Postcopulatory seksuel udvælgelse påvirker baculum evolution i primater og kødædere

Introduktion

Morfologien af mandlige intromittent organer hævdes at være genstand for mere hurtig divergerende evolution end nogen anden form i dyreriget. Baculum, eller penisbenet, er ikke imod denne tendens og er blevet beskrevet som “den mest forskelligartede af alle knogler” (, s. 1), idet den varierer dramatisk i længde, bredde og form på tværs af Mammalia.

Baculumet er ikke ensartet til stede på tværs af pattedyr. Man troede, at det kun fandtes i otte af pattedyrordenerne: Afrosoricida, Carnivora, Chiroptera, Dermoptera, Erinaceomorpha, Primates, Rodentia og Soricomorpha . Det er imidlertid for nylig blevet opdaget, at en lagomorph, den amerikanske pika (Ochonta princeps), også har et lille baculum . Denne opdagelse tyder på, at tilstedeværelsen af baculum kan være mere udbredt blandt pattedyr end hidtil antaget. I visse ordener er der en blanding af tilstedeværelse og fravær af baculum på tværs af arter; det drejer sig om Carnivora, Chiroptera, Primates og Rodentia. Blandt primater mangler f.eks. mennesker, tarsiere og flere platyrrhiner et baculum. Lagomorphia kan opdeles på samme måde. Bortset fra at dokumentere tilstedeværelsen og fraværet af baculum på tværs af pattedyrordenerne, var baculums udviklingshistorie ikke blevet undersøgt før for nylig, hvilket efterlader mange spørgsmål ubesvarede.

Genital (og dermed baculums) morfologi er foreslået at være genstand for seksuel selektion . De få empiriske forsøg, der er udført til dato, kan understøtte denne hypotese. Stockley et al. fandt, at baculumbredden hos polygame husmus (Mus domesticus) var en signifikant forudsigelse af hannens reproduktive succes. Simmons & Firman var i stand til at manipulere baculumbredden eksperimentelt ved at ændre niveauet af seksuelt selektionstryk i populationer af husmus. Efter 27 generationer havde populationer med kunstigt påtvunget højt niveau af postkopulatorisk seksuelt selektionstryk signifikant tykkere baculaer end populationer, hvor monogami blev påtvunget, og hvor seksuelt selektionstryk derfor var fraværende. Disse undersøgelser tyder på, at intraseksuel selektion, især postkopulatorisk seksuelt selektionstryk, kan være drivkraften bag baculær evolution. Hvis dette er tilfældet, bør bacula i populationer med et højt niveau af intraseksuelt selektionstryk, såsom populationer med polygame (flere mænd, flere kvinder) eller sæsonbestemte parringssystemer, være underlagt stærkere evolutionære kræfter.

Differente parringssystemer skaber variation i niveauerne af postkopulatorisk seksuelt selektionstryk og dermed morfologisk variabilitet; f.eks. har arter med høj grad af sædkonkurrence tendens til at have store testikler i forhold til deres kropsmasse . Resterende testikelmasse anses således for at være et pålideligt mål for parringssystemet i en population og dermed graden af seksuelt selektionstryk . Orr & Brennan fandt, at den relative testikelmasse var en signifikant forudsigelse af tilstedeværelsen af baculum på tværs af Chiroptera, Eulipotyphla, Primates og Rodentia . Samme undersøgelse fandt imidlertid ingen sammenhæng mellem tilstedeværelsen eller bredden af baculum og parringssystemet, hvilket tyder på, at en tredje variabel kan være i spil. Ramm undersøgte, om der var en sammenhæng mellem testikelmasse og baculumlængde i fire ordener ved først at fastslå niveauet af fylogenetisk afhængighed mellem arterne og derefter foretage passende korrigerede regressioner. Der blev konstateret en positiv sammenhæng mellem testikelmasse og baculumlængde hos Rodentia og Carnivora, men den samme test fandt ingen sammenhæng hos Primates eller Chiroptera.

