Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания

Кореспонденция

М. Флоренсия Камю, Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания.

Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания

Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания

Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания

Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания

Кореспонденция

М. Флоренсия Камю, Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания.

Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания

Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания

Изследователски отдел по генетика, еволюция и околна среда, Университетски колеж Лондон, Лондон, Великобритания

Информация за финансиране:

Това проучване е финансирано от изследователска стипендия на Мария Склодовска-Кюри (# 708362) към MFC.

Резюме

Чифтосването причинява много промени във физиологията, поведението и генната експресия в широк спектър от организми. Предвижда се тези промени да са специфични за пола, повлияни от различните репродуктивни роли на половете. При женските насекоми чифтосването е свързано с увеличаване на производството на яйца, което изисква високи нива на хранителни добавки с преки последици за физиологичните нужди на отделните женски. Следователно женските променят хранителните си усвоявания в съответствие с физиологичните изисквания, наложени от чифтосването. Въпреки че се знае много за хранителния отговор, предизвикан от женското чифтосване, много по-малко се знае за промените при мъжете. В допълнение, не е известно дали вариацията между генотипите се превръща в промяна в диетичните поведенчески отговори. Тук ние изследваме предизвиканите от чифтосването промени в диетичните предпочитания на мъжете и жените в генотипите на Drosophila melanogaster. Откриваме специфични за пола и генотипа ефекти както върху количеството, така и върху качеството на избраната диета. Тези резултати допринасят за нашето разбиране на специфичния за пола метаболизъм и разкриват генотипни вариации, които влияят на отговорите на физиологичните нужди.

1. ВЪВЕДЕНИЕ

Много видове проявяват множество промени във физиологията, поведението и генната експресия след чифтосването. Предполага се, че отговорите на чифтосването са специфични за пола и тези различия могат да се отдадат на различните репродуктивни роли на половете. Например чифтосването предизвиква значителни промени при женските насекоми, включително: повишена скорост на снасяне на яйца, увеличена консумация на храна, намален имунитет и намалена възприемчивост към ухажващите мъже (Chapman, Liddle, Kalb, Wolfner, & Partridge, 1995; Liu & Kubli, 2003; Rolff & Siva-Jothy, 2002; Sgrò, Chapman, & Partridge, 1998). По-малко се знае за отговорите на чифтосването при мъжете, въпреки че се прогнозира, че те включват предимно попълване на запасите от сперматозоиди и семенни течности (Sirot, Buehner, Fiumera и Wolfner, 2009). Няколко проучвания, използващи Drosophila melanogaster са имали за цел да разкрият генните продукти, които реагират на чифтосването, въпреки че тези проучвания са изследвали отделно мъжете и жените (Dalton et al., 2010; Ellis & Carney, 2010; Innocenti & Morrow, 2009; Lawniczak & Begun, 2004).

Съвсем наскоро специфичен за пола транскриптомен анализ на семенния бръмбар Callosobruchus maculatus хвърли малко светлина върху генната експресия, засегната от чифтосването; с жени, показващи повече гени, отговарящи на чифтосването, отколкото мъже (

Въпреки че има доказателства, че половете се различават в диетичните си нужди, за да увеличат максимално своята годност (Jensen, McClure, Priest, & Hunt, 2015; Maklakov et al., 2008), понастоящем не е известно дали генетичните ефекти върху метаболома се превръщат в вариация в поведенчески реакции като цяло и дали генотипът на индивида ще окаже влияние върху хранителните промени, предизвикани от чифтосването, по-специално. Напоследък са установени значителни генетични вариации в хранителните изисквания и диетичния избор за мъже и жени Дрозофила (Camus, Fowler, Piper, & Reuter, 2017; Reddiex, Gosden, Bonduriansky, & Chenoweth, 2013). Заедно тези резултати предполагат, че генотиповете се различават по скоростта и ефективността, с които придобиват и обработват хранителни вещества, и в крайна сметка при превръщането на тези хранителни вещества в репродуктивна продукция.

