Postkopulační pohlavní výběr ovlivňuje evoluci bakula u primátů a masožravců

Úvod

Uvádí se, že morfologie samčích nitroděložních orgánů podléhá rychlejší divergentní evoluci než kterákoli jiná forma v živočišné říši. Baculum neboli penisová kost se tomuto trendu nevymyká a byla popsána jako „nejrozmanitější ze všech kostí“ (, s. 1), dramaticky se lišící v délce, šířce a tvaru napříč savci.

Baculum není u savců zastoupeno jednotně. Předpokládalo se, že existuje pouze u osmi savčích řádů: Afrosoricida, Carnivora, Chiroptera, Dermoptera, Erinaceomorpha, Primates, Rodentia a Soricomorpha . Nedávno však bylo zjištěno, že malé baculum má i lakomec, pika americká (Ochonta princeps) . Tento objev naznačuje, že přítomnost bakula může být u savců rozšířenější, než se historicky předpokládalo. V některých řádech se přítomnost a nepřítomnost bakula u různých druhů mísí; jedná se o Carnivora, Chiroptera, Primates a Rodentia. Například u primátů chybí baculum člověku, tarbíkům a některým platyrrhinům. Podobně lze rozdělit i Lagomorphia. Kromě zdokumentování přítomnosti a nepřítomnosti bakula napříč řády savců nebyla evoluční historie bakula donedávna studována, takže mnoho otázek zůstalo nezodpovězeno.

Předpokládá se, že morfologie pohlavních orgánů (a tedy i bakula) podléhá pohlavnímu výběru . Několik dosud provedených empirických testů může tuto hypotézu podporovat. Stockley et al. zjistili, že šířka bacula u polygamních myší domácích (Mus domesticus) je významným prediktorem reprodukčního úspěchu samců. Simmonsovi & Firmanovi se podařilo šířku bacula experimentálně manipulovat změnou úrovně sexuálního selekčního tlaku v populacích myší domácích. Po 27 generacích měly populace s uměle vynucenou vysokou úrovní postkopulačního sexuálního selekčního tlaku výrazně silnější bakule než populace, v nichž byla vynucena monogamie a sexuální selekční tlak tedy chyběl. Tyto studie naznačují, že vnitropohlavní výběr, zejména postkopulační tlak pohlavního výběru, může být hnací silou evoluce bakul. Pokud tomu tak je, měly by baculy populací s vysokou úrovní vnitropohlavního selekčního tlaku, jako jsou populace s polygamním (více samců, více samic) nebo sezónním párovacím systémem, podléhat silnějším evolučním silám.

Různé párovací systémy vytvářejí variabilitu v úrovni postkopulačního sexuálního selekčního tlaku, a tedy morfologickou variabilitu; například druhy s vysokou úrovní konkurence spermií mají tendenci mít velká varlata v poměru k tělesné hmotnosti . Zbytková hmotnost varlat je proto považována za spolehlivé měřítko párovacího systému populace, a tedy i míry tlaku pohlavního výběru . Orr & Brennan zjistil, že relativní hmotnost varlat je významným prediktorem přítomnosti bakula napříč Chiroptera, Eulipotyphla, Primates a Rodentia. Stejná studie však nezjistila žádný vztah mezi přítomností nebo šířkou bakula a systémem páření, což naznačuje, že ve hře může být ještě třetí proměnná. Ramm testoval vztah mezi hmotností varlat a délkou bakula u čtyř řádů tak, že nejprve stanovil úroveň fylogenetické závislosti mezi druhy a poté provedl vhodně korigované regrese. Pozitivní vztah mezi hmotností varlat a délkou bakula byl zaznamenán u Rodentia a Carnivora, ale stejný test nezjistil žádný vztah u primátů ani Chiroptera.

