La selezione sessuale postcopulatoria influenza l’evoluzione del baculum nei primati e nei carnivori

Introduzione

Si sostiene che la morfologia degli organi intromittenti maschili sia soggetta ad una evoluzione divergente più rapida di qualsiasi altra forma nel regno animale. Il baculum, o osso del pene, non è in controtendenza ed è stato descritto come “la più diversa di tutte le ossa” (, p. 1), variando drammaticamente in lunghezza, larghezza e forma nei Mammiferi.

Il baculum non è uniformemente presente nei mammiferi. Si pensava che esistesse solo in otto ordini di mammiferi: Afrosoricida, Carnivora, Chiroptera, Dermoptera, Erinaceomorpha, Primates, Rodentia e Soricomorpha . Tuttavia, è stato recentemente scoperto che un lagomorfo, il pika americano (Ochonta princeps), ha anche un piccolo baculum. Questa scoperta suggerisce che la presenza del baculum può essere più prevalente nei mammiferi di quanto storicamente ipotizzato. Alcuni ordini hanno una miscela di presenza e assenza di baculum tra le specie; questi sono i Carnivora, Chiroptera, Primates e Rodentia. Nei Primati, per esempio, l’uomo, il tarsio e diversi Platyrrhines non hanno il baculum. I Lagomorphia possono essere divisi in modo simile. Oltre a documentare la presenza e l’assenza del baculum in tutti gli ordini di mammiferi, la storia evolutiva del baculum non era stata studiata fino a poco tempo fa, lasciando molte domande senza risposta.

Si suggerisce che la morfologia genitale (e quindi baculare) sia soggetta alla selezione sessuale. I pochi test empirici condotti fino ad oggi possono sostenere questa ipotesi. Stockley et al. hanno trovato che la larghezza del baculum nei topi domestici poligami (Mus domesticus) era un predittore significativo del successo riproduttivo maschile. Simmons & Firman sono stati in grado di manipolare sperimentalmente la larghezza del baculum alterando il livello di pressione di selezione sessuale in popolazioni di topi domestici. Dopo 27 generazioni, le popolazioni con alti livelli di pressione di selezione sessuale postcopulatoria imposti artificialmente avevano bacule significativamente più spesse rispetto alle popolazioni in cui la monogamia era applicata e la pressione di selezione sessuale era quindi assente. Questi studi indicano che la selezione intrasessuale, in particolare la pressione di selezione sessuale postcopulatoria, può guidare l’evoluzione della bacula. Se questo è il caso, la bacula delle popolazioni sotto alti livelli di pressione di selezione intra-sessuale, come quelle con sistemi di accoppiamento poligami (multi-male, multi-female) o stagionali, dovrebbe essere soggetta a forze evolutive più forti.

I diversi sistemi di accoppiamento generano variazioni nei livelli di pressione di selezione sessuale postcopulatoria e quindi variabilità morfologica; per esempio, le specie con alti livelli di competizione spermatica tendono ad avere testicoli grandi rispetto alla loro massa corporea. La massa residua dei testicoli è quindi considerata una misura affidabile del sistema di accoppiamento di una popolazione e quindi del grado di pressione di selezione sessuale. Orr & Brennan ha trovato che la massa relativa dei testicoli era un predittore significativo della presenza di baculum attraverso Chiroptera, Eulipotyphla, Primates e Rodentia. Tuttavia, lo stesso studio non ha trovato alcuna relazione tra la presenza o la larghezza del baculum e il sistema di accoppiamento, indicando che una terza variabile può essere in gioco. Ramm ha testato una relazione tra la massa dei testicoli e la lunghezza del baculum in quattro ordini stabilendo prima il livello di dipendenza filogenetica tra le specie e poi conducendo regressioni opportunamente corrette. Una relazione positiva tra la massa dei testicoli e la lunghezza del baculum è stata notata nei Rodentia e nei Carnivora, ma lo stesso test non ha trovato alcuna relazione nei Primati o nei Chiroptera.

