Postkopulatoriskt sexuellt urval påverkar utvecklingen av baculum hos primater och köttätare

Introduktion

Morfologin hos de manliga intromittenta organen anses vara föremål för en snabbare divergerande utveckling än någon annan form i djurriket. Baculum, eller penisbenet, följer inte denna trend och har beskrivits som ”det mest varierande av alla ben” (, s. 1) och varierar dramatiskt i längd, bredd och form hos alla däggdjur.

Baculum är inte enhetligt förekommande hos alla däggdjur. Man trodde att det endast fanns i åtta av däggdjursordningarna: Afrosoricida, Carnivora, Chiroptera, Dermoptera, Erinaceomorpha, Primates, Rodentia och Soricomorpha . Man har dock nyligen upptäckt att en lagomorph, den amerikanska pikan (Ochonta princeps), också har ett litet baculum . Denna upptäckt tyder på att förekomsten av baculum kan vara vanligare bland däggdjur än vad man historiskt sett har trott. Vissa ordningar har en blandning av förekomst och frånvaro av baculum hos olika arter; dessa är Carnivora, Chiroptera, Primates och Rodentia. Bland primater saknar till exempel människor, tarsierer och flera platyrrhiner baculum. Lagomorphia kan delas upp på liknande sätt. Förutom att dokumentera förekomsten och frånvaron av baculum i alla däggdjursordningar hade baculumets evolutionära historia inte studerats förrän nyligen, vilket lämnade många frågor obesvarade.

Genital (och därmed bacular) morfologi föreslås vara föremål för sexuellt urval . De få empiriska tester som hittills utförts kan stödja denna hypotes. Stockley et al. fann att baculumbredden hos polygama husmöss (Mus domesticus) var en betydande prediktor för hanarnas reproduktionsframgång. Simmons & Firman kunde experimentellt manipulera baculumbredden genom att ändra nivån på det sexuella urvalstrycket i populationer av husmöss. Efter 27 generationer hade populationer med artificiellt framtvingade höga nivåer av postkopulatoriskt sexuellt selektionstryck betydligt tjockare baculum än populationer där monogami framtvingades och det sexuella selektionstrycket därför var frånvarande. Dessa studier tyder på att intrasexuellt urval, särskilt postkopulatoriskt sexuellt urvalstryck, kan driva utvecklingen av bacula. Om så är fallet bör bacula hos populationer med höga nivåer av intrasexuellt selektionstryck, t.ex. populationer med polygama (flera män, flera kvinnor) eller säsongsbundna parningssystem, utsättas för starkare evolutionära krafter.

Olika parningssystem genererar variation i nivåerna av postkopulatoriskt sexuellt selektionstryck och därmed morfologisk variabilitet; till exempel tenderar arter med höga nivåer av spermiekonkurrens att ha stora testiklar i förhållande till sin kroppsmassa . Resterande testikelmassa anses därför vara ett tillförlitligt mått på parningssystemet i en population och därmed graden av sexuellt selektionstryck . Orr & Brennan fann att den relativa testikelmassan var en betydande prediktor för förekomsten av baculum hos Chiroptera, Eulipotyphla, Primates och Rodentia. I samma studie fann man dock inget samband mellan förekomst eller bredd av baculum och parningssystem, vilket tyder på att en tredje variabel kan spela in. Ramm testade om det fanns ett samband mellan testikelmassan och baculumlängden i fyra ordningar genom att först fastställa nivån på det fylogenetiska beroendet mellan arterna och sedan utföra lämpligt korrigerade regressioner. Ett positivt samband mellan testikelmassa och baculumlängd noterades hos Rodentia och Carnivora, men samma test fann inget samband hos primater eller Chiroptera.

Baculumets adaptiva funktion, under höga nivåer av intrasexuellt urval, är ännu inte fastställd. En potentiell strategi genom vilken en hane kan öka sin reproduktiva framgång, genom att konkurrera ut rivaliserande hanar, är att förlänga intromissionen och därmed fördröja att en hona parar sig med en annan hane. Enligt hypotesen om förlängd intromission bidrar baculum till att underlätta denna förlängda intromission genom att stödja penis .

I detta sammanhang är baculumets närmaste mekanism att fungera som en stödjande stav som förstärker penis och skyddar urinröret under förlängd intromission . En nyligen genomförd studie på tre olika arter av fladdermöss visade att baculum bildar en funktionell enhet med corpora cavernosa, som skyddar ollonspetsen och penisskaftet när den är erigerad . Författarna menar att baculumet också bidrar till att begränsa inskränkningen av det distala urinröret och urinrörsöppningen i den erigerade penisen under intromission, vilket underlättar spermaflödet. Hos många arter av primater där baculum är långsträckt sticker benets distala ände ut något från urinröret när penis är upprätt . Detta skulle kunna göra att baculumet kommer i kontakt med en kvinnas livmoderhals under intromission, vilket underlättar överföringen av sperma till livmoderhalsen .