Adaptivní funkce bakula při vysoké úrovni vnitropohlavní selekce musí být teprve stanovena. Potenciální strategií, kterou by samec mohl zvýšit svůj reprodukční úspěch tím, že předčí konkurenční samce, je prodloužení intromise a následné oddálení páření samice s jiným samcem . Hypotéza prodloužené intromise tvrdí, že baculum pomáhá usnadnit toto prodloužené trvání intromise tím, že podpírá penis .

V této souvislosti je proximátním mechanismem bacula působit jako podpůrná tyč, která zpevňuje penis a chrání močovou trubici během prodloužené intromise . Nedávná studie na třech různých druzích netopýrů zjistila, že baculum tvoří funkční jednotku s corpora cavernosa, která chrání špičku žaludu a dřík penisu při erekci . Autoři předpokládají, že baculum také pomáhá omezit zúžení distální močové trubice a otvoru močové trubice ve vztyčeném penisu během intromise, což usnadňuje tok spermií. U mnoha druhů primátů, u nichž je baculum prodloužené, distální konec kosti při erekci mírně vyčnívá z močové trubice . Tím by se mohlo baculum během intromise dostat do kontaktu s děložním hrdlem samice, což by usnadnilo přenos spermatu do cervikálního kanálu .

Důkazy pro hypotézu prodloužené intromise se zatím ukázaly jako sporné. První studie zjistily, že prodloužená intromise koreluje s prodlouženými bakulemi u primátů a masožravců ; tyto studie však nebraly v úvahu statistickou nezávislost údajů, která vzniká v důsledku společné evoluční historie mezi druhy. Pozdější studie, korigovaná s ohledem na fylogenezi, testovala korelaci mezi prodlouženou intromisií a délkou bakuly u severoamerických masožravců, ale nenašla podporu pro tuto hypotézu . Údaje k ověření této hypotézy však byly k dispozici pouze pro 18 druhů, z nichž pouze dva byly charakterizovány jako druhy s krátkou dobou intromise. Dixson a kol. tvrdí, že tento vzorek není dostatečně reprezentativní, aby rozhodně vyvrátil hypotézu o prodloužené intromisi, a provedli vlastní fylogeneticky korigovanou analýzu na vzorku 57 druhů savců. Tentokrát byla zjištěna významná korelace mezi oběma proměnnými. Přestože obě studie byly korigovány na fylogenezi, pokud není před úpravou analýzy stanoven stupeň fylogenetické závislosti, může korekce na fylogenezi vést k zavádějícím nebo nesprávným výsledkům, protože úroveň příbuznosti mezi druhy se v rámci fylogeneze liší . Bayesovské analýzy s Markovovým řetězcem Monte Carlo (MCMC) umožňují zahrnout do analýzy fylogenezi druhů namísto pouhé korekce na fylogenezi, a mohou tak přinést spolehlivější výsledky .

V nové studii použili Schultz a spol. dřívější fylogenetické metody stochastického mapování k modelování přítomnosti a nepřítomnosti bacula u 954 druhů savců a tvrdí, že baculum se u savců nezávisle vyvinulo minimálně devětkrát. Je však nepravděpodobné, že by tento vzorek odrážel průběh evoluce v celé třídě savců, zejména proto, že absence bacula byla zaznamenána pouze u 103 druhů.

Zde používáme fylogenetické srovnávací metody v rámci bayesovské metody MCMC ke zkoumání evoluční historie bacula a zkoumáme hypotézu, že zvýšená úroveň vnitropohlavní selekce ovlivňuje evoluci bacula. Nejprve jsme rekonstruovali evoluční trajektorii bacula napříč celou třídou savců a zkoumali rychlost vývoje bacula v řádu primátů. Poté jsme testovali vztah mezi délkou bacula a hmotností varlat u primátů i masožravců. Dále jsme testovali korelaci evoluce mezi přítomností bakula a délkou intromise u primátů a poté jsme provedli fylogenetické t-testy, abychom zjistili, zda primáti a masožravci s delší dobou intromise mají delší bakula než primáti s krátkou dobou intromise. Nakonec jsme pomocí stejných testů zjišťovali, zda zvýšená úroveň postkopulačního sexuálního selekčního tlaku způsobená (i) polygamními systémy páření a (ii) sezónními způsoby rozmnožování vedla u primátů k prodloužení délky bakulí. Primáti a masožravci jsou pravděpodobně obzvláště vděčné skupiny pro studium, protože v rámci každého řádu existuje směs přítomnosti a nepřítomnosti bakula. To znamená, že rozdíly mezi jedinci s bakulemi a bez nich lze sledovat spíše na úrovni druhů než napříč řády. Navíc jsou tyto řády pravděpodobně podrobněji studovány než jiné skupiny savců, takže je k dispozici více údajů.