La funzione adattativa del baculum, sotto alti livelli di selezione intrasessuale, è ancora da stabilire. Una potenziale strategia con cui un maschio potrebbe aumentare il suo successo riproduttivo, superando i maschi rivali, è quella di prolungare l’intromissione e di conseguenza ritardare l’accoppiamento della femmina con un altro maschio. L’ipotesi di intromissione prolungata sostiene che il baculum aiuta a facilitare questa durata prolungata di intromissione sostenendo il pene.

In questo contesto, il meccanismo prossimo del baculum è quello di agire come un’asta di sostegno, rafforzando il pene e proteggendo l’uretra durante l’intromissione prolungata. Uno studio recente su tre diverse specie di pipistrello ha scoperto che il baculum formava un’unità funzionale con i corpi cavernosi, che proteggeva la punta del glande e l’asta del pene quando era eretto. Gli autori sostengono che il baculum aiuta anche a limitare la costrizione dell’uretra distale e l’apertura uretrale nel pene eretto durante l’intromissione, facilitando il flusso dello sperma. In molte specie di primati in cui il baculum è allungato, l’estremità distale dell’osso sporge leggermente dall’uretra mentre il pene è eretto. Questo potrebbe portare il baculum in contatto con la cervice della femmina durante l’intromissione, facilitando il trasferimento dello sperma nel canale cervicale.

Le prove per l’ipotesi dell’intromissione prolungata si sono finora dimostrate controverse. I primi studi hanno trovato che l’intromissione prolungata era correlata alla bacula allungata nei primati e nei carnivori; tuttavia, questi studi non hanno preso in considerazione la non-indipendenza statistica dei dati che si verifica a causa di una storia evolutiva condivisa tra le specie. Uno studio successivo, corretto per tenere conto della filogenesi, ha testato una correlazione tra intromissione prolungata e lunghezza del baculum nei carnivori nordamericani, ma non ha trovato supporto per l’ipotesi. Tuttavia, i dati per testare questa ipotesi erano disponibili solo per 18 specie, di cui solo due erano caratterizzate da una breve durata dell’intromissione. Dixson et al. sostengono che questo campione non è abbastanza rappresentativo per confutare decisamente l’ipotesi dell’intromissione prolungata, e hanno effettuato la loro analisi filogeneticamente corretta in un campione di 57 specie di mammiferi. Questa volta, è stata trovata una correlazione significativa tra le due variabili. Anche se entrambi gli studi sono stati corretti per la filogenesi, se il grado di dipendenza filogenetica non è stabilito prima che un’analisi sia corretta, la correzione per la filogenesi può produrre risultati fuorvianti o errati, poiché il livello di parentela tra le specie varia attraverso una filogenesi. Le analisi bayesiane Markov chain Monte Carlo (MCMC) consentono di incorporare le filogenesi delle specie in un’analisi, piuttosto che semplicemente correggere per la filogenesi, e possono quindi produrre risultati più affidabili.

In un nuovo studio, Schultz et al. hanno utilizzato i precedenti metodi filogenetici di mappatura stocastica per modellare la presenza e l’assenza del baculum in 954 specie di mammiferi, e sostengono che il baculum si è evoluto indipendentemente un minimo di nove volte nei mammiferi. Tuttavia, è improbabile che questo campione rifletta il corso dell’evoluzione in tutta la classe dei mammiferi, in particolare perché l’assenza del baculum è stata notata solo in 103 specie.

Qui, usiamo metodi comparativi filogenetici all’interno di un quadro MCMC bayesiano per esaminare la storia evolutiva del baculum e indagare l’ipotesi che l’aumento dei livelli di selezione intrasessuale influenzi l’evoluzione del baculum. Abbiamo prima ricostruito la traiettoria evolutiva del baculum attraverso l’intera classe dei mammiferi ed esaminato il tasso di evoluzione del baculum nell’ordine dei primati. Poi, abbiamo testato una relazione tra la lunghezza del baculum e la massa dei testicoli sia nei primati che nei carnivori. Abbiamo poi ulteriormente testato l’evoluzione correlata tra la presenza del baculum e la durata dell’intromissione nei primati, prima di condurre test t filogenetici per stabilire se i primati e i carnivori con durate di intromissione prolungate hanno bacule più lunghe di quelli con durate di intromissione brevi. Infine, abbiamo usato gli stessi test per esaminare se l’aumento dei livelli di pressione di selezione sessuale postcopulatoria causata da (i) sistemi di accoppiamento poligamo e (ii) modelli di riproduzione stagionale ha portato ad un aumento della lunghezza della bacula nei primati. I primati e i carnivori sono probabilmente gruppi particolarmente gratificanti da studiare, perché c’è una miscela di presenza e assenza di baculum all’interno di ciascun ordine. Questo significa che le differenze tra quelli con e senza baculum possono essere tracciate a livello di specie, piuttosto che attraverso gli ordini. Inoltre, poiché questi ordini sono probabilmente più ampiamente studiati di altri gruppi di mammiferi, ci sono più dati disponibili.