Bevisen för hypotesen om förlängd intromission har hittills visat sig vara kontroversiella. Tidiga studier visade att förlängd intromission var korrelerad med förlängda bacula hos primater och köttätare ; dessa studier tog dock inte hänsyn till det statistiska icke-oberoende av data som uppstår på grund av en gemensam evolutionär historia mellan arter. En senare studie, korrigerad för att ta hänsyn till fylogeni, testade om det fanns ett samband mellan förlängd intromission och baculumlängd hos nordamerikanska rovdjur, men fann inget stöd för hypotesen . Uppgifter för att testa denna hypotes fanns dock endast tillgängliga för 18 arter, av vilka endast två karakteriserades som kortvariga intromissioner. Dixson et al. hävdar att detta urval inte är tillräckligt representativt för att på ett avgörande sätt motbevisa hypotesen om förlängd intromission, och genomförde sin egen fylogenetiskt korrigerade analys i ett urval av 57 däggdjursarter. Den här gången fann man en signifikant korrelation mellan de två variablerna. Även om båda studierna korrigerades för fylogeni, om graden av fylogenetiskt beroende inte fastställs innan en analys justeras, kan korrigering för fylogeni ge missvisande eller felaktiga resultat, eftersom graden av släktskap mellan arter varierar över en fylogeni . Bayesianska Markov Chain Monte Carlo-analyser (MCMC) gör det möjligt att införliva arternas fylogenier i en analys, i stället för att bara korrigera för fylogeni, och kan därmed ge mer tillförlitliga resultat .

I en ny studie använde Schultz et al. de tidigare fylogenetiska metoderna för stokastisk kartläggning för att modellera närvaron och frånvaron av baculum i 954 däggdjursarter, och hävdar att baculum självständigt har utvecklats minst nio gånger hos däggdjur. Det är dock osannolikt att detta urval återspeglar utvecklingsförloppet i hela däggdjursklassen, särskilt eftersom frånvaro av baculum endast noterades hos 103 arter.

Här använder vi fylogenetiska komparativa metoder inom ett Bayesianskt MCMC-ramverk för att undersöka baculumets utvecklingshistoria och utreda hypotesen att ökade nivåer av intrasexuellt urval påverkar utvecklingen av baculum. Vi rekonstruerade först baculumets evolutionära bana över hela däggdjursklassen och undersökte baculumets utvecklingshastighet i primatordningen. Därefter testade vi om det fanns ett samband mellan baculumlängd och testikelmassa hos både primater och köttätare. Vi testade sedan vidare om det fanns en korrelerad evolution mellan baculumförekomst och intromissionsvaraktighet hos primater, innan vi utförde fylogenetiska t-test för att fastställa om primater och köttätare med långvarig intromissionsvaraktighet har längre baculum än de med kort intromissionsvaraktighet. Slutligen använde vi samma tester för att undersöka om ökade nivåer av postkopulatoriskt sexuellt selektionstryck orsakat av i) polygama parningssystem och ii) säsongsbundna avelsmönster ledde till en ökning av baculumlängden hos primater. Primater och köttätare är sannolikt särskilt givande grupper att studera, eftersom det finns en blandning av baculumnärvaro och -frånvaro inom varje ordning. Detta innebär att skillnader mellan dem med och utan baculum kan spåras på artnivå, snarare än mellan olika ordningar. Eftersom dessa ordningar dessutom utan tvekan är mer utförligt studerade än andra däggdjursgrupper finns det fler data att tillgå.

Om baculum underlättar förlängd intromission och ökad närhet till livmoderhalsen för att minska spermiekonkurrensen och öka den reproduktiva framgången, kan flera förutsägelser göras och testas. Man skulle kunna förvänta sig att det finns ett samband mellan baculumlängd och testikelmassa, vilket kan användas som ett mått på nivån på det postkopulatoriska sexuella selektionstrycket i en population. Man förväntar sig att intromissionstiden korrelerar med förekomsten av baculum under evolutionens gång. Arter med långvarig intromission bör ha långsträckta baculum. Slutligen bör grupper där det postkopulatoriska sexuella selektionstrycket är högst, t.ex. grupper där parningen är polygam eller sker säsongsmässigt, ha längre bacula än grupper med lägre nivåer av postkopulatoriskt sexuellt selektionstryck.

