Postcopulatory sexual selection influences baculum evolution in primates and carnivores

はじめに

The morphology of male intromittent organs are subject to more rapid divergent evolution than any other form in animal kingdom. 哺乳類では長さ、幅、形が大きく異なり、「最も多様な骨」（p.1）と評されている。 哺乳類目のうち8つでしか存在しないと考えられていた。 哺乳類のうち、Afrosoricida、Carnivora、Chiroptera、Dermoptera、Erinaceomorpha、Primates、Rodentia、Soricomorphaの8つの目にのみ存在すると考えられていました。 しかし、最近、アメリカナキウサギ（Ochonta princeps）という兔類にも小さな囊があることが発見された。 この発見は、哺乳類に鞍部が存在することは、歴史的に考えられていたよりも一般的である可能性を示唆している。 哺乳類のうち、食肉目、獣脚目、霊長目、齧歯目では、鞍部があるものとないものが混在している。 例えば霊長類では、ヒト、メガネザル、いくつかのカモノハシに薦骨がない。 齧歯目も同じように分けられるかもしれない。 また、哺乳類では、ヒト、タルシール、カモノハシなど、哺乳類以外の目でも鞍部が存在することが知られているが、鞍部の進化史は最近まで研究されておらず、多くの疑問が残されている。 現在までに行われた数少ない実証実験がこの仮説を支持していると思われる。 また，Stockleyらは一夫多妻制のハツカネズミ(Mus domesticus)において，睾丸の幅が雄の繁殖成功の有意な予測因子であることを明らかにした。 Simmons & Firmanは、ハツカネズミの集団における性的選択圧のレベルを変えることによって、実験的に桿状体の幅を操作することができた。 27世代後、人為的に交尾後の高い性選択圧を強制した集団は、一夫一婦制を強制し、したがって性選択圧がなかった集団に比べて、有意にべん毛が太くなった。 これらの研究は、性内選択、特に交尾後の性選択圧がバキュラの進化を促している可能性を示している。

交配システムの違いにより、交配後の性淘汰圧のレベルが異なり、その結果形態的な変化も生じる。例えば、精子競争の激しい種は、体重に対して大きな精巣を持つ傾向にある。 そのため、残存精巣量は集団の交尾システム、ひいては性選択圧力の程度を示す信頼性の高い指標と考えられている … また、Orr & Brennanは、Chiroptera, Eulipotyphla, Primates, Rodentiaにおいて、相対的な精巣の質量が桿状体の存在を有意に予測することを明らかにした。 しかし、同じ研究では、睾丸の存在や幅と交尾システムの間には関係がなく、第3の変数が作用している可能性があることがわかった。 Rammは4つの目において、まず種間の系統依存性のレベルを確立し、その後適切に補正した回帰を行うことで、精巣の質量と鞭毛の長さとの関係を検証した。 その結果、齧歯類と食肉目では精巣の大きさと鞭毛の長さの間に正の関係が認められたが、霊長類と奇蹄目では関係が認められなかった

高度な性内選択下での鞭毛の適応機能については、まだ確立されていない。 しかし、このような淘汰されやすい環境下において、雄が他の雄と競争することで繁殖を成功させるための戦略として考えられるのが、「射精を長引かせ、雌と他の雄の交尾を遅らせる」ことである。 このような背景から、膣口の近接機構は、長時間の膣内射精の際に陰茎を強化し、尿道を保護する支持棒として機能することであると主張した。 最近の3種のコウモリの研究では、睾丸は海綿体と機能的なユニットを形成し、勃起時に亀頭の先端と陰茎の軸を保護することが判明した 。 著者らは、膣内射精の際に勃起した陰茎の遠位尿道と尿道口の収縮を抑え、精子の流れを促進するのにも膣口が役立っていると仮定している。 霊長類のうち、包皮が細長い種の多くでは、陰茎が勃起した状態で、骨の遠位端が尿道からわずかに突出している 。 このため、射精時に睾丸が女性の子宮頸部に接触し、精液が子宮頸管に移行しやすくなると考えられる。

長時間射精仮説の根拠については、今のところ議論の余地がある。 初期の研究では、霊長類や肉食獣において、長時間の射精と細長い囊が相関していることがわかったが、これらの研究では、種間で進化の歴史を共有しているために生じるデータの統計的非依存性が考慮されていない。 その後、系統性を考慮して補正した研究では、北米の肉食動物において、長時間の子宮内射精と子嚢の長さの相関を検証したが、仮説の支持は得られなかった。 しかし、この仮説を検証するためのデータは18種についてしか得られておらず、そのうちの2種のみが間擦期が短いという特徴を有していた。 Dixsonらは、このサンプルは長時間内射精仮説を決定的に否定するほど代表的ではないと主張し、57種の哺乳類のサンプルで独自の系統的補正分析を行った。 このとき、2つの変数の間に有意な相関関係が見いだされた。 両研究とも系統補正を行ったが、系統依存性の程度を確立してから分析を調整しないと、種間の関連性のレベルが系統間で異なるため、系統補正を行うと誤解を招いたり、誤った結果をもたらす可能性がある 。 ベイズ型マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）解析では、単に系統を補正するのではなく、種の系統を解析に組み込むことができるため、より信頼性の高い結果を得ることができる。