Se il baculum facilita l’intromissione prolungata e una maggiore vicinanza alla cervice per ridurre il livello di competizione spermatica e aumentare il successo riproduttivo, allora possono essere fatte e testate diverse previsioni. Ci si aspetterebbe una relazione tra la lunghezza del baculum e la massa dei testicoli, che può essere usata come proxy per il livello di pressione di selezione sessuale postcopulatoria in una popolazione. La durata dell’intromissione dovrebbe essere correlata alla presenza del baculum nel corso dell’evoluzione. Le specie con una durata di intromissione prolungata dovrebbero avere bacoli allungati. Infine, i gruppi in cui la pressione di selezione sessuale postcopulatoria è più alta, come quelli in cui l’accoppiamento è poligamo o avviene stagionalmente, dovrebbero avere bacule più lunghe rispetto ai gruppi con livelli più bassi di pressione di selezione sessuale postcopulatoria.

Materiale e metodi

Le ricostruzioni dello stato ancestrale, i test di evoluzione correlata, i test di relazione dei tratti e i test t filogenetici sono stati tutti condotti utilizzando BayesTraits (v. 2) . I dati dei tratti sono stati compilati dalla letteratura (materiale supplementare elettronico).

Una filogenesi supertree di 5020 mammiferi esistenti è stata utilizzata per ricostruire gli stati ancestrali della presenza del baculum attraverso l’ordine dei mammiferi. Tutte le analisi degli ordini dei primati e dei carnivori sono state condotte su una distribuzione posteriore di 10 000 filogenesi molecolari dedotte utilizzando metodi Bayesiani MCMC. I cronogrammi sono stati utilizzati in tutte le ricostruzioni degli stati ancestrali e nei test di evoluzione correlata, mentre i filogrammi sono stati utilizzati nei test delle relazioni dei tratti e nei t-test filogenetici.

Un metodo MCMC a salto reversibile con un iperpriore esponenziale che varia tra 0 e 0,07 è stato utilizzato per stimare gli stati ancestrali discreti. Ogni catena è stata eseguita per 5 milioni di iterazioni con un burn-in di 50 000 iterazioni; questo è stato il caso per tutte le analisi a parte il modello a tasso variabile. Eravamo interessati a dedurre sette nodi chiave attraverso la filogenesi dei mammiferi, così come lo stato ancestrale della presenza del baculum per entrambi gli ordini di primati e carnivori (materiale supplementare elettronico, figura S1). I nodi sono stati costruiti utilizzando la procedura “add MRCA” in BayesTraits.

Un modello a tasso variabile è stato utilizzato per ricostruire il corso dell’evoluzione della lunghezza del baculum attraverso l’ordine dei primati (seguendo Venditti et al. ). Il modello permette al tasso di evoluzione di cambiare attraverso una filogenesi nel tempo, identificando quando e dove i tassi evolutivi si sono differenziati senza una conoscenza preliminare. I rami allungati dell’albero filogenetico indicano che un tratto si è evoluto rapidamente e i rami compressi indicano tassi lenti di cambiamento del tratto. Il modello è stato eseguito per 10 milioni di iterazioni, con un burn-in di 100.000 iterazioni.

