Еволюція за дієтичних обмежень збільшує репродуктивні показники чоловіків без витрат на виживання

Фелікс Зайчек

1 Школа біологічних наук, Університет Монаш, Клейтон, Вікторія 3800, Австралія

2 Кафедра екології тварин, Центр еволюційної біології, Університет Уппсали, Упсала 75236, Швеція

Сюзанна Р. К. Зайчек

3 Відділ еволюційної біології, Центр еволюційної біології, Університет Уппсали, Упсала, 75236, Швеція

4 Біологічна станція Доняна, Іспанська дослідницька рада CSIC, c/Americo Vespucio, s/n, Isla de la Cartuja, 41092 Севілья, Іспанія

Канді Сінді

2 Кафедра екології тварин, Центр еволюційної біології, Університет Уппсали, Упсала 75236, Швеція

Григоріос Георголопулос

2 Кафедра екології тварин, Центр еволюційної біології, Університет Уппсали, Упсала 75236, Швеція

Урбан Фріберг

3 Відділ еволюційної біології, Центр еволюційної біології, Університет Уппсали, Упсала, 75236, Швеція

5 IFM Biology, AVIAN Behavioral, Genomics and Physiology Group, Університет Лінчепінг, Лінчепінг 58183, Швеція

Олексій Олександрович Маклаков

2 Кафедра екології тварин, Центр еволюційної біології, Університет Уппсали, Упсала, 75236, Швеція

Пов’язані дані

Анотація

Обмеження в харчуванні (ЗР), зменшення споживання поживних речовин без недоїдання, є найбільш відтворюваним способом продовження тривалості життя в широкому діапазоні організмів на дереві життя, проте еволюційні підґрунтя впливу ВР на тривалість життя все ще широко обговорюються. Провідна теорія припускає, що цей ефект є адаптивним і є результатом перерозподілу ресурсів від відтворення до соматичного утримання, щоб пережити періоди голоду в природі. Однак така реакція перестає бути адаптивною, коли АР хронічний, а тварини відбираються для виділення більше ресурсів на розмноження. Тим не менше, хронічний ДР може також збільшити силу відбору, що призводить до еволюції більш міцних генотипів. Ми розвинули плодових мух Drosophila melanogaster за «дорослими», «стандартними» та «високими» дієтами для дорослих у повторюваних популяціях із накладанням поколінь. Приблизно після 25 поколінь експериментальної еволюції чоловічі мухи «DR» мали вищу фізичну форму, ніж чоловіки із «стандартних» та «високих» популяцій. Вражаюче, що це збільшення репродуктивного успіху не коштувало виживання. Наші результати свідчать про те, що стійкий АД відбирає для більш міцних чоловічих генотипів, які в цілому краще перетворюють ресурси в енергію, яку вони виділяють здебільшого для відтворення.

1. Вступ

Обмеження у харчуванні (ДР) на сьогоднішній день є одним із найнадійніших втручань, що подовжує тривалість життя у широкому діапазоні організмів [1], тоді як дієти з надлишком поживних речовин пов'язані з негативними ефектами [2]. Хоча розуміння харчового [3] та молекулярного [4] механізмів продовження тривалості життя при ДР надзвичайно прогресувало за останні роки, еволюційна основа ефекту ДР залишається неоднозначною [5], і було мало емпіричних досліджень, які явно перевіряють існуючі теорії. Найчастіше аргумент затримки кращих часів вважається адаптивною причиною опосередкованого АР продовження тривалості життя. Більш формально це можна сформулювати, застосувавши одноразову теорію старіння соми [6]. Згідно з цією теорією, ефект DR - це адаптивна пластична реакція організмів, які оптимізують свою придатність, перерозподіляючи свої ресурси від розмноження до соматичного підтримання, а отже, і до виживання, коли ресурсів недостатньо [6].