Pokud baculum usnadňuje prodlouženou intromisi a větší blízkost k děložnímu hrdlu s cílem snížit úroveň konkurence spermií a zvýšit reprodukční úspěch, pak lze učinit a testovat několik předpovědí. Dalo by se očekávat, že bude existovat vztah mezi délkou bacula a hmotností varlat, který lze použít jako ukazatel úrovně postkopulace sexuálního selekčního tlaku v populaci. Očekávalo by se, že délka intromise bude v průběhu evoluce korelovat s přítomností bakula. Druhy s delším trváním intromise by měly mít prodloužené bakule. A konečně, skupiny, ve kterých je postkopulační tlak sexuálního výběru nejvyšší, například ty, ve kterých je páření polygamní nebo probíhá sezónně, by měly mít delší bakule než skupiny s nižší úrovní postkopulačního tlaku sexuálního výběru.

Materiál a metody

Rekonstrukce stavu předků, testy korelované evoluce, testy vztahů znaků a fylogenetické t-testy byly provedeny pomocí programu BayesTraits (v. 2) . Údaje o znacích byly sestaveny z literatury (elektronický doplňkový materiál).

K rekonstrukci ancestrálních stavů přítomnosti bakule napříč řádem savců byla použita supertree fylogeneze 5020 existujících savců . Všechny analýzy řádů primátů a masožravců byly provedeny na základě posteriorního rozdělení 10 000 molekulárních fylogenezí odvozených pomocí bayesovských metod MCMC . Chronogramy byly použity ve všech rekonstrukcích stavů předků a testech korelované evoluce, zatímco fylogramy byly použity v testech vztahů znaků a fylogenetických t-testech.

K odhadu diskrétních stavů předků byla použita metoda MCMC s reverzibilním skokem a exponenciálním hyperpriorem v rozmezí 0 až 0,07 . Každý řetězec byl spuštěn pro 5 milionů iterací s burn-in 50 000 iterací; to platilo pro všechny analýzy kromě modelu s proměnlivými stavy. Zajímalo nás odvození sedmi klíčových uzlů napříč fylogenezí savců, stejně jako ancestrální stav přítomnosti bakula pro oba řády primátů a masožravců (elektronický doplňkový materiál, obrázek S1). Uzly byly konstruovány pomocí procedury „add MRCA“ v BayesTraits .

Pro rekonstrukci průběhu evoluce délky bacula napříč řádem primátů byl použit model s proměnlivou rychlostí (podle Vendittiho et al. ). Tento model umožňuje měnit rychlost evoluce napříč fylogenezí v čase a identifikovat, kdy a kde se evoluční rychlost lišila bez předchozí znalosti. Protáhlé větve fylogenetického stromu naznačují, že se znak vyvíjel rychle, a stlačené větve ukazují na pomalou rychlost změny znaku. Model byl spuštěn pro 10 milionů iterací se spálením 100 000 iterací.

Délka bakula a hmotnost varlat byly testovány na vztah pomocí vícenásobné regrese mezi délkou bakula, hmotností varlat a tělesnou hmotností dospělých samců. Model byl spuštěn třikrát a byl vybrán řetězec s mediánem logaritmické marginální pravděpodobnosti; tento přístup byl použit i při provádění korelačního vývoje a testování hypotéz. Podíl parametru sklonu (β), který překročil nulu, byl použit pro stanovení p-hodnot (podle metody Organ et al. pro fylogenetické t-testy).