Den adaptive funktion af baculumet under et højt niveau af intraseksuel selektion er endnu ikke fastlagt. En potentiel strategi, hvormed en han kan øge sin reproduktive succes ved at udkonkurrere rivaliserende hanner, er ved at forlænge intromission og dermed forsinke en hun, der parrer sig med en anden han . Hypotesen om forlænget intromission hævder, at baculumet bidrager til at lette denne forlængede varighed af intromission ved at støtte penis .

I denne sammenhæng er baculumets umiddelbare mekanisme at fungere som en støttepind, der styrker penis og beskytter urinrøret under forlænget intromission . En nylig undersøgelse af tre forskellige arter af flagermus viste, at baculumet dannede en funktionel enhed med corpora cavernosa, som beskyttede glansspidsen og penisens skaft, når den var erigeret . Forfatterne antager, at baculumet også er med til at begrænse indsnævring af det distale urinrør og urinrørsåbningen i den erigerede penis under intromission, hvilket letter sædstrømmen. Hos mange arter af primater, hvor baculumet er aflangt, rager den distale ende af knoglen lidt ud fra urinrøret, mens penis er erigeret . Dette kunne bringe baculumet i kontakt med kvindens livmoderhals under intromission og dermed lette overførslen af sæd til livmoderhalskanalen .

Evidensen for hypotesen om forlænget intromission har indtil videre vist sig kontroversiel. Tidlige undersøgelser fandt, at forlænget intromission var korreleret med forlængede bacula hos primater og kødædere ; disse undersøgelser tog imidlertid ikke hensyn til den statistiske ikke-uafhængighed af data, der opstår som følge af en fælles udviklingshistorie mellem arterne. En senere undersøgelse, korrigeret for at tage højde for fylogeni, testede for en korrelation mellem forlænget intromission og baculumlængde hos nordamerikanske kødædere, men fandt ikke støtte for hypotesen . Data til at teste denne hypotese var imidlertid kun tilgængelige for 18 arter, hvoraf kun to blev karakteriseret som havende en kort intromissionsvarighed. Dixson et al. hævder, at denne stikprøve ikke er repræsentativ nok til afgørende at afvise hypotesen om forlænget intromission, og udførte deres egen fylogenetisk korrigerede analyse i en stikprøve af 57 arter af pattedyr. Denne gang blev der fundet en signifikant korrelation mellem de to variabler. Selv om begge undersøgelser blev korrigeret for fylogeni, kan korrektion for fylogeni give misvisende eller ukorrekte resultater, hvis graden af fylogenetisk afhængighed ikke er fastslået, før en analyse justeres, da graden af slægtskab mellem arter varierer på tværs af en fylogeni . Bayesianske Markov Chain Monte Carlo (MCMC) analyser gør det muligt at indarbejde arternes fylogenier i en analyse, i stedet for blot at korrigere for fylogeni, og kan således give mere pålidelige resultater .

I en ny undersøgelse brugte Schultz et al. de tidligere fylogenetiske metoder til stokastisk kortlægning til at modellere tilstedeværelsen og fraværet af baculum i 954 pattedyrarter, og argumenterer for, at baculum uafhængigt har udviklet sig mindst ni gange hos pattedyr. Det er imidlertid usandsynligt, at denne stikprøve afspejler udviklingsforløbet i hele pattedyrklassen, især fordi baculum-fravær kun blev konstateret hos 103 arter.

Her anvender vi fylogenetiske sammenlignende metoder inden for en Bayesiansk MCMC-ramme til at undersøge baculumets udviklingshistorie og undersøger hypotesen om, at øgede niveauer af intraseksuel udvælgelse påvirker baculum-udviklingen. Vi rekonstruerede først baculumets evolutionære forløb på tværs af hele pattedyrklassen og undersøgte hastigheden af baculumets udvikling i primatordenen. Derefter testede vi for en sammenhæng mellem baculumlængde og testikelmasse hos både primater og kødædende dyr. Vi testede derefter yderligere for korreleret evolution mellem baculumtilstedeværelse og intromissionsvarighed hos primater, inden vi foretog fylogenetiske t-tests for at fastslå, om primater og kødædere med langvarig intromissionsvarighed har længere baculaer end dem med kort intromissionsvarighed. Endelig brugte vi de samme tests til at undersøge, om et øget niveau af postkopulatorisk seksuelt selektionspres forårsaget af (i) polygame parringssystemer og (ii) sæsonbestemte ynglemønstre førte til en forøgelse af baculumlængden hos primater. Primater og kødædere vil sandsynligvis være særligt givende grupper at studere, fordi der er en blanding af tilstedeværelse og fravær af baculum inden for hver orden. Det betyder, at forskelle mellem dem med og uden bacula kan følges på artsniveau snarere end på tværs af ordener. Desuden er der flere data til rådighed, da disse ordener uden tvivl er mere omfattende studeret end andre pattedyrgrupper.

