellidae) е широко използван за разследване на множество въпроси в поведението на чифтосване и сексуалния подбор, включително женските предпочитания [9] и съпротива срещу чифтосване [10], полиандрия [11], брачни подаръци [12 ], полово предавани болести [13] и конкуренция на сперматозоиди [14]. И все пак, въпреки че разходите за чифтосване на женски A. bipunctata са изследвани [15], разходите за мъжете са напълно неизвестни. Въпреки факта, че производството на сватбен подарък може да наложи високи разходи за други видове [16], разходите за мъжете за производството на сватбен подарък със сперматофор са също неизвестни. Може да се очаква мъжките разходи за чифтосване да са значителни при A. bipunctata, като се има предвид, че мъжките прехвърлят относително голям еякулат (~ 4% от мъжката телесна маса [17]) и се чифтосват в продължение на няколко часа [12]. Въпреки това, разходите за мъжки чифтосване при други бръмбари кокинелиди са изключително променливи, като чифтосването има вредни, пределни или дори положителни ефекти върху продължителността на живота на мъжете [18], [19].

Тук изследваме мъжките разходи за чифтосване и трансфер на сперматофор при A. bipunctata, използвайки три подхода, които оценяват разходите на различни нива (следващи [5]). Първо, за да изследваме компромисните разходи между репродукцията на мъжете и дълголетието, ние тестваме ефектите от чифтосването и трансфера на сперматофор върху продължителността на живота на мъжете след чифтосване, като назначаваме мъжете на лечение за чифтосване или без чифтосване и регистрираме трансфера на сперматофор сред мъже. Второ, ние изследваме компромисите между настоящото и бъдещото размножаване, като тестваме способността на мъжете да се чифтосват и да прехвърлят сперматофори при множество съчетания. И накрая, за да оценим енергийните изисквания, поставени върху мъжете чрез трансфер на сперматофор, ние изследваме как трансферът на сперматофор е свързан със скоростта на хранене при мъжете след чифтосване и сравняваме резултатите с предишна констатация, че чифтосването не оказва влияние върху приема на храна от мъже [20]. Открихме разходи както за чифтосване, така и за трансфер на сперматофор за мъже, включително екстремни разходи за дълголетие за чифтосване, намалена способност за прехвърляне на последователни сперматофори и увеличение след мъжкото хранене при мъжете.

Методи

Експериментални животни

Двукратният бръмбар калинка Adalia bipunctata (Coleoptera: Coccinellidae) е хищник на листни въшки с холарктично разпространение. И двата пола се чифтосват. В изследваната от нас популация на Северна Америка чифтосването включва трансфер на единичен еякулат, включително семенни течности, които се втвърдяват в капсула сперматофор в женския репродуктивен тракт. Женските изхвърлят и изяждат сперматофора след повечето съчетания (60–90%, в зависимост отчасти от хранителното състояние на мъжете [12], [17]). Калинките, използвани в тези експерименти, са от второ и трето поколение, отглеждани в нашата лаборатория, с оригиналния запас, получен от търговски доставчик (Natural Insect Control, Stevensville, Онтарио, Канада). Ларвите в късния етап бяха разделени и нововъзникващите възрастни групирани по пол. Популациите от запаси се поддържат със смес от грахови листни въшки (Acyrthosiphon pisum, отглеждана върху широк боб, Vicia faba) и стерилизирани яйца от брашнен молец (Ephestia kuehniella Zeller), стандартна диета за този вид [21].

Декларация за етика

Не се нуждаехме от разрешение за култура на A. bipunctata, тъй като е родом от Канада и не е застрашен или защитен.

Чифтосване и оцеляване на мъжете

За да тестваме ефекта от чифтосването и трансфера на сперматофор върху продължителността на живота на мъжете след чифтосването, ние произволно назначихме девствените мъже (най-малко 5 дни след еклозия) на лечение за чифтосване, при което те се чифтосват веднъж (55 мъже) или не се чифтосват (19 мъже). Ние назначихме повече мъже за лечение на чифтосване, за да получим достатъчно мъже, които са направили или не са прехвърлили сперматофор по време на чифтосване. Мъжете са поддържани на излишни грахови листни въшки преди опита за чифтосване. За провеждане на опита за чифтосване мъжките бяха въведени поотделно в чашка на Петри (50 mm × 12 mm), която съдържаше девствена жена за мъже, назначена за лечение на чифтосване. Наблюдавахме двойки, за да гарантираме, че копулацията е настъпила (т.е. интромисия на едеагус) и е продължила поне 30 минути, минимумът, необходим за трансфер на сперматозоиди [22]. Когато копулацията приключи, преместихме мъжкия в нова чашка на Петри и наблюдавахме женската до един час и записвахме дали е изхвърлен сперматофор. Средното време за изхвърляне на сперматофор е 4 минути след чифтосването при тази популация [12]. Мъжете, които не се чифтосват, бяха преместени по същия начин в нова чашка на Петри. След това мъжете се снабдяват с памук, навлажнен с 50 µl вода дневно. Преживяемостта на мъжете се оценява три пъти дневно от деня след опита за чифтосване, докато не останат оцелели мъже.