Pro testování korelované evoluce mezi přítomností bakula a délkou intromise jsme porovnávali logaritmickou marginální pravděpodobnost nezávislých (znaky omezené na samostatný vývoj) a závislých modelů. Byla použita exponenciální hyperpravděpodobnost s rozsahem 0-0,05. Oba modely byly porovnány pomocí logaritmických přirozených Bayesových faktorů (BF), vypočtených jako dvojnásobek rozdílu logaritmických mezních pravděpodobností mezi modely . BF byly interpretovány podle Kass et al : 0-2 – minimální podpora; 2-6 – pozitivní podpora; 6-10 – silná podpora; více než 10 – velmi silná podpora. Nedávná literatura poukázala na několik problémů s použitím harmonického průměru jako míry pro odhad logaritmické marginální pravděpodobnosti modelu a na relativní výhody metody stepping-stone sampling, o níž se tvrdí, že je přesnější . Proto jsme k odhadu logaritmické marginální pravděpodobnosti použili metodu stepping-stone sampling. Na 10 000 iterací Markovova řetězce bylo použito sto kamenů. Podle Xie et al. bylo použito rozdělení beta (α, 1,0) a hodnota α byla stanovena na 0,3. Krokové kameny byly tímto způsobem použity pro všechny testy příbuznosti znaků, korelované evoluce a fylogenetické t-testy.

MMC fylogenetické t-testy byly použity k testování hypotéz zohledňujících statistickou nesamostatnost dat v důsledku společné evoluční historie (podle Organ et al. ).

Výsledky

Vícestavová analýza v BayesTraits (n = 1818) ukazuje, že předek savců neměl baculum (absence bacula, střední pravděpodobnost = 0,98). Rekonstrukce stavu předků v šesti uzlech (tabulka 1; elektronický doplňkový materiál, obrázek S1) naznačují, že baculum se poprvé vyvinulo po rozdělení neplacentárních a placentárních savců (absence bacula, střední pravděpodobnost = 0,93), ale předtím, než se vyvinul nejnovější společný předek (MRCA) primátů a masožravců (přítomnost bacula, střední pravděpodobnost = 0,99). Předek primátů i masožravců měl baculum (přítomnost bacula, střední pravděpodobnost = 1,00, resp. 1,00).

Evoluční trajektorie délky bacula byla vizualizována pomocí modelu s proměnlivou rychlostí, který roztahuje nebo smršťuje větve fylogenetického stromu podle rozdílné rychlosti vývoje znaku (obrázek 1; elektronický doplňkový materiál, obrázky S2-S4). Primáti vykazují výraznou variabilitu v délce bacula, což se odráží v jejich evoluční historii. K velmi malým změnám došlo u platyrrhinů a tarsierů, kteří mají tendenci mít malé nebo chybějící baculum, což naznačuje, že baculum předků primátů bylo poměrně malé. Naproti tomu strepsirrhiny a katarrhiny prošly poměrně rychlou evoluční změnou a mají obecně delší baculu než platyrrhiny a tarsiery. Zajímavou skupinu představují lidoopi, kteří prošli vysokou rychlostí změn, a přesto mají velmi malé nebo chybějící baculy. To naznačuje, že po rozdělení linií platyrrhinů a katarrhinů prošla bacula předků katarrhinů vysokou rychlostí evoluce a stala se mnohem delší. Když se opice následně oddělily od opic Starého světa, tento trend se obrátil a opičí baculum prošlo dalším vysokým tempem evoluce, tentokrát se však zkrátilo. (Viz elektronický doplňkový materiál pro stromy s proměnlivou rychlostí zobrazující evoluci délky bacula masožravců a evoluci hmotnosti varlat primátů a masožravců, obrázky S2-S4.)