Material och metoder

Ankestrala rekonstruktioner av tillstånd, tester av korrelerad evolution, tester av egenskapsrelationer och fylogenetiska t-test utfördes alla med hjälp av BayesTraits (v. 2) . Data om egenskaper sammanställdes från litteraturen (elektroniskt tilläggsmaterial).

En supertree-fylogeni av 5020 existerande däggdjur användes för att rekonstruera de ursprungliga tillstånden för förekomsten av baculum i hela däggdjursordningen . Alla analyser av primat- och rovdjursordningarna utfördes på en posteriordistribution av 10 000 molekylära fylogenier som härleddes med hjälp av Bayesianska MCMC-metoder . Kronogram användes i alla rekonstruktioner av förfäders tillstånd och tester av korrelerad evolution, medan fylogram användes i tester av egenskapsrelationer och fylogenetiska t-test.

En MCMC-metod med reversibelt hopp med en exponentiell hyperprior som varierar mellan 0 och 0,07 användes för att uppskatta diskreta förfäders tillstånd . Varje kedja kördes i 5 miljoner iterationer med en burn-in på 50 000 iterationer; detta var fallet för alla analyser förutom modellen med variabla hastigheter. Vi var intresserade av att härleda sju nyckelknutpunkter i däggdjursfylogenin, liksom det ancestrala tillståndet för baculumnärvaro för både primat- och rovdjursordningarna (elektroniskt tilläggsmaterial, figur S1). Noderna konstruerades med hjälp av proceduren ”add MRCA” i BayesTraits .

En modell med variabla hastigheter användes för att rekonstruera förloppet av utvecklingen av baculumlängden inom primatordningen (enligt Venditti et al. ). Modellen gör det möjligt att ändra utvecklingshastigheten över en fylogeni över tiden och identifierar när och var utvecklingshastigheterna har skiljt sig åt utan föregående kunskap. Sträckta grenar i det fylogenetiska trädet indikerar att en egenskap har utvecklats snabbt och komprimerade grenar indikerar långsamma hastigheter i egenskapsförändringarna. Modellen kördes i 10 miljoner iterationer, med en burn-in på 100 000 iterationer.

Baculumlängd och testikelmassa testades för ett samband med hjälp av en multipel regression mellan baculumlängd, testikelmassa och kroppsmassa hos vuxna hanar. Modellen kördes tre gånger och kedjan med medianen för log marginal sannolikhet valdes; detta tillvägagångssätt användes också när man utförde korrelerad utveckling och hypotesprövningar. Andelen av lutningsparametern (β) som gick över noll användes för att fastställa p-värdena (enligt Organ et al.’s metod för fylogenetiska t-test).

För att testa om det finns en korrelerad evolution mellan baculumförekomst och intromissionsvaraktighet jämförde vi den logaritmiska marginella sannolikheten för oberoende (egenskaper som tvingas utvecklas separat) och beroende modeller. En exponentiell hyperprior med ett intervall på 0-0,05 användes. De två modellerna jämfördes med hjälp av log naturliga Bayesfaktorer (BF), som beräknas som två gånger skillnaden i log marginell sannolikhet mellan modellerna . BFs tolkades enligt Kass et al.: 0-2, minimalt stöd; 2-6, positivt stöd; 6-10, starkt stöd; mer än 10, mycket starkt stöd. I den senaste litteraturen har man lyft fram flera problem med att använda det harmoniska medelvärdet som ett mått för att skatta log marginal sannolikhet för en modell och de relativa fördelarna med stepping-stone sampling-metoden, som anses vara mer exakt . Vi använde därför stepping-stone samplingmetoden för att skatta den marginella logaritmiska sannolikheten. Hundra stenar användes per 10 000 iterationer av Markovkedjan. I enlighet med Xie et al. användes en betafördelning (α, 1,0) och α sattes till 0,3. Stepping-stones användes på detta sätt för alla tester av egenskapsrelationer, korrelerad evolution och fylogenetiska t-test.

MCMC-fylogenetiska t-test användes för att testa hypoteser som redovisar dataens statistiska icke-oberoende på grund av gemensam evolutionär historia (enligt Organ et al. ).

Resultat

En analys av flera tillstånd i BayesTraits (n = 1818) visar att det förste däggdjuret inte hade något baculum (baculum absence, mean probability = 0,98). Rekonstruktioner av förfädernas tillstånd i sex noder (tabell 1; elektroniskt tilläggsmaterial, figur S1) tyder på att baculum först utvecklades efter det att däggdjuren utan placenta och placenta delades upp (avsaknad av baculum, medelsannolikhet = 0,93), men innan den senaste gemensamma förfädernas (MRCA) av primater och köttätare utvecklades (förekomst av baculum, medelsannolikhet = 0,99). Förfaderns primat och köttätare hade båda ett baculum (förekomst av baculum, medelsannolikhet = 1,00 respektive 1,00).