Hvis baculumet letter forlænget intromission og øget nærhed til livmoderhalsen for at reducere niveauet af sædkonkurrence og øge reproduktionssuccesen, kan flere forudsigelser gøres og testes. Det kunne forventes, at der ville være en sammenhæng mellem baculumlængde og testikelmasse, hvilket kan bruges som en proxy for niveauet af postkopulatorisk seksuelt selektionstryk i en population. Det forventes, at intramissionens varighed vil være korreleret med tilstedeværelsen af baculum i løbet af evolutionen. Arter med langvarig intromission bør have forlængede bacula. Endelig bør grupper, hvor det postkopulatoriske seksuelle selektionstryk er størst, f.eks. grupper, hvor parring er polygame eller forekommer sæsonbestemt, have længere bacula end grupper med lavere niveauer af postkopulatorisk seksuelt selektionstryk.

Materiale og metoder

Ancestral state rekonstruktioner, tests af korreleret evolution, tests af trækrelationer og fylogenetiske t-tests blev alle udført ved hjælp af BayesTraits (v. 2) . Trækdata blev indsamlet fra litteraturen (elektronisk supplerende materiale).

En supertree-fylogeni af 5020 eksisterende pattedyr blev brugt til at rekonstruere forfædrestilstandene for tilstedeværelsen af baculum på tværs af pattedyrordenen . Alle analyser af primat- og rovdyrordenerne blev udført på en posteriorfordeling af 10 000 molekylære fylogenier udledt ved hjælp af Bayesian MCMC-metoder . Kronogrammer blev anvendt i alle rekonstruktioner af forfædrestatus og test af korreleret evolution, mens fylogrammer blev anvendt i test af egenskabsrelationer og fylogenetiske t-tests.

En reversible-jump MCMC-metode med en eksponentiel hyperprior, der spænder mellem 0 og 0,07, blev anvendt til at estimere diskrete forfædrestatus . Hver kæde blev kørt i 5 millioner iterationer med en burn-in på 50 000 iterationer; dette var tilfældet for alle analyser bortset fra modellen med variable hastigheder. Vi var interesserede i at udlede syv nøgleknuder på tværs af pattedyrsfilogenien samt forfædres tilstand af baculumtilstedeværelse for både primat- og kødædereordenerne (elektronisk supplerende materiale, figur S1). Knuder blev konstrueret ved hjælp af ‘add MRCA’-proceduren i BayesTraits .

En model med variable hastigheder blev anvendt til at rekonstruere forløbet af baculumlængdeudviklingen på tværs af primatordenen (efter Venditti et al. ). Modellen gør det muligt at ændre udviklingshastigheden på tværs af en fylogeni over tid og identificerer, hvornår og hvor udviklingshastighederne har været forskellige uden forudgående viden. Strækte grene af det fylogenetiske træ angiver, at en egenskab har udviklet sig hurtigt, og komprimerede grene angiver langsomme hastigheder for ændring af egenskaber. Modellen blev kørt i 10 millioner iterationer med en burn-in på 100 000 iterationer.

Baculumlængde og testikelmasse blev testet for en sammenhæng ved hjælp af en multipel regression mellem baculumlængde, testikelmasse og kropsmasse hos voksne hanner. Modellen blev kørt tre gange, og kæden med den mediane log marginale sandsynlighed blev valgt; denne fremgangsmåde blev også anvendt ved udførelse af korreleret udvikling og hypotesetest. Andelen af hældningsparameteren (β), der krydsede nul, blev brugt til at fastsætte p-værdierne (efter Organ et al.’s metode til fylogenetiske t-tests).