Délku bakula nelze předpovědět z hmotnosti varlat ani u primátů (n = 46, p = 0,139, R2 = 0.03) ani u masožravců (n = 32, p = 0,231, R2 = 0,37) (elektronický doplňkový materiál, tabulka S2).

Zjistili jsme pozitivní důkaz korelované evoluce mezi přítomností bakula a délkou intromise u primátů (n = 299, log BF = 4,78; tabulka 2). Rekonstrukce ancestrálního stavu a modelové míry ukazují, že přítomnost bakula a krátké trvání intromise (průměrná pravděpodobnost = 0,73) předcházely posunu k prodloužené intromisi (obrázek 2). Poté, co se vyvinula dlouhá doba trvání intromise, baculum se ztrácelo jen zřídka. Pokud však doba trvání intromise zůstala krátká, baculum se často ztrácelo. Dlouhé trvání intromise se zřídkakdy stalo opět krátkým, pokud bylo přítomno baculum. Naopak, když baculum chybělo, délka trvání intromise se často měnila mezi dlouhým a krátkým trváním.

Hypotéza, že postkopulační pohlavní výběr ovlivňuje délku bacula, byla testována pomocí série fylogenetických t-testů (tabulka 3). V souladu s našimi předpoklady jsme zjistili, že druhy z řádu primátů i masožravců, u nichž je intromise prodloužená, mají významně delší bakule než druhy, u nichž je intromise krátká (n = 53, p = 0,000, resp. n = 41, p = 0,018). U primátů v polygamních pářících systémech bylo zjištěno, že mají významně delší baculy než primáti v ostatních pářících systémech (n = 65, p = 0,032). A konečně, sezónně se rozmnožující primáti mají významně delší bakule než primáti, kteří se nerozmnožují sezónně (n = 63, p = 0,045).

Diskuse

Naše výsledky odhalily evoluční trajektorii bacula napříč třídou savců, ukazují, že baculum se poprvé vyvinulo po rozdělení placentálních a neplacentálních savců před přibližně 145 miliony let (Ma), ale předtím, než se vyvinula MRCA primátů a masožravců před přibližně 95 Ma . Poprvé ukazujeme, že bakulum měli jak předkové primátů, tak předkové masožravců, což je výsledek, který má důležité důsledky pro studium bakula v rámci těchto řádů. Analýzy by se měly zaměřit na zkoumání důvodů, proč se baculum u některých druhů zachovalo a u jiných ztratilo, nikoliv proč se mohlo baculum vyvinout; bylo přítomno již u jejich předků.

Nezjistili jsme žádný vztah mezi délkou bacula a hmotností varlat u primátů ani masožravců, což podporuje předchozí zjištění u primátů, ale ne u masožravců . Tento rozpor je pravděpodobně vysvětlen použitím bayesovského fylogenetického rámce pro naše analýzy; naše zjištění naznačuje, že jakýkoli pozorovaný vztah mezi délkou bacula a hmotností varlat se mohl vyvinout náhodně. Ačkoli tyto výsledky neposkytují podporu hypotéze, že délka bacula je sexuálně selektovaná, nevyvracejí ji. Je možné, že aspekty morfologie bakula, jako je šířka nebo tvar, se s větší pravděpodobností mění v závislosti na hmotnosti varlat. Například šířka baculum shaft je významným prediktorem počtu potomků zplozených samci myší domácích . Orr & Brennan skutečně zjistil, že hmotnost varlat předpovídá šířku bakula u čtyř řádů savců; když však byl tento vztah testován pomocí fylogenetického modelu, šířka bakula již nebyla významným prediktorem . Je možné, že tyto výsledky by zůstaly signifikantní, kdyby byl vztah zkoumán na úrovni řádů, protože funkce bacula se může v jednotlivých řádech lišit. Naše výsledky slouží ke zdůraznění důležitosti používání úplných fylogenetických metod při zkoumání evoluce znaků.