新しい研究では、Schultzらは、確率的マッピングという以前の系統的手法を使用して、954種の哺乳類の桿菌の存在と欠如をモデル化し、桿菌が独立して少なくとも9回進化していると主張した。 しかし、このサンプルは哺乳類全体の進化の過程を反映しているとは考えにくく、特に、包嚢の欠如は103種でしか認められなかった。

ここでは、ベイズMCMCの枠組みで系統的比較法を用いて包嚢の進化史を調べ、性内選択のレベルの上昇が包嚢進化に影響を及ぼすという仮説を検討した。 まず、哺乳類全体の桿状体の進化の軌跡を再構築し、霊長類における桿状体の進化速度を検討した。 そして、霊長類と肉食獣の両方で、睾丸の長さと精巣の大きさの関係を検証した。 さらに、霊長類において、睾丸の存在と射精期間との相関進化を検証した後、射精期間が長い霊長類と肉食獣は、射精期間が短い霊長類に比べて睾丸が長いかどうかを系統的t検定で立証した。 最後に、同じ検定を用いて、（i）一夫多妻制の交配システム、（ii）季節繁殖パターンによる交配後の性的選択圧の増加が、霊長類のべん毛の長さを増加させたかどうかを検討した。 霊長類と肉食獣は、それぞれの目において包嚢の有無が混在しているため、特に研究しがいのあるグループであると思われる。 つまり、鞭毛があるものとないものの違いを、目全体ではなく、種レベルで追跡することができるのだ。 さらに、これらの目は他の哺乳類のグループよりも間違いなく広範囲に研究されているので、利用可能なデータも多くあります。

精子との競合レベルを下げ、生殖成功を高めるために、包嚢が長時間の挿入と子宮頸への接近を容易にするとしたら、いくつかの予測を立てて検証することが可能です。 膣口の長さと精巣の大きさには関係があることが予想され、これは集団における交尾後の性選択圧力の代理として用いることができる。 また、進化過程において、子宮内膜の存在と子宮内膜の長さには相関があることが予想される。 このため、交尾の持続時間が長い種は、鞭毛が長くなるはずである。

材料と方法

祖先状態の復元、相関進化の検定、形質関係の検定、系統的t検定はすべてBayesTraits (v. 2) を用いて実施した。 形質データは文献（電子補足資料）から収集した。

現存する哺乳類5020種のスーパーツリー系統樹を用いて、哺乳類目全体の桿体存在の祖先状態を再構築した。 霊長類と肉食動物目のすべての解析は、ベイズMCMC法を用いて推定された1万個の分子系統の事後分布に対して行われた。 クロノグラムはすべての祖先状態の復元と相関進化の検定で使用され、系統図は形質関係の検定と系統的 t 検定で使用された。

0 から 0.07 までの指数ハイパープリウスを持つ可逆ジャンプ MCMC 法は、離散祖先状態の推定に使われた。 各鎖は500万回反復し、5万回のバーンインを行った。これは可変レートモデル以外のすべての分析で行われた。 哺乳類系統における7つの主要なノードと、霊長類と肉食獣の両目における鞭毛の祖先の状態を推定することに興味を持った（電子補足資料、図S1）。 ノード構築にはBayesTraitsの「add MRCA」手順を用いた。

霊長類における桿体長の進化の過程を再構築するために可変速度モデルを用いた（Venditti et al.に準拠）。 このモデルでは、進化の速度が系統間で経時的に変化し、いつ、どこで進化速度が異なるかを予備知識なしに特定することができる。 系統樹の伸びた枝は形質が早く進化したことを示し、圧縮された枝は形質の変化速度が遅いことを示す。 このモデルは1000万回の反復を行い、10万回のバーンインを行った。

Baculum length and testes mass was tested for a relationship using a multiple regression between baculum length, testes mass and adult male body mass.このモデルは、睾丸の長さと精巣の質量を重回帰して、その関係を調べた。 モデルは3回実行され、対数限界尤度の中央値を持つ鎖が選択された。このアプローチは、相関進化と仮説検定を行う際にも取られた。 勾配パラメータ（β）が0と交差する割合を用いてp値を設定した（系統的t検定におけるOrganらの方法による）。