La lunghezza del baculum e la massa dei testicoli sono stati testati per una relazione utilizzando una regressione multipla tra la lunghezza del baculum, la massa dei testicoli e la massa del corpo del maschio adulto. Il modello è stato eseguito tre volte e la catena con la mediana della verosimiglianza logaritmica è stata scelta; questo approccio è stato adottato anche quando si è condotta l’evoluzione correlata e i test di ipotesi. La proporzione del parametro di pendenza (β) che ha attraversato lo zero è stata usata per stabilire i p-values (seguendo il metodo di Organ et al. per i t-test filogenetici).

Per testare l’evoluzione correlata tra la presenza del baculum e la durata dell’intromissione, abbiamo confrontato la probabilità marginale log di modelli indipendenti (tratti costretti a evolvere separatamente) e dipendenti. È stato utilizzato un iperpriore esponenziale con un intervallo di 0-0,05. I due modelli sono stati confrontati utilizzando i fattori log naturali di Bayes (BF), calcolati come due volte la differenza di probabilità marginale log tra i modelli. I BF sono stati interpretati seguendo Kass et al.: 0-2, supporto minimo; 2-6, supporto positivo; 6-10, supporto forte; più di 10, supporto molto forte. La letteratura recente ha evidenziato diversi problemi con l’uso della media armonica come misura per stimare la verosimiglianza marginale log di un modello e i meriti relativi del metodo di campionamento stepping-stone, che si sostiene essere più accurato. Abbiamo quindi utilizzato il metodo di campionamento a gradini per stimare la verosimiglianza logaritmica marginale. Sono state utilizzate cento pietre per 10 000 iterazioni della catena di Markov. Seguendo Xie et al. , è stata impiegata una distribuzione beta (α, 1.0) e α è stata impostata a 0.3. Le pietre di passaggio sono state utilizzate in questo modo per tutti i test delle relazioni dei tratti, dell’evoluzione correlata e dei t-test filogenetici.

I t-test filogeneticiMC sono stati utilizzati per testare le ipotesi che tengono conto della non-indipendenza statistica dei dati, dovuta alla storia evolutiva condivisa (seguendo Organ et al. ).

Risultati

Un’analisi multistato in BayesTraits (n = 1818) indica che il mammifero ancestrale non possedeva un baculum (assenza di baculum, probabilità media = 0,98). Le ricostruzioni dello stato ancestrale attraverso sei nodi (tabella 1; materiale supplementare elettronico, figura S1) suggeriscono che il baculum si è evoluto dopo che i mammiferi non placentari e placentari si sono divisi (assenza di baculum, probabilità media = 0,93), ma prima che l’antenato comune più recente (MRCA) di primati e carnivori si sia evoluto (presenza di baculum, probabilità media = 0,99). Il primate ancestrale e il carnivoro avevano entrambi un baculum (presenza di baculum, probabilità media = 1.00 e 1.00, rispettivamente).

La traiettoria evolutiva della lunghezza del baculum è stata visualizzata utilizzando il modello a tasso variabile, che allunga o restringe i rami di un albero filogenetico secondo i diversi tassi di evoluzione del tratto (figura 1; materiale supplementare elettronico, figure S2-S4). I primati mostrano una marcata variazione nella lunghezza del baculum e questo si riflette nella loro storia evolutiva. Pochissimi cambiamenti si sono verificati nei platirrini e nei tarsi, che tendono ad avere bacoli piccoli o assenti, indicando che il bacolo del primate ancestrale era abbastanza piccolo. Al contrario, gli strepsirrini e i catarrini hanno subito un cambiamento evolutivo relativamente veloce, e generalmente hanno bacoli più lunghi dei platirrini e dei tarsi. Le scimmie rappresentano un gruppo interessante in quanto hanno subito alti tassi di cambiamento, eppure hanno bacule molto piccole o assenti. Questo suggerisce che dopo che i lignaggi platirrini e catarrini si sono divisi, il baculum del catarrino ancestrale ha subito un alto tasso di evoluzione ed è diventato molto più lungo. Quando le scimmie si sono successivamente separate dalle scimmie del Vecchio Mondo, questa tendenza si è invertita e il baculum delle scimmie ha subito ulteriori alti tassi di evoluzione, questa volta riducendone la lunghezza. (Vedere il materiale supplementare elettronico per gli alberi a tasso variabile che rappresentano l’evoluzione della lunghezza del baculum dei carnivori e l’evoluzione della massa dei testicoli dei primati e dei carnivori, figure S2-S4.)