Последователно чифтосване и трансфер на сперматофор

Тествахме способността на 16 девствени мъже (поне 5 дни след еклозия) да прехвърлят сперматофори в две последователни съчетания на девствени жени. Мъжките бяха прехвърлени индивидуално в чашка на Петри (50 mm × 12 mm), съдържаща девствена женска. Наблюдавахме двойката и когато копулацията приключи, прехвърлихме мъжкия в нова чашка на Петри, съдържаща нова девствена женска, и наблюдавахме копулация. Всички копулации надвишават 30 минути, минимумът, необходим за трансфер на сперматозоиди [22]. Наблюдавахме женски в продължение на до един час след копулация и отбелязахме изхвърлянето на сперматофор.

Поглъщане на храна след мъжки прием на храна

Подложихме девствените мъже на процедура за чифтосване, при която те се чифтосват веднъж с девствена жена или не се чифтосват и след това записваме масата на яйцата от брашнен молец (наричана по-долу „храна“), изядени от мъжете след чифтосването. Този експеримент е проведен като част от по-голямо проучване върху поведението на A. bipunctata при хранене, а незначителният ефект от чифтосването върху приема на мъжка храна е докладван другаде [20]. Тук отчитаме ефекта върху мъжкото хранене на сперматофорния трансфер сред мъжки мъже. Описана е експерименталната процедура [20]. Накратко, 25 девствени мъже бяха въведени в чашка на Петри (50 mm × 12 mm), съдържаща девствена жена. Когато копулацията приключи, мъжкият беше преместен на арена за хранене (алуминиева лодка за претегляне), съдържаща известна маса храна. След 250 минути прехвърлихме мъжкия на нова арена за хранене до 24 часа след копулацията. Претеглихме останалата храна на всяка арена след отстраняване на мъжете и генерирахме мерки за хранене на мъжете през двата интервала чрез изваждане. Поправихме оценката на масата на изядената храна, като извадихме средната загуба на маса на храна в контролни арени за хранене, които не съдържаха калинка. Наблюдавахме чифтосването на женските за изхвърляне на сперматофор до един час след чифтосването.

Анализи

Ние анализирахме ефекта от чифтосването и трансфера на сперматофор върху продължителността на живота на мъжете чрез модел на оцеляване с пропорционални рискове, включващ една обяснителна променлива с три нива: не е чифтосван, чифтосван с трансфер на сперматофор и чифтосван без трансфер на сперматофор. Представяме средната продължителност на живота с доверителни интервали, базирани на 1000 реплики на bootstrap (проведено в Excel 2010, Microsoft, Редмънд, Вашингтон, САЩ). Тествахме вероятността от трансфер на сперматофор в две последователни съчетания чрез изчисляване на биномни вероятности. Тествахме за ефект на трансфера на сперматофор върху скоростта на хранене при мъжете чрез еднопосочен дисперсионен анализ. Тъй като размерът на извадката беше небалансиран, ние също анализирахме тези данни с непараметричен тест на Wilcoxon. Където е уместно, потвърдихме, че данните отговарят на предположенията за параметрична статистика. Анализите бяха проведени с помощта на JMP v10.0 (SAS Institute, Cary, North Carolina, USA).

Достъп до данни

Данни от това проучване са на разположение от съответния автор.

Резултати

Чифтосване и оцеляване на мъжете

Оцеляването на мъжете е силно повлияно от това дали мъжете са се чифтосвали, но не и от трансфера на сперматофор (Фигура 1, Таблица 1). Съчетаните мъже, независимо от прехвърлянето на сперматофор, са имали приблизително 4 пъти по-голям риск от смърт в сравнение с мъже, които не са свързани (таблица 1). Един мъж (при лечението без чифтосване) е изгубен и включен като цензурирани данни.

Криви на оцеляване за мъже след неспаряване (синя линия) или единично чифтосване, при което мъжете сперматофори са прехвърлили сперматофор (червена линия) или не (черна линия). Засенчените региони показват 95% доверителни интервали. Вмъкването показва квантилови графики на кутиите за продължителността на живота след чифтосването в трите групи.