桿状体の存在と間歇期間との相関進化を検定するために、独立モデル（別々に進化するよう制約された形質）と従属モデルの対数限界尤度を比較した。 0-0.05の範囲を持つ指数ハイパープリウスを使用した。 2つのモデルの比較は、モデル間の対数限界尤度の差の2倍として計算される対数自然ベイズ係数（BFs）を用いて行われた。 BFは、Kassらに従って解釈された：0-2は最小の支持、2-6は正の支持、6-10は強い支持、10以上は非常に強い支持である。 最近の文献では、モデルの対数限界尤度を推定するための指標として調和平均を用いることのいくつかの問題点と、より正確であると主張されているステップストーンサンプリング法の相対的な利点が強調されています。 そこで、我々は対数限界尤度の推定に飛び石サンプリング法を使用した。 マルコフ連鎖の1万回の繰り返しに対して100個の石を使用した。 Xieらに従って、ベータ（α、1.0）分布を採用し、αは0.3に設定した。 形質関係、相関進化、系統的t検定のすべての検定にこの方法で飛び石を用いた。

MCMC 系統的t検定は、進化の歴史を共有することによるデータの統計的非独立性を考慮した仮説の検定に用いた（Organ et al. ).

結果

BayesTraitsでの多状態解析（n = 1818）により、祖先の哺乳類は桿菌を持たなかった（baculum absence, mean probability = 0.98）ことが示された。 6つのノードにまたがる祖先状態再構成（表1；電子補足資料、図S1）は、哺乳類の非胎盤動物と胎盤動物が分裂した後（aculum absence、平均確率＝0.93）、霊長類と肉食動物の最も新しい共通祖先（MRCA）が進化する前（aculum presence、平均確率＝0.99）、aculumが初めて進化したことを示唆した。

形質進化の速度差に応じて系統樹の枝を伸縮させる可変速度モデルを使って桿体長の進化軌跡を可視化した（図1；電子補足資料、図S2-S4）。 霊長類は薦骨の長さに顕著な変異があり、これは進化の歴史に反映されている。 このことは、祖先の霊長類の鞍部がかなり小さかったことを示唆している。 一方、ストレプシアルリンやカタユウレイボヤは比較的速い進化を遂げており、一般にプラチナ類やメガネザルよりも長い距骨を持っている。 一方、類人猿は進化の速度が速いにもかかわらず、鞭毛が非常に小さいか、あるいは無いという興味深いグループである。 このことは、カモノハシとヒトコブラクダの系統が分かれた後、祖先のヒトコブラクダの鞍部が高い確率で進化を遂げ、かなり長くなったことを示唆している。 その後、類人猿が旧世界ザルから分かれると、この傾向は逆転し、類人猿の鞭毛はさらに高い進化を遂げ、今度は長さを縮めた。 (肉食獣の睾丸の長さの進化、霊長類と肉食獣の睾丸の大きさの進化を示した可変速樹は、電子補足資料を参照）

睾丸の長さは、霊長類（n = 46, p = 0.139, R2 = 0.）においても精巣量から予測することができない。霊長類（n = 46, p = 0.139, R2 = 0.03）または肉食動物（n = 32, p = 0.231, R2 = 0.37）（電子補足資料、表S2）

我々は、睾丸存在と間歇期間間の相関進化に関するポジティブな証拠を見出した（n = 299, log BF = 4.78; 表2）。 祖先の状態の復元とモデル率から、バキュラムの存在と短い挿肛時間（平均確率=0.73）が、挿肛時間の延長に先行することが示された（図2）。 長時間の射精が可能になった後、バキュラムが失われることはほとんどなかった。 しかし、挿入時間が短い場合には、しばしばバキュラムが失われた。 また、バキュラムが存在する場合、長い射精間隔が再び短くなることはほとんどない。 一方、バキュラムがない場合、射精の持続時間は長くなったり短くなったりを頻繁に繰り返す。 z パーセンテージは、ある状態から別の状態への遷移率がゼロである事後確率（つまり、ある遷移が起こらない頻度）を示す。 太い黒矢印は、ある遷移が頻繁に起こることを示し、細い矢印またはない矢印は、ある遷移がまれであるか、実質的に存在しないことを示す。 (オンライン版はカラー）

交配後の性選択が桿状長に影響するという仮説は、一連の系統的t検定により検証された（表3）。 我々の予想通り，霊長類と肉食獣の両目で口内射精が長引く種は，口内射精が短い種よりも有意に桿部が長いことが分かった（それぞれn = 53, p = 0.000 と n = 41, p = 0.018）。 また、一夫多妻制の霊長類は、他の交配システムの霊長類に比べ、有意に長い距骨を持つことがわかった（n = 65, p = 0.032）。 最後に、季節的に繁殖する霊長類は、季節的に繁殖しない霊長類よりも有意に長い桿状体を有する（n = 63, p = 0.045）。