La lunghezza del baculum non poteva essere prevista dalla massa dei testicoli né nei primati (n = 46, p = 0.139, R2 = 0.03) o nei carnivori (n = 32, p = 0,231, R2 = 0,37) (materiale supplementare elettronico, tabella S2).

Abbiamo trovato prove positive per un’evoluzione correlata tra la presenza del baculum e la durata dell’intromissione nei primati (n = 299, log BF = 4,78; tabella 2). Le ricostruzioni dello stato ancestrale e i tassi del modello indicano che la presenza del baculum e la breve durata dell’intromissione (probabilità media = 0,73) hanno preceduto un passaggio all’intromissione prolungata (figura 2). Dopo l’evoluzione di lunghe durate di intromissione, il baculum è stato raramente perso. Tuttavia, il baculum è stato spesso perso se la durata dell’intromissione è rimasta breve. Le lunghe durate di intromissione raramente diventavano di nuovo brevi quando era presente un baculum. Al contrario, quando il baculum era assente, la durata dell’intromissione passava frequentemente da lunga a breve.

L’ipotesi che la selezione sessuale postcopulatoria influenzi la lunghezza del baculum è stata testata attraverso una serie di t-test filogenetici (tabella 3). In linea con le nostre previsioni, troviamo che le specie in entrambi gli ordini di primati e carnivori in cui l’intromissione è prolungata hanno baculum significativamente più lungo rispetto alle specie in cui l’intromissione è breve (n = 53, p = 0.000 e n = 41, p = 0.018, rispettivamente). I primati in sistemi di accoppiamento poligami sono risultati avere bacule significativamente più lunghe rispetto a quelli in altri sistemi di accoppiamento (n = 65, p = 0,032). Infine, i primati che si riproducono stagionalmente hanno bacule significativamente più lunghe rispetto ai primati che non si riproducono stagionalmente (n = 63, p = 0,045).

Discussione

I nostri risultati hanno scoperto la traiettoria evolutiva del baculum in tutta la classe dei mammiferi, mostrando che il baculum si è evoluto dopo che i mammiferi placentari e non placentari si sono divisi circa 145 milioni di anni fa (Ma), ma prima che il MRCA dei primati e dei carnivori si sia evoluto intorno a 95 Ma . Mostriamo per la prima volta che sia il primate ancestrale che il carnivoro ancestrale avevano un baculum, un risultato con importanti implicazioni per come il baculum dovrebbe essere studiato all’interno di questi ordini. Le analisi dovrebbero concentrarsi sull’esame del perché il baculum è stato mantenuto in alcune specie e perso in altre, non perché il baculum potrebbe essersi evoluto; era già presente nei loro antenati.

Non abbiamo trovato alcuna relazione tra la lunghezza del baculum e la massa dei testicoli nei primati o nei carnivori, sostenendo precedenti risultati nei primati, ma non nei carnivori. Questa discrepanza è probabilmente spiegata dall’uso di un quadro filogenetico bayesiano per le nostre analisi; la nostra scoperta suggerisce che qualsiasi relazione osservata tra lunghezza del baculum e massa dei testicoli potrebbe essersi evoluta per caso. Anche se questi risultati non forniscono supporto all’ipotesi che la lunghezza del baculum sia sessualmente selezionata, non la confutano. È possibile che aspetti della morfologia del baculum, come la larghezza o la forma, abbiano maggiori probabilità di variare con la massa dei testicoli. Per esempio, la larghezza del baculum è un predittore significativo del numero di figli generati da topi domestici maschi. Infatti, Orr & Brennan ha trovato che la massa dei testicoli prevedeva la larghezza del baculum in quattro ordini di mammiferi; tuttavia, quando questo rapporto è stato testato utilizzando un modello filogenetico, la larghezza del baculum non era più un predittore significativo. È possibile che questi risultati sarebbero rimasti significativi se il rapporto fosse stato esaminato a livello di ordine, poiché la funzione baculare può variare da ordine a ordine. I nostri risultati servono a sottolineare l’importanza di utilizzare metodi filogenetici completi quando si esamina l’evoluzione dei tratti.