Оскільки теорія перерозподілу ресурсів базується на припущенні, що ефект DR є адаптацією, яка дозволяє пережити тимчасову нестачу їжі до тих пір, поки ресурси знову не стануть рясними, наслідком є те, що ефект DR зменшиться, якщо дефіцит їжі буде постійним. При стійкому розвитку ДР особи, які приносять більше потомства в таких неоптимальних умовах, будуть обрані замість особин, які зможуть вижити довше. Отже, прогнозується, що еволюція в умовах стійкої ДР збільшить розмноження та зменшить ефект ДР за умови наявності постійних генетичних варіацій для цієї пластичної відповіді [7]. З іншого боку, еволюція за високої доступності ресурсів не повинна вибирати проти пластичності при короткочасному DR (спостерігається як класичний ефект DR), якщо просто нести ген (и), відповідальні за ефект DR, не є дорогим (тобто, якщо існує вартість пластичності [8]).

Однак вищезазначений сценарій ігнорує інші потенційні джерела відбору, які населення може відчувати за ДР. Часто припускають, що екологічний стрес збільшує вибір (наприклад, [9], але див. [10]). Два недавні дослідження на різних таксонах безхребетних показали, що еволюція в умовах температурного стресу може призвести до корельованої еволюції підвищеної плодючості, що супроводжується збільшенням або незмінною тривалістю життя [11,12]. DR є формою стресового фактору навколишнього середовища, і, отже, може призвести до посилення відбору щодо генетичної якості порівняно з тим, коли харчування є більшим.

Крім того, Adler & Bonduriansky [5] нещодавно запропонували суперечливу нову теорію, яка стверджує, що ефект DR може бути невибраним побічним продуктом максимального розмноження під час голоду. Зокрема, ця теорія припускає, що ефект DR обумовлений високозбереженим механізмом переробки поживних речовин, аутофагією, яка максимізує використання внутрішніх ресурсів для розмноження в умовах дефіциту їжі і як побічний продукт продовжує тривалість життя організмів в захищених лабораторних умовах. Згідно з цією гіпотезою, еволюція в умовах стійкого розвитку ДР буде обирати особин, які краще перетворюють низькі кількості доступної енергії у відтворення, отже, призводячи до еволюції посиленого відтворення при тривалому АД, що супроводжується еволюцією збільшення тривалості життя.

2. Методи

(а) Експериментальне проектування

(i) Встановлення та обслуговування експериментальних еволюційних клітин

Експериментальна еволюція виявилася одним з найцінніших експериментальних методів вивчення еволюції в лабораторії [13]. Проте існують також потенційні проблеми, пов'язані з цим експериментальним підходом. Вплив на нове середовище, інбридинг та довготривалий відбір можуть сприяти незрозумілим основним компромісам [14]. Хоча експериментальна еволюція за визначенням завжди тягне за собою вплив нового середовища, наші експериментальні популяції піддавались культивуванню, близькому до протоколу культивування, що спостерігається у нашої базової популяції, мінімізуючи цю проблему. Розміри експериментальної популяції повинні ефективно запобігати проблемам, пов’язаним з інбридингом. Компроміси між тривалістю життя та плодючістю повинні були бути очевидними в цьому відносно короткому експериментальному дослідженні, навіть якщо такі компроміси можуть зникнути в довгостроковій перспективі. Ми зможемо оцінити зареєстровані ефекти у довгостроково відібраних популяціях, оскільки наші лінії все ще зберігаються.

(ii) Дизайн аналізу

Після 500 днів експериментальної еволюції в клітинах, описаних вище (еквівалентно приблизно 25 поколінням, припускаючи час генерації 20 днів), ми вирощували мух з кожної клітки протягом двох поколінь за стандартизованих умов (див. Встановлення клітин для популяцій вище), і використовував третє покоління для встановлення 108 експериментальних флаконів (28,5 × 95 мм). Кожен флакон був заселений 40 мухами-самцями. Мухи отримували одну з трьох дієт, що використовуються в експериментальних клітинах для еволюції, з трьома повторними флаконами в клітку та поєднанням дієт (12 клітин, три дієти в клітку, чотири копії).