考察

今回の結果は哺乳類の綱における桿体の進化の足跡を明らかにするものであった。 哺乳類が胎盤と非胎盤に分かれた後、霊長類と肉食動物のMRCAが進化する前の約9500万年前に初めて進化したことを明らかにした。 この結果は、霊長類の祖先と肉食獣の祖先がともに鞭毛を有していたことを初めて明らかにし、これらの目における鞭毛の研究方法について重要な示唆を与えるものである。 その結果、霊長類と肉食獣の祖先にはすでに鞍部が存在し、なぜ鞍部が進化したのかではなく、ある種で鞍部が残り、他の種で失われたのかに焦点を当てた分析が必要であることがわかった。 この矛盾はおそらく、ベイズ系統分類の枠組みを用いた解析によって説明される。この発見は、観察された包皮長と精巣の質量との関係が、偶然に進化した可能性を示唆している。 これらの結果は、「睾丸の長さは性的に選択される」という仮説を支持するものではないが、反証するものでもない。 また、膣の幅や形状といった膣の形態は、精巣の大きさによって変化する可能性が高い。 例えば、ハツカネズミの雄では、睾丸の軸の幅が子孫の数の有意な予測因子となる。 実際、Orr & Brennan は哺乳類の4つの目において、精巣の質量が臍帯の幅を予測することを発見した。しかし、この関係を系統樹モデルで検証すると、臍帯の幅はもはや有意な予測因子ではなくなっていた . しかし、この関係を系統モデルで検証したところ、睾丸の幅は有意な予測因子ではなくなった。睾丸の機能は目によって異なる可能性があるので、この関係を目のレベルで検証していれば、これらの結果は有意なままであった可能性がある。 本研究は、霊長類の進化の過程で、膣の有無が射精時間と相関していることを初めて明らかにした。 この結果は、進化の過程で形態的表現型と行動的表現型が相互に影響し合っていることを浮き彫りにした。 膣口は、オスのペニスを物理的に支え、保護し、メスの子宮頸部に向かう精液の移送を補助します。 しかし、膣内射精の延長という重要な役割も果たしており、それ自体が雌の再交尾を遅らせることによって繁殖成功を高めることを目的とした、性的に選択された行動である可能性もある。 また、系統的なt検定により、霊長類と肉食獣のいずれにおいても、子宮内射精が延長された種では、子宮蓋が有意に長くなっていることが示された。 このことは、哺乳類の進化の過程で、膣口が長くなったのは、おそらく性交の延長に有用であったことを示唆している。 さらに2つの系統的t検定では、一夫多妻制の霊長類と季節繁殖の霊長類は、他の交尾システムや季節繁殖のない霊長類よりも有意に長い桿状部を有しており、桿状部の進化の推進力として交配後の性的選択の重要性が強調された

相関進化の検定による発見と系統的t検定の結果から、桿状部の近接機能と最終機能をつなぎ合わせ始めることが可能になった。 一夫多妻制の交配システムと限られた繁殖期は、交配後の性的競争を高い水準で生み出す。 このような環境では、子宮内射精を長くすることで雌の再交尾を遅らせ、競争条件下で雄が雌との受精に成功する確率を高めることができるかもしれない。 尿道を制限せず、精子の移動距離をできるだけ短くすることで、子宮頸管への精子の輸送量を増加させる方法である。 この結果は、哺乳類の他の目にも当てはまるわけではありませんが、今後の研究課題として注目されます。 また、霊長類や肉食獣の目であっても、他の要因が桿状体の保持の有無やその形態の進化に影響する可能性が高いことも重要な点である。 べん毛の進化に関する研究では、べん毛が特定の種に存在する理由や、べん毛の長さや幅が増加した理由に焦点が当てられることが多く、べん毛の減少や消滅を促す要因はほとんど無視されてきました。 また、哺乳類における “咬頭 “の進化を促す要因も明らかになりつつあり、”咬頭 “の機能を系統的に比較することにより、現存する種やその祖先における “咬頭 “の近縁・究極の機能、そしてその進化をより包括的に解明することが可能になりました。

データへのアクセス

データはDryad Digital Repositoryから入手可能。

著者らの貢献

M.B.とC.Oは研究をデザインし、M.B.とC.Oは研究を行い、M.B.とC.Oはデータを分析し、M.B.とC.Oは原稿を起草した。

Competing interests

We have no competing interests.

Funding

M.B. is supported by a NERC Doctoral Training Studentship, and C.O. is supported by a Leverhulme Early Career Fellowship.

Footnotes

Electronic supplementary material is available online at http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.3583481.All Rights Reserved.

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