Den evolutionära banan för baculumlängden visualiserades med hjälp av modellen med variabla hastigheter, som sträcker ut eller krymper grenarna i ett fylogenetiskt träd i enlighet med olika hastigheter för egenskapens utveckling (figur 1; elektroniskt kompletterande material, figurer S2-S4). Primater uppvisar en markant variation i baculumlängd och detta återspeglas i deras evolutionära historia. Mycket liten förändring har skett hos platyrrhiner och tarsierer, som tenderar att ha små eller obefintliga baculum, vilket tyder på att baculumet hos den ursprungliga primatens var ganska litet. Däremot har strepsirrhines och catarrhines genomgått en relativt snabb evolutionär förändring och har i allmänhet längre bacula än platyrrhines och tarsiers. Aporna utgör en intressant grupp eftersom de har genomgått stora förändringar, men ändå har mycket små eller obefintliga bacula. Detta tyder på att efter det att platyrrhine- och catarrhine-linjerna delade sig, genomgick baculumet hos den ursprungliga catarrhine en hög utvecklingstakt och blev mycket längre. När aporna sedan delade sig från de gamla världens aporna vände denna trend och apornas baculum genomgick ytterligare en hög utvecklingshastighet, men den här gången blev den kortare. (Se det elektroniska tilläggsmaterialet för träd med variabla hastigheter som visar utvecklingen av rovdjurens baculumlängd och utvecklingen av primaternas och rovdjurens testikelmassa, figurerna S2-S4.)

Baculumlängden kunde inte förutsägas utifrån testikelmassan hos vare sig primater (n = 46, p = 0,139, R2 = 0.03) eller rovdjur (n= 32, p= 0,231, R2= 0,37) (elektroniskt tilläggsmaterial, tabell S2).

Vi fann positiva bevis för korrelerad evolution mellan baculumförekomst och intromissionsvaraktighet hos primater (n= 299, log BF = 4,78; tabell 2). Rekonstruktioner av föråldrade tillstånd och modellhastigheter visar att baculumförekomst och kort intromissionsduration (genomsnittlig sannolikhet = 0,73) föregick en övergång till förlängd intromission (figur 2). Efter att långa intromissionsdurationer hade utvecklats förlorades baculumet sällan. Baculumet försvann dock ofta om intromissionstiden förblev kort. Långa intromissionsdurationer blev sällan korta igen när en baculum fanns kvar. När baculum däremot saknades växlade intromissionstiden ofta mellan lång och kort.

Hypotesen att det sexuella urvalet efter kopulationen påverkar baculumlängden testades genom en serie fylogenetiska t-test (tabell 3). I linje med våra förutsägelser finner vi att arter i både primat- och rovdjursordningen där intromissionen är långvarig har betydligt längre baculum än arter där intromissionen är kort (n = 53, p = 0,000 respektive n = 41, p = 0,018). Primater i polygama parningssystem visade sig ha betydligt längre bacula än de i andra parningssystem (n = 65, p = 0,032). Slutligen har säsongsmässigt häckande primater signifikant längre bacula än primater som inte häckar säsongsmässigt (n = 63, p = 0,045).

Diskussion

Våra resultat har avslöjat baculumets evolutionära bana i hela däggdjursklassen, Det visar att baculum först utvecklades efter att placenta-däggdjur och icke-placenta-däggdjur delades upp för cirka 145 miljoner år sedan (Ma), men innan MRCA för primater och köttätare utvecklades för cirka 95 miljoner år sedan (Ma). Vi visar för första gången att både den ursprungliga primat och det ursprungliga rovdjuret hade en baculum, ett resultat som har viktiga implikationer för hur baculum bör studeras inom dessa ordningar. Analyser bör fokusera på att undersöka varför baculum bibehölls hos vissa arter och försvann hos andra, inte varför baculum kan ha utvecklats; det fanns redan hos deras förfäder.