Последователно чифтосване и трансфер на сперматофор

Всички 16 мъже се чифтосват два пъти в рамките на периода на наблюдение. Девет от 16 мъже прехвърлиха сперматофори при първото си чифтосване. Само един мъж обаче е прехвърлил втори сперматофор. Биномната вероятност за наблюдение на стойност 1/9 или по-малка (при очаквана честота 9/16) е 0,007, което показва, че вероятността от трансфер на сперматофор при второ чифтосване е значително намалена след трансфер на сперматофор при първоначално чифтосване.

От 7 мъже, които не са прехвърлили сперматофор при първоначалното чифтосване, четирима са прехвърлили сперматофор при второто чифтосване. Тази честота е много подобна на честотата на трансфер на сперматофор при първоначално чифтосване и показва, че трансферът на сперматофор не е по-вероятно при второ чифтосване, ако е неуспешно при първоначално чифтосване.

Поглъщане на храна след мъжки прием на храна

Ефектът от изхвърлянето на сперматофор върху храненето на мъжете е сходен и през двата периода от време и затова представяме резултати за общото поглъщане на храна.

Наблюдавахме изхвърляне на сперматофор след 20 от 25 чифтосвания. Мъжете са яли приблизително 65% повече храна след прехвърляне на сперматофор, отколкото след чифтосване без трансфер на сперматофор (Фигура 2; F1,22 = 5.1, P = 0.03). Тази разлика остава значителна, когато се анализира с непараметричен тест на Уилкоксън (Z = -2,1, P = 0,03).

Поглъщане на храна от мъже, които са направили или не са прехвърлили сперматофор в едно чифтосване. Лентите показват стандартни грешки.

Дискусия

Разходи за чифтосване

Ние показваме, че чифтосването води до разходи за оцеляване на мъжкия A. bipunctata, което е независимо от трансфера на сперматофор. Размерът на тази цена на чифтосване беше екстремен. За сравнение, мъжете на три други бръмбари коцинелиди изпитват по-малко тежки ефекти от продължителността на живота от чифтосване 5 пъти, вариращи от ∼5–9% намаляване на Propylea dissecta до незначително намаляване на Cheilomenes sexmaculata и дори ∼40% увеличение на Coccinella septempunctata, в сравнение с не чифтосване [18], [19]. Необходимо е допълнително проучване, за да се изясни основата на тази вариация. Въпреки че може да се предположи, че сватбеният подарък от сперматофор, произведен от мъжкия A. bipunctata, показва по-сложен и следователно по-скъп еякулат, сперматофорите също се произвеждат от C. septempunctata и понякога се ядат от жени [23]. При други насекоми експериментални проучвания отчитат или никакво, или само минимално намаляване на продължителността на живота на мъжете от едно чифтосване (при пеперудите Bicyclus anynana [24] и Lethe diana [25]; ), или намаления от 13% (при сепсидната муха Saltella sphondylli [27]), 21% (при пеперудата Pieris napi [24]) и 52% (при семенната грешка Togo hemipterus [28]). Като цяло, въпреки че разходите за дълголетие при мъжете са широко разпространени [5], размерът на разходите е изключително променлив.

Разходите за оцеляване на разходите за чифтосване могат да бъдат свързани с разходите за производство на компоненти на сперматозоиди и еякулат, различни от капсулата на сперматофора, което може да бъде значително, като се има предвид, че тези несперматофорни компоненти представляват ∼4% от мъжката телесна маса при едно чифтосване [17] . Алтернативно, разходите за оцеляване на чифтосването могат да произтичат от енергийните изисквания на копулирането, което обикновено отнема повече от два часа в тази популация [12], [17]. Разходите за чифтосване също могат да бъдат резултат от енергия, вложена в ухажване, както е показано при други видове [29], но прекомерните разходи за ухажване са малко вероятни при A. bipunctata. Ухажването е много минимално и рядко се наблюдава устойчивост на чифтосване от репродуктивно зрели, неспарени жени в добро хранително състояние, като тези, използвани в тези експерименти.

Въпреки разходите за оцеляване на чифтосването, установихме, че мъжете поддържат готовност за чифтосване в две последователни чифтосвания, въпреки че е по-малко вероятно да прехвърлят сперматофор при второ чифтосване. Прехвърляне на сперматозоиди е възможно дори когато не се наблюдава изхвърляне на сперматофор след чифтосване (непубликувани данни) и по този начин може да бъде от полза за мъжете да се чифтосват, дори когато не могат да прехвърлят пълен еякулат. Ясно е, че мъжките управляват този компромис между възможностите за чифтосване и еякулацията по различни начини за различните видове, като мъжете от някои видове забавят повторното чифтосване по време на попълването на еякулата [30] - [32], а мъжете от други видове -чифтосване и прехвърляне на по-малки еякулати [24] или еякулати, изчерпани в определени компоненти [33]. Нашата констатация, че мъжките A. bipunctata запазват желанието си за повторно чифтосване, е в съответствие с констатациите от други полигинични видове, при които мъжките могат да се чифтосват многократно [34], а също така съответства на мъжкото поведение при калинката Coccinella septempunctata, при която мъжките чифтосват се последователно, но производителността на чифтосване (продължителност на копулация и коремни движения) намалява в сравнение с последователните чифтосвания [35].