(iii) Аналізи смертності та репродуктивної діяльності

Смертність перевірялася щотижня в понеділок, середу та п’ятницю, коли мух перекидали у нові флакони з їжею. Ми вимірювали репродуктивні показники чоловіків у віці 7, 28 та 56 днів після еклозії у зрілому віці. Для цього ми дали самцям кожного флакона можливість спаровуватися з 40 самками. Ці самки були гомозиготними за рецесивним маркером чорне дерево (e), мутацією, що затемнює колір тіла, який раніше втягувався в генетичний фон Дагомея. Чорношкірим самкам дозволялося спаровуватися з чорношкірими самцями протягом перших 2 днів після еклозії у зрілий вік, і їх поміщали до експериментальних самців у віці 4 днів протягом 4 годин. Яйця, відкладені чорношкірими самками протягом наступних 24 годин, обрізали до 180 яєць на флакон. Підраховували потомство дикого типу та чорного дерева. Будь-яке потомство дикого типу було заведено експериментальними самцями дикого типу. Ми розрахували відношення кількості потомства дикого типу до загальної кількості потомства як показник репродуктивної продуктивності (репродуктивної придатності).

(b) Статистичний аналіз

(i) Виживання

Ми використовували змішані моделі пропорційної небезпеки Кокса (функція коксме, пакет R коксме [15]) для тестування впливу еволюційної дієти та пробної дієти на схеми виживання із випадковим ефектом, що моделює варіацію між флаконами того самого лікування, вкладеними в популяцію клітка походження. Для вибору моделі ми виконали зворотне усунення незначущих фіксованих ефектів (на рівні значущості 0,05), використовуючи тести коефіцієнта логарифмічної вірогідності, з подвоєною різницею в log-ймовірностях моделей, прийнятих за розподіл хі-квадрат. Для подальшого аналізу значущого терміну взаємодії між еволюційною дієтою та пробною дієтою для виживання чоловіків ми продовжили окремий аналіз підгруп даних (з рівнем значущості 0,017 після корекції Бонферроні для багаторазового тестування). Для всіх отриманих результатів дієта розглядалася як категорична змінна. Зведена статистика тривалості життя та обсяги вибірки наведені в електронному додатковому матеріалі, таблиця S2.

(ii) Відтворна здатність

Ми розрахували загальну репродуктивну здатність чоловіків на флакон як суму відношень кількості потомства дикого типу до загальної кількості потомства (сума кількості потомства чорного дерева та дикого типу), при цьому значення 1 вказує на найвищі показники репродуктивності експериментальних чоловіків і 0 найменший, і, відповідно, значення 3, що представляє найвище значення загальної репродуктивної продуктивності (підсумоване за трьома зразками, виміряне у віці 7, 28 та 56 днів дорослого життя). Це являє собою найбільш інклюзивний показник репродуктивної ефективності для даної популяції флаконів. Вплив еволюційної дієти, пробної дієти та взаємодії між еволюційною дієтою та пробною дієтою на репродуктивну придатність випробовували на лінійно-змішаних моделях, із змінною «кліткою», встановленою як випадковий перехват (з використанням функції lmer у пакеті R lme4 [16]) . Ми використовували пакет R lmertest для розрахунку р-значень для моделей lmer із ступенями свободи на основі наближення Саттервейта [17]. Вибір моделі проводився з тим самим обґрунтуванням, що і для аналізу виживання. Для подальшого (post hoc) аналізу значущого ефекту еволюційної дієти ми використали функцію difflsmeans в упаковці lmerTest (див. Електронний додатковий матеріал, таблиця S3).

3. Результати

(a – c) Жодної різниці у виживанні плодових мух у чоловіків між популяціями еволюційного раціону. Кожна панель показує криві виживання Каплана – Мейєра для аналітичних груп дієтичного лікування. Окремі криві зображують виживання еволюційних популяцій дієт, випробуваних на різних аналітичних дієтах.