For at teste for korreleret evolution mellem baculumtilstedeværelse og intromissionsvarighed sammenlignede vi den log marginale sandsynlighed for uafhængige (egenskaber tvunget til at udvikle sig separat) og afhængige modeller. Der blev anvendt en eksponentiel hyperprior med et interval på 0-0,05. De to modeller blev sammenlignet ved hjælp af log naturlige Bayes-faktorer (BF’er), der beregnes som to gange forskellen i log marginal sandsynlighed mellem modellerne . BF’er blev fortolket i overensstemmelse med Kass et al. : 0-2, minimal støtte; 2-6, positiv støtte; 6-10, stærk støtte; mere end 10, meget stærk støtte. Nyere litteratur har fremhævet flere problemer med at anvende det harmoniske gennemsnit som et mål for estimering af log marginal sandsynlighed for en model og de relative fordele ved stepping-stone sampling-metoden, som hævdes at være mere præcis . Vi har derfor anvendt stepping-stone sampling-metoden til at estimere den log marginale sandsynlighed. Der blev anvendt 100 sten pr. 10 000 iterationer af Markov-kæden. I overensstemmelse med Xie et al. blev der anvendt en beta (α, 1,0)-fordeling, og α blev sat til 0,3. Stepping-stones blev anvendt på denne måde til alle test af egenskabsrelationer, korreleret evolution og fylogenetiske t-tests.

MCMC-fylogenetiske t-tests blev anvendt til at teste hypoteser, der tager højde for den statistiske ikke-uafhængighed af dataene på grund af fælles udviklingshistorie (efter Organ et al. ).

Resultater

En multistate-analyse i BayesTraits (n = 1818) viser, at det forfædte pattedyr ikke havde et baculum (baculum-fravær, gennemsnitlig sandsynlighed = 0,98). Rekonstruktioner af fortidige tilstande på tværs af seks knudepunkter (tabel 1; elektronisk supplerende materiale, figur S1) tyder på, at baculum først udviklede sig efter opdelingen af ikke-placentale og placentale pattedyr (baculum fravær, gennemsnitlig sandsynlighed = 0,93), men før den seneste fælles forfader (MRCA) af primater og kødædere udviklede sig (baculum tilstedeværelse, gennemsnitlig sandsynlighed = 0,99). Den forfødte primat og kødædende dyr havde begge et baculum (tilstedeværelse af baculum, gennemsnitlig sandsynlighed = henholdsvis 1,00 og 1,00).

Den evolutionære bane for baculumlængde blev visualiseret ved hjælp af modellen med variable hastigheder, som strækker eller formindsker grenene i et fylogenetisk træ i overensstemmelse med forskellige hastigheder for udviklingen af træk (figur 1; elektronisk supplerende materiale, figur S2-S4). Primater udviser markant variation i baculumlængde, og dette afspejles i deres udviklingshistorie. Der er sket meget få ændringer hos platyrrhiner og tarsiere, som har tendens til at have små eller fraværende baculaer, hvilket tyder på, at baculumet hos forfædrenes primat var ret lille. Derimod har strepsirrhines og catarrhines gennemgået en relativt hurtig evolutionær ændring og har generelt længere bacula end platyrrhines og tarsiers. Aberne udgør en interessant gruppe, da de har gennemgået store forandringer, men alligevel har meget små eller ingen bacula. Dette tyder på, at efter at platyrrhine- og catarrhine-linjerne har delt sig, har baculumet hos den forfødte catarrhine gennemgået en høj udviklingshastighed og er blevet meget længere. Da aberne efterfølgende delte sig fra de gamle verdensaber, vendte denne tendens, og abens baculum gennemgik endnu en høj udviklingshastighed, men denne gang blev det kortere i længden. (Se det elektroniske supplerende materiale for træer med variable hastigheder, der viser udviklingen i rovdyrs baculumlængde og udviklingen i primaters og rovdyrs testikelmasse, figur S2-S4.)