Tato studie jako první prokázala, že přítomnost bakula korelovala s délkou intromise v průběhu evoluce primátů. Výsledek poukazuje na vzájemné působení morfologických a behaviorálních fenotypů v průběhu evoluce. Baculum fyzicky podpírá a chrání penis samce , a napomáhá přenosu spermatu směrem k děložnímu hrdlu samice . Hraje však také důležitou roli při usnadňování prodloužené intromise, která sama o sobě může být sexuálně selektovaným chováním, jehož cílem je zvýšit reprodukční úspěch oddálením opakovaného páření samic .

Naše výsledky potvrzují, že hypotéza prodloužené intromise zůstává robustní, je-li analyzována v přísném fylogenetickém rámci. Fylogenetické t-testy ukazují, že baculum je výrazně delší jak u primátů, tak u masožravců, u nichž je intromise prodloužena. To naznačuje, že prodloužení bakula v průběhu evoluce savců bylo pravděpodobně způsobeno jeho užitečností při prodloužené intromisi. Další dva fylogenetické t-testy ukázaly, že primáti v polygamních párovacích systémech a sezónně se rozmnožující primáti mají výrazně delší bakulum než primáti v jiných párovacích systémech a primáti bez sezónního rozmnožování, což zdůrazňuje význam postkopulačního pohlavního výběru jako hnací síly evoluce bakula.

Zjištění z testu korelované evoluce spolu s výsledky fylogenetických t-testů nám umožňuje začít skládat dohromady proximátní a finální funkce bakula. Polygamní párovací systémy a omezené období rozmnožování vytvářejí vysokou úroveň postkopulační sexuální konkurence. V tomto prostředí by prodloužení intromise mohlo zdržet samici od opětovného páření, a zvýšit tak šanci samce na její úspěšné oplodnění v konkurenčních podmínkách. Zajištění neomezené močové trubice a co nejmenší vzdálenosti, kterou musí spermie urazit, je způsob, jak zvýšit množství spermií transportovaných do cervikálního kanálu. Baculum slouží jako podpůrná struktura při delší intromisi, která jednak chrání močovou trubici, jednak zabraňuje jejímu zúžení .

Tyto výsledky nemusí nutně platit pro jiné řády v rámci třídy savců, ale upozorňují na potenciálně přínosné směry zkoumání. Je také důležité poznamenat, že i v rámci řádů primátů a masožravců mají pravděpodobně další faktory vliv na to, zda je baculum zachováno či nikoliv a jak se vyvíjí jeho morfologie. Studie evoluce bakula se obvykle zaměřují na to, proč je u určitých druhů přítomno, nebo proč se mohlo zvětšit na délku nebo šířku; faktory, které způsobují redukci nebo zánik bakula, byly do značné míry ignorovány.

Podnětné studie začínají rozebírat proximátní mechanismus vzniku bakula, stejně jako některé faktory, které způsobují jeho evoluci v různých řádech savců . Porovnáním těchto poznatků napříč řády a zkoumáním bacula ve fylogenetickém rámci si můžeme začít vytvářet ucelenější obraz o proximátních a konečných funkcích bacula a o tom, jak se vyvíjelo u současných druhů a jejich předků.

Dostupnost dat

Data jsou dostupná z digitálního repozitáře Dryad .

Příspěvky autorů

M.B. a C.O. navrhli výzkum; M.B. a C.O. provedli výzkum; M.B. a C.O. analyzovali data; M.B. a C.O. vypracovali rukopis. Všichni autoři dali konečný souhlas k publikaci.

Konkurenční zájmy

Nemáme žádné konkurenční zájmy.

Financování

M.B. je podporován programem NERC Doctoral Training Studentship a C.O. je podporován programem Leverhulme Early Career Fellowship.

Poznámky

Elektronické doplňkové materiály jsou k dispozici online na adrese http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.3583481.

.