Тук ние питаме дали мъжете и жените променят диетичното си поведение в отговор на чифтосването и дали предизвиканите от чифтосване диетични промени зависят от генотипа. Използваме техники за цитогенетично клониране и измерваме отговорите в диетични предпочитания към чифтосването между шест генотипа и при двата пола. Нашите резултати показват специфични за пола и генотипа отговори на чифтосването. Жените показват значителна реакция както на количеството, така и на качеството на консумираната храна; предпочитайки да консумирате диета с по-висока концентрация на протеин след чифтосване. Освен това намираме специфични за генотипа отговори и ги свързваме с получените по-рано измервания за фитнес. Мъжките, от друга страна, не показват обща диетична тенденция след чифтосването, въпреки че откриваме сложни взаимодействия между отговора на чифтосването и генотипа на отделната муха. Като цяло тези резултати допринасят за нашето разбиране на специфичния за пола метаболизъм и гъвкавите отговори на физиологичните изисквания.

2. МАТЕРИАЛИ И МЕТОДИ

2.1 Летене на запаси и поддръжка

Използвахме D. melanogaster лабораторна популация LHM за нашите експерименти. Това се поддържа като голяма безплодна популация за над 400 поколения, които не се припокриват (Chippindale, Gibson, & Rice, 2001; Rice, 1996), поддържани в строг 14-дневен режим, с постоянна плътност на ларвите (

175 ларви на флакон) и възрастни (56 флакона от 16 мъжки и 16 женски) стадии. Всички LHM мухи са отглеждани при 25 ° C, при 12 часа: 12 часа светлина: тъмен режим, върху хранителна среда от царевично брашно – меласа – дрожди – агар.

Използвахме хемиклонален анализ за вземане на проби от популацията на шест хаплоидни генома, състоящи се от хромозоми X, II и III (хромозомата с четвърта точка се игнорира). Хаплоидните геноми се поддържат без рекомбинация и се изразяват при мъже и жени. Експерименталните мухи споделят геномен хаплотип (тук хемиклон), допълнен от хромозоми, произволно получени от основната популация (Chippindale et al., 2001). Като се имат предвид, че както целевите хаплоидни геноми, така и допълващите геноми са получени от популацията на LHM, всяка хемиклонална муха се счита за безплодна. Експерименталните линии не са избрани на случаен принцип. Установено е, че избраните линии на хемиклона имат различаващи се нива на продуктивност на жените в предишно проучване, което показва високи нива на вариация в женската годност в популацията LHM (Camus et al., 2017). Избрахме две линии, които имат като цяло най-висока и най-ниска производителност (съответно M40 и M55), докато останалите четири линии бяха избрани, за да представят равномерно разпределение между двете крайности (M39, M8, M91, M52).

2.2 Синтетична диета

2.3 Анализ на хранителните предпочитания

2.4 Статистически анализи

Като се има предвид, че експериментите бяха проведени отделно за мъже и жени, ние анализирахме отделно за всеки пол. Използвахме тригонометрия, за да разграничим количеството и качеството на храната, консумирана от мухи, и техните промени със състоянието на чифтосване (Фигура 1). За да определим количествено консумираната храна, изчислихме дължината на вектор, започвайки от произхода (0,0) до точката на равнището на въглехидрати и протеини, описвайки консумацията, измерена за повторно трио индивиди. За да определим количествено качеството на консумираната храна, изчислихме ъгъла (α), създаден между всеки вектор на консумация и х- ос. Стойността на ъгъла дава индикация за предпочитание към протеини или въглехидрати. Например, ако α 45 ° ще означава въглехидратно диетично предпочитание (Фигура 1).