Baculumlængde kunne ikke forudsiges ud fra testikelmasse hos hverken primater (n = 46, p = 0,139, R2 = 0.03) eller kødædere (n = 32, p = 0,231, R2 = 0,37) (elektronisk supplerende materiale, tabel S2).

Vi fandt positive beviser for korreleret evolution mellem baculumtilstedeværelse og intromissionsvarighed hos primater (n = 299, log BF = 4,78; tabel 2). Rekonstruktioner af fortidige tilstande og modelrater viser, at baculumtilstedeværelse og korte intromissionsvarigheder (gennemsnitlig sandsynlighed = 0,73) gik forud for et skift til forlænget intromission (figur 2). Efter at lange intromissionsvarigheder havde udviklet sig, blev baculumet sjældent tabt. Baculumet forsvandt imidlertid ofte, hvis intromissionsvarigheden forblev kort. Lange intromissionsvarigheder blev sjældent korte igen, når der var et baculum til stede. Når et baculum derimod var fraværende, skiftede intromissionsvarigheden ofte mellem at være lang og kort.

Hypotesen om, at postkopulatorisk seksuel selektion påvirker baculumlængden, blev testet gennem en række fylogenetiske t-tests (tabel 3). I overensstemmelse med vores forudsigelser finder vi, at arter i både primat- og rovdyrordenen, hvor intromission er langvarig, har signifikant længere baculum end arter, hvor intromission er kortvarig (henholdsvis n = 53, p = 0,000 og n = 41, p = 0,018). Primater i polygame parringssystemer viste sig at have signifikant længere bacula end dem i andre parringssystemer (n = 65, p = 0,032). Endelig har sæsonmæssigt ynglende primater signifikant længere bacula end primater, der ikke yngler sæsonmæssigt (n = 63, p = 0,045).

Diskussion

Vores resultater har afdækket den evolutionære bane for baculumet på tværs af pattedyrklassen, som viser, at baculumet først udviklede sig efter opdelingen af placentale og ikke-placentale pattedyr for omkring 145 millioner år siden (Ma), men før MRCA af primater og kødædende dyr udviklede sig omkring 95 Ma . Vi viser for første gang, at både den forfødte primat og det forfødte rovdyr havde et baculum, et resultat, der har vigtige konsekvenser for, hvordan baculumet bør studeres inden for disse ordener. Analyser bør fokusere på at undersøge, hvorfor baculum blev bevaret hos visse arter og tabt hos andre, ikke hvorfor baculum måske har udviklet sig; det var allerede til stede hos deres forfædre.

Vi fandt ingen sammenhæng mellem baculumlængde og testikelmasse hos primater eller kødædere, hvilket understøtter tidligere fund hos primater, men ikke kødædere . Denne uoverensstemmelse forklares sandsynligvis af brugen af en Bayesiansk fylogenetisk ramme for vores analyser; vores fund tyder på, at enhver observeret sammenhæng mellem baculumlængde og testikelmasse kunne have udviklet sig tilfældigt. Selv om disse resultater ikke giver støtte til hypotesen om, at baculumlængde er seksuelt udvalgt, afkræfter de den ikke. Det er muligt, at aspekter af baculum-morfologien, som f.eks. bredde eller form, er mere tilbøjelige til at variere med testikelmassen. F.eks. er baculumskaftets bredde en signifikant forudsigelse af antallet af afkom, som husmushanner avler . Orr & Brennan fandt faktisk, at testikelmasse forudsagde baculumbredden i fire pattedyrordener; men da dette forhold blev testet ved hjælp af en fylogenetisk model, var baculumbredden ikke længere en signifikant forudsigelse . Det er muligt, at disse resultater fortsat ville have været signifikante, hvis forholdet var blevet undersøgt på ordensniveau, da baculumfunktionen kan variere fra orden til orden. Vores resultater tjener til at fremhæve vigtigheden af at bruge fuldstændige fylogenetiske metoder, når man undersøger egenskabsudvikling.