Сперматофорни разходи

Трансферът на сперматофор не налага никакви забележими разходи за дълголетие на мъжете. Вместо това разходите се появиха в две форми. Първо, нашата констатация за увеличен прием на храна от мъже след трансфер на сперматофор предполага, че мъжете променят своето похранно поведение, за да възстановят енергийните разходи, свързани с трансфера на сперматофор. Интересното е, че енергийните изисквания на трансфера на сперматофор не се превръщат в разходи за дълголетие, дори когато мъжете са възпрепятствани да възстановяват тази енергия чрез хранене (първи експеримент; Фигура 1). Това предполага, че инвестицията в сперматофори може вместо това да се компрометира с бъдещи репродуктивни инвестиции, което е в съответствие с нашите констатации или с други аспекти от историята на живота (например имунната функция), които не са разгледани тук. По-рано съобщавахме за минимален ефект от чифтосването върху приема на храна от мъже [20] и чрез сравняване на фигура 2 от това проучване с фигура 1 (а) от това проучване е очевидно, че приемът на храна от мъже, които не са прехвърлили сперматофор попада в обхвата на мъже, които не се чифтосват.

Втора форма на разходите е, че мъжете имат само ограничена способност да прехвърлят сперматофори в две последователни чифтосвания, което означава, че инвестирането в текущо възпроизводство се дължи на бъдещите резултати на чифтосване. По-горе обсъдихме различните стратегии, които мъжете използват, за да управляват този компромис. Подобни спадове в представянето с допълнителни съчетания са често срещани [5], но не и универсални [34].

Разходите, свързани с прехвърлянето на сперматофор, могат да включват разходите за производство на самия сватбен подарък на сперматофора, както и всички други компоненти на еякулата, свързани с прехвърлянето на сперматофор. Например, неуспехът да се прехвърлят достатъчни количества от семенните течности, които образуват сперматофорната капсула, може да бъде свързан с по-нисък общ пренос на семенна течност или сперма. Неуспехът на трансфера на сперматофор обаче не представлява пълно отсъствие на трансфер на еякулат, тъй като често наблюдаваме трансфер на сперматозоиди при съчетания, които не включват трансфер на сперматофор (непубликувани данни). Като цяло е предизвикателство за всеки вид експериментално да се изолират разходите за ендогенно сватбено производство на подаръци (за разлика от подаръците, които мъжките придобиват от околната среда, като например плячка [36]), от други разходи за чифтосване, тъй като е трудно да се произволно възлагане на брачно производство на подаръци на мъже. Други корелативни доказателства за разходите за сватбени подаръци идват от ортотерали, включително продължителни закъснения при повторно чифтосване на мъжете [31], [32], [37], сравнителни доказателства, че мъжете отнемат повече време за възстановяване при видове, които произвеждат по-големи брачни дарове [38] и доказателства, че производството на сперматофор се търгува с имунната функция при крикет [39].

Заключения

Това проучване подчертава стойността на оценката на разходите за чифтосване на мъже с помощта на няколко валути. Открихме компромис с дълголетие за самото чифтосване и компромис с бъдещо възпроизводство за сватбен трансфер на сватбен подарък. Освен това мъжете увеличават скоростта си на храна след прехвърляне на сперматофор, което предполага енергийни разходи. Нашите открития, че чифтосването и трансферът на сперматофор са скъпи за мъжете, предполагат, че мъжките A. bipunctata трябва да бъдат придирчиви към своите партньори. Тази прогноза противоречи на предишното ни наблюдение, че мъжките калинки лесно се опитват да се чифтосват с жени в лошо състояние [10], [12]. Въпреки това, дори ако изборът на мъжки партньор преди копулация наистина е ограничен, мъжкият A. bipunctata може да се включи в тайнствен избор на партньор, като насочи повече еякулат към висококачествени женски. И двете форми на избор на мъжки партньор остават отворени въпроси в тази добре проучена система за чифтосване.

Благодарности

Благодарим на L. Rowe за дискусията и P. Carazo, L. Rowe и двама анонимни рецензенти за коментари по ръкописа.

Принос на автора

Замислени и проектирани експерименти: JP CT. Изпълнява експериментите: JP CT. Анализирани данни: JP CT. Написа хартията: JP CT.