изборът

За да определим дали изборът на диета при мъжете и жените зависи от състоянието им на чифтосване и генотипа, ние подложихме дължините и ъглите на вектора на многовариационен дисперсионен анализ (MANOVA). Първо премахнахме ефекта от „експериментален блок“, като стартирахме предварителен модел, с дължина и ъгъл на вектора като променливи на отговора и блок като фиксиран ефект. След това извлекохме остатъците от този модел и ги използвахме като променливи на отговора за основния анализ. Основният модел имаше (остатъчна) дължина и ъгъл на векторите като променливи на реакция, със статут на чифтосване и генотип като фиксирани ефекти. Нашият двуетапен моделен подход заобикаля факта, че не е възможно да се моделира дисперсионен многовариатен анализ със случайни ефекти, без да се използва байесова статистика. Използвайки двустепенен моделен подход, успяхме първо да премахнем случайния ефект на „блок“ от нашите данни в предварителен модел и след това да измерим ефектите от „генотип“ и „състояние на чифтосване“ върху остатъците от този предварителен модел.

Като се има предвид, че избрахме генотипове въз основа на женската годност, вместо да ги вземаме на случаен принцип от популацията, включихме генотип като фиксиран ефект. Проследихме MANOVA с отделни едновариантни дисперсионни анализи (ANOVA) за всяка променлива на отговора. След едномерните анализи, ние извършихме post hoc тестове на Tukey, за да идентифицираме генотипове, които се различават значително един от друг по отношение на количеството и качеството на диетата си. Всички анализи бяха извършени в R версия 3.3.2 (Екип, 2016).

3 РЕЗУЛТАТА

При жените открихме значителен ефект от състоянието на чифтосване върху избора на диета в цялостния многовариатен модел (проследяване на Pillai = 0.73657, приблизително. F = 313.160, стр Таблица 1. Резултати от мултивариантни (MANOVA) и едномерни (ANOVA) резултати за всеки пол

При мъжете не наблюдаваме значителна реакция на чифтосване (следата на Pillai = 0,012007, прибл. F = 1,1788, стр = .31, Таблица 1) в общия многовариатен модел. Открихме значителни разлики в консумацията между генотипите (следата на Pillai = 0,231438, приблизително. F = 5,1036, стр

4. ДИСКУСИЯ

Въпреки че нашата протеинова диета се състои предимно от пречистени аминокиселини плюс витамините/минералите/липидния буфер, тя съдържа 4% въглехидрати от екстракт от мая. Това беше необходимо, тъй като нашите предварителни данни установиха, че мухите няма да ядат чисто синтетична протеинова диета, изработена от пречистени аминокиселини, което предполага, че холидната среда може да липсва ключова сензорна реплика за мухата. Въпреки че не можем напълно да разграничим възможните ефекти на въглехидратите в нашата протеинова диета, тази диета има много по-голяма концентрация на протеин (> 90%: аминокиселини, витамини/минерали/липиден буфер, екстракт от мая) от всички предишни проучвания (

42%: екстракт от мая) и по този начин нашето проучване е по-информативно за ефектите на протеините върху хранителните предпочитания.

В заключение наблюдаваме диетичен превключвател в отговор на чифтосването, при което мухите променят както количеството, така и качеството на предпочитаната от тях диета в резултат на чифтосването. Въпреки че наблюдавахме по-голям отговор при жените, и двата пола показаха значителни нива на генотипична вариация за диетичен избор. Тези резултати се привеждат в съответствие с публикувани данни, при които женските увеличават количеството на консумираната диета след чифтосване, с общо преместване в баланса на макроелементите към по-висока концентрация на протеин (Corrales-Carvajal et al., 2016; Ribeiro & Dickson, 2010; Vargas и др., 2010). Нашите данни показват, че има генотипични вариации в метаболитната обработка и/или подаването на хранителни вещества в D. melanogaster, в крайна сметка причинява вариации във фитнеса. Бъдещите изследвания трябва да се съсредоточат върху идентифицирането на генетичната архитектура на вариациите в метаболитните пътища, по които може да действа селекцията, и изследване как селекцията действа върху диетичните избори, направени от всеки пол.

ПРИЗНАВАНИЯ

Благодарим на членовете на Reuter Group за полезни дискусии и помощ при експерименти. Благодарим и на двама анонимни рецензенти за полезни коментари по ръкописа