Questo studio è stato il primo a dimostrare che la presenza del baculum è correlata alla durata dell’intromissione nel corso dell’evoluzione dei primati. Il risultato evidenzia l’interazione tra fenotipi morfologici e comportamentali nel corso del tempo evolutivo. Il baculum sostiene fisicamente e protegge il pene del maschio, e assiste il trasferimento dello sperma verso la cervice della femmina. Tuttavia, svolge anche un ruolo importante nel facilitare l’intromissione prolungata, che a sua volta può essere un comportamento sessualmente selezionato, volto ad aumentare il successo riproduttivo ritardando le femmine dal ri-appuntamento.

I nostri risultati confermano che l’ipotesi di intromissione prolungata rimane robusta quando analizzata all’interno di un quadro filogenetico rigoroso. I t-test filogenetici mostrano che il baculum è significativamente più lungo in entrambe le specie di primati e carnivori in cui l’intromissione è prolungata. Questo suggerisce che l’allungamento del baculum nel corso dell’evoluzione dei mammiferi è stato probabilmente guidato dalla sua utilità nell’intromissione prolungata. Altri due t-test filogenetici hanno mostrato che i primati in sistemi di accoppiamento poligami e i primati che si riproducono stagionalmente avevano bacoli significativamente più lunghi dei primati in altri sistemi di accoppiamento e di quelli senza un modello di riproduzione stagionale, evidenziando l’importanza della selezione sessuale postcopulativa come motore dell’evoluzione del bacolo.

La scoperta del test di evoluzione correlata, insieme ai risultati dei t-test filogenetici, ci permette di iniziare a mettere insieme le funzioni prossime e finali del bacolo. I sistemi di accoppiamento poligamo e le stagioni di riproduzione limitate creano alti livelli di competizione sessuale postcopulatoria. In questo ambiente, prolungare l’intromissione potrebbe ritardare una femmina dal ri-accoppiamento, aumentando così le possibilità del maschio di fecondarla con successo in condizioni di concorrenza. Assicurarsi che l’uretra sia libera e che ci sia meno distanza possibile da percorrere per gli spermatozoi è un modo per aumentare la quantità di sperma trasportato al canale cervicale. Il baculum serve come struttura di supporto durante l’intromissione prolungata, proteggendo l’uretra e impedendo che si restringa.

Questi risultati non sono necessariamente applicabili ad altri ordini all’interno della classe dei mammiferi, ma evidenziano linee di indagine potenzialmente gratificanti. È anche importante notare che, anche all’interno degli ordini dei primati e dei carnivori, è probabile che altri fattori influenzino la conservazione o meno di un baculum e l’evoluzione della sua morfologia. Gli studi sull’evoluzione del baculum tendono a concentrarsi sul perché è presente in certe specie, o perché potrebbe essere aumentato in lunghezza o larghezza; i fattori che guidano la riduzione o la scomparsa del baculum sono stati largamente ignorati.

Studi ingegnosi stanno cominciando ad individuare il meccanismo prossimo del baculum, così come alcuni dei fattori che guidano la sua evoluzione in diversi ordini di mammiferi. Confrontando questi risultati tra gli ordini ed esaminando il baculum attraverso un quadro filogenetico, possiamo iniziare a costruire un quadro più completo delle funzioni prossime e finali del baculum, e come si è evoluto nelle specie esistenti e nei loro antenati.

Accessibilità dei dati

I dati sono disponibili presso Dryad Digital Repository.

Contributi degli autori

M.B. e C.O. hanno progettato la ricerca; M.B. e C.O. hanno eseguito la ricerca; M.B. e C.O. hanno analizzato i dati; M.B. e C.O. hanno redatto il manoscritto. Tutti gli autori hanno dato l’approvazione finale per la pubblicazione.

Interessi concorrenti

Non abbiamo interessi concorrenti.

Finanziamento

M.B. è supportato da una NERC Doctoral Training Studentship, e C.O. è supportato da una Leverhulme Early Career Fellowship.

Footnotes

Il materiale elettronico supplementare è disponibile online a http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.3583481.