Denne undersøgelse har været den første til at påvise, at baculumtilstedeværelse har korreleret med intromissionsvarighed i løbet af primaternes evolution. Resultatet fremhæver samspillet mellem morfologiske og adfærdsmæssige fænotyper over evolutionær tid. Baculumet støtter og beskytter fysisk mandens penis og hjælper med at overføre sæd til hunnens livmoderhals . Det spiller imidlertid også en vigtig rolle ved at fremme langvarig intromission, som i sig selv kan være en seksuelt udvalgt adfærd, der har til formål at øge den reproduktive succes ved at forsinke hunnerne i at parre sig igen.

Vores resultater bekræfter, at hypotesen om langvarig intromission er robust, når den analyseres inden for en stringent fylogenetisk ramme. Fylogenetiske t-tests viser, at baculumet er betydeligt længere hos både primat- og rovdyrarter, hvor intromission er forlænget. Dette tyder på, at forlængelsen af baculumet i løbet af pattedyrenes evolution sandsynligvis blev drevet af dets anvendelighed i forbindelse med forlænget intromission. To yderligere fylogenetiske t-tests viste, at primater i polygame parringssystemer og sæsonmæssigt ynglende primater havde signifikant længere baculaer end primater i andre parringssystemer og primater uden et sæsonbestemt ynglemønster, hvilket understreger betydningen af postkopulatorisk seksuel selektion som drivkraft for baculums evolution.

Fundet fra testen af korreleret evolution, kombineret med resultaterne af de fylogenetiske t-tests, giver os mulighed for at begynde at stykke baculums nære og endelige funktioner sammen. Polygame parringssystemer og begrænsede ynglesæsoner skaber et højt niveau af postkopulatorisk seksuel konkurrence. I dette miljø kan en forlængelse af intromission forsinke en hun fra at parre sig igen og dermed øge hannens chance for at befrugte hende under konkurrencemæssige forhold. En måde at øge mængden af sædceller, der transporteres til livmoderhalskanalen, er at sikre, at urinrøret er uhindret, og at der er så kort afstand som muligt for sædcellerne at tilbagelægge, hvilket er en måde at øge mængden af sædceller, der transporteres til livmoderhalskanalen. Baculum tjener som en støttende struktur under langvarig intromission, idet det både beskytter urinrøret og forhindrer det i at blive indsnævret.

Disse resultater gælder ikke nødvendigvis for andre ordener inden for pattedyrklassen, men de fremhæver potentielt givende undersøgelsesområder. Det er også vigtigt at bemærke, at selv inden for ordenerne af primater og kødædere er det sandsynligt, at andre faktorer har indflydelse på, om et baculum bevares eller ej, og hvordan dets morfologi udvikler sig. Undersøgelser af baculums evolution har tendens til at fokusere på, hvorfor det er til stede hos visse arter, eller hvorfor det måske er blevet længere eller bredere; faktorer, der driver reduktion eller forsvinden af baculaer, er stort set blevet ignoreret.

Ingeniøse undersøgelser er begyndt at skille den nærmeste mekanisme for baculumet ad, samt nogle af de faktorer, der driver dets evolution i forskellige pattedyrordener . Ved at sammenligne disse resultater på tværs af ordener og undersøge baculum gennem en fylogenetisk ramme kan vi begynde at opbygge et mere omfattende billede af baculumets nærliggende og endelige funktioner, og hvordan det har udviklet sig hos de eksisterende arter og deres forfædre.

Data tilgængelighed

Data er tilgængelige fra Dryad Digital Repository .

Autors bidrag

M.B. og C.O. har designet forskning; M.B. og C.O. har udført forskning; M.B. og C.O. har analyseret data; M.B. og C.O. har udarbejdet manuskriptet. Alle forfattere gav endelig godkendelse til offentliggørelse.

Konkurrerende interesser

Vi har ingen konkurrerende interesser.

Funding

M.B. er støttet af et NERC Doctoral Training Studentship, og C.O. er støttet af et Leverhulme Early Career Fellowship.

Footnotes

Elektronisk supplerende materiale er tilgængeligt online på http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.3583481.