Vi fann inget samband mellan baculumlängd och testikelmassa hos primater eller rovdjur, vilket stödjer tidigare fynd hos primater, men inte hos rovdjur . Denna diskrepans förklaras troligen av att vi använt en Bayesiansk fylogenetisk ram för våra analyser; vårt resultat tyder på att varje observerat samband mellan baculumlängd och testikelmassa kan ha utvecklats av en slump. Även om dessa resultat inte ger stöd för hypotesen att baculumlängden är sexuellt selekterad, motbevisar de den inte heller. Det är möjligt att aspekter av baculummorfologin, t.ex. bredd eller form, är mer sannolika att variera med testikelmassan. Till exempel är baculumaxelns bredd en viktig prediktor för antalet avkommor som hanar av husmöss föder. Orr & Brennan fann faktiskt att testikelmassan förutsade baculumbredden i fyra däggdjursordningar, men när detta förhållande testades med hjälp av en fylogenetisk modell var baculumbredden inte längre en viktig prediktor . Det är möjligt att dessa resultat skulle ha förblivit signifikanta om förhållandet hade undersökts på ordernivå, eftersom baculumfunktionen kan variera från order till order. Våra resultat tjänar till att belysa vikten av att använda fullständiga fylogenetiska metoder när man undersöker egenskapsutveckling.

Denna studie har varit den första att visa att baculumnärvaro har korrelerat med intromissionsvaraktighet under primaternas evolution. Resultatet belyser samspelet mellan morfologiska och beteendemässiga fenotyper över evolutionär tid. Baculum stöder och skyddar fysiskt hanens penis och underlättar överföringen av sperma till honans livmoderhals . Den spelar dock också en viktig roll för att underlätta långvarig intromission, som i sig själv kan vara ett sexuellt selekterat beteende som syftar till att öka den reproduktiva framgången genom att fördröja att honorna parar sig på nytt.

Våra resultat bekräftar att hypotesen om långvarig intromission förblir robust när den analyseras inom en rigorös fylogenetisk ram. Fylogenetiska t-test visar att baculumet är betydligt längre hos både primat- och rovdjursarter där intromission förlängs. Detta tyder på att förlängningen av baculum under däggdjurens evolution troligen drevs av dess användbarhet vid förlängd intromission. Ytterligare två fylogenetiska t-test visade att primater i polygama parningssystem och säsongsmässigt reproducerande primater hade betydligt längre baculum än primater i andra parningssystem och primater utan säsongsmässigt reproduktionsmönster, vilket understryker betydelsen av det postkopulatoriska sexuella urvalet som drivkraft för baculumutvecklingen.

Fyndet från testet av korrelerad evolution, i kombination med resultaten från de fylogenetiska t-testerna, gör att vi kan börja pussla ihop de närliggande och slutliga funktionerna hos baculum. Polygama parningssystem och begränsade häckningssäsonger skapar höga nivåer av postkopulatorisk sexuell konkurrens. I denna miljö skulle en förlängd intromission kunna fördröja att en hona parar sig på nytt och därmed öka hanens chans att lyckas befrukta henne under konkurrensförhållanden. Ett sätt att öka mängden spermier som transporteras till livmoderhalsen är att se till att urinröret är fritt och att spermierna har så lite avstånd som möjligt att färdas. Baculum fungerar som en stödjande struktur under långvarig intromission och skyddar både urinröret och förhindrar att det dras in.

Dessa resultat gäller inte nödvändigtvis för andra ordningar inom däggdjursklassen, men de belyser potentiellt givande forskningslinjer. Det är också viktigt att notera att även inom primat- och rovdjursordningarna är det troligt att andra faktorer påverkar huruvida ett baculum behålls eller inte och hur dess morfologi utvecklas. Studier av baculans utveckling tenderar att fokusera på varför den finns hos vissa arter, eller varför den kan ha ökat i längd eller bredd; faktorer som driver minskningen eller försvinnandet av bacula har i stort sett ignorerats.

Ingeniösa studier börjar plocka isär baculumets närliggande mekanism, liksom några av de faktorer som driver dess utveckling i olika däggdjursordningar . Genom att jämföra dessa resultat mellan olika ordningar och undersöka baculum genom en fylogenetisk ram kan vi börja bygga upp en mer heltäckande bild av baculumets närliggande och slutgiltiga funktioner och hur det har utvecklats hos de existerande arterna och deras förfäder.

Datatillgänglighet

Data finns tillgängliga från Dryad Digital Repository .

Författarnas bidrag

M.B. och C.O. utformade forskningen; M.B. och C.O. utförde forskningen; M.B. och C.O. analyserade data; M.B. och C.O. utarbetade manuskriptet. Alla författare gav slutligt godkännande för publicering.

Kompletterande intressen

Vi har inga konkurrerande intressen.

Finansiering

M.B. stöds av ett NERC Doctoral Training Studentship och C.O. stöds av ett Leverhulme Early Career Fellowship.

Fotnoter

Elektroniskt tilläggsmaterial finns online på http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.3583481.