Репродуктивність у чоловіків є найвищою у мух, перенесених на ДР, порівняно зі стандартними та високоеволюційними популяціями дієт. Стовпчасті графіки показують середні значення 95% ДІ для кожної популяції еволюційних дієт, перевірених на різних аналітичних дієтах.

4. Обговорення

Вплив дієти (і особливо того, як ДР) впливає на тривалість життя, розмноження та інші фізичні якості, було зосереджено в деяких теоретичних [18,19] та великій кількості емпіричних досліджень (оглянуто в [4,20]). Перерозподіл ресурсів від відтворення до соматичного обслуговування та ремонту є основним механізмом, який зазвичай використовується для пояснення подовженого терміну життя та зменшення розмноження згідно з DR [21]. Якщо індукований АР негативний взаємозв'язок між відтворенням та виживанням базується на перерозподілі ресурсів, і якщо він є адаптивним як спосіб подолання коротких періодів зниженої доступності ресурсів, хронічний АД повинен вибрати для збільшення відтворення з супутнім зменшенням виживання, порівняно з рівнями, що спостерігаються при короткочасній АД. Наші результати не підтримують цей сценарій. Хоча репродуктивні показники чоловіків були вищими в популяціях еволюції ДР, як і передбачалося, еволюційна дієта не впливала на показники виживання.

Хоча це дослідження є першим, хто опосередковано перевіряє гіпотезу про перерозподіл ефектів DR за допомогою експериментальної еволюції, емпіричні докази щодо обов’язкової жорсткої негативної кореляції між розмноженням та виживанням, засновані на перерозподілі ресурсів, надійшли з ряду досліджень за останні роки. У самок D. melanogaster, Mair та співавт. [22] показали, що яєчники і, отже, здатність виробляти яйцеклітини не були необхідними, щоб викликати продовження тривалості життя при DR. Грандісон та ін. [23] показали, що плодючість у самок мух при ДР може бути збільшена до рівнів, що спостерігаються за стандартних умов повноцінного харчування, додавши одну певну амінокислоту (метіонін) до раціону ДР. У той час як плодючість підвищувалася при дієті, що доповнює метіонін, але все ще спостерігався типовий ефект DR від продовження тривалості життя. У нериідної мухи Telostylinus angusticollis [24] дієта ДР дорослого віку у чоловіків не знижувала плодючості або життєздатності яєць до дорослих яєць, відкладених самками, спареними з самцями ДР. Якби ефекти DR були засновані на обов’язковому компромісі між репродукцією чоловіків та виживанням шляхом перерозподілу ресурсів від репродукції до виживання, чоловіки прогнозували б демонструвати знижений репродуктивний потенціал, чого не було.

В цілому, еволюція за умови стійкого розвитку ДР не призвела до сильних наслідків для моделей виживання чоловіків, але, якщо що, чоловіки, що еволюціонували на дієті з СР, мали вищу, а не нижчу виживаність у порівнянні з чоловіками, що розвивалися на більш високих дієтах. Важливо, що ця відсутність реакції спостерігалась, незважаючи на велику адитивну генетичну варіацію тривалості життя, що відокремлюється у базовій популяції [36]. Конкурентне розмноження, навпаки, було найвищим у чоловіків з ліній DR. Відсутність еволюційного зменшення тривалості життя у чоловіків із популяцій, що еволюціонують під ДР, в умовах збільшення репродуктивних показників не дає прямої підтримки теорії перерозподілу ДР. Однак наші результати дійсно свідчать про те, що стійкий ДР збільшує силу відбору, що веде до еволюції підвищеної фізичної форми чоловіків у широкому діапазоні дієтичних умов. Таким чином, можливо, що еволюція в умовах стійкого ДР відібрана для пристосованих чоловіків, які виділяють відносно більше ресурсів для розмноження, як передбачається теорією перерозподілу ресурсів. Чи досліджується, що ця перевага чоловічої придатності в популяціях, що розвинулися при тривалому ДР, компенсується недоліками у жінок, в нашій лабораторії.