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Publicação
Dissecting male fitness in houseflies: how are different male fitness components correlated with each other?
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Orientador(es)
Resumo(s)
A existência de dois sexos diferentes é algo tão inerente à biologia do nosso planeta como um assunto envolto de mistério. As origens desta dualidade sempre foram e mantém-se até aos dias de hoje, motivo de debate em biologia evolutiva. Dois sexos, sendo da mesma espécie, partilham a maior parte do seu genoma (todo o genoma autossómico que não pertence aos cromossomas sexuais) e também um variado leque de características fenotípicas. Esta partilha de características faz com que haja diferentes picos de fitness em cada um dos sexos uma vez que estes obviamente possuem funções reprodutoras diferentes. Diferentes picos de fitness implicam forças de selecção antagonistas que actuam sobre determinados alelos em sentidos divergentes conforme o sexo – os alelos sexualmente antagonistas (SA). As implicações evolutivas destes alelos são interessantes já que os mesmos alelos poderão ter um efeito benéfico para um sexo e prejudicial para o outro. Os alelos SA estão tendencialmente relacionados com as vias moleculares de determinação sexual. Casos em que ocorra linkage com genes destas vias são caracterizados por diferenças na frequência alélica entre sexos, visto que por estarem num cromossoma sexual específico serão transmitidos há geração seguinte directamente pelo sexo beneficiado o que pode levar à fixação de um alelo eventualmente negativo para o outro sexo. Os mecanismos de determinação sexual podem ser definidos como vias de desenvolvimento que desencadeiam expressão diferencial de genes entre sexos. São responsáveis pelo desenvolvimento de várias características o que leva, em vários casos, há diferenciação fenotípica. Estas vias evoluem extremamente rápido, algo não expectável para um processo molecular tão basilar no desenvolvimento de cada indivíduo. Ao mesmo tempo verifica-se a existência conservada das mesmas componentes downstream destas vias, em espécies filogeneticamente distantes. Estas idiossincrasias aguardam uma explicação mais profunda e perante este cenário, a Musca domestica destaca-se como o organismo modelo indicado para explorar estas questões: Possui um sistema de determinação sexual bastante variável com factores polimórficos que variam geograficamente; Trata-se de uma espécie bastante próxima da Drosophila melanogaster, tendo portanto a vantagem de permitir análises de comparação tanto com este modelo clássico em biologia como com outras espécies de Drosophila; Não só teve o seu genoma completamente sequenciado recentemente, como os últimos anos trouxeram um enorme progresso na compreensão dos processos de regulação molecular das vias de determinação sexual. A evolução dos sexos está intimamente ligada com características definidoras do fitness de um indivíduo. Um indivíduo com melhor fitness irá por definição ter mais sucesso na transmissão dos seus genes à próxima geração. E, sendo que os alelos SA podem aumentar a fitness num sexo enquanto diminuem no outro é de esperar que tenham um impacto significativo na evolução da reprodução sexuada. Para aprofundar o conhecimento em relação a estes processos torna-se então necessário: Identificar genes SA; Conseguir medir fitness individual e associá-lo à expressão de genes SA específicos; Perceber como varia a expressão destes genes entre os sexos. O segundo ponto tem-se revelado mais complicado do que parece. Monitorizar a fecundidade e sobrevivência de um indivíduo ao longo de toda a sua vida acaba por ser impraticável. Uma medida fiável de fitness individual deverá então ser dependente do contexto, descrever o melhor possível a história de vida do indivíduo e contemplar vários componentes de fitness que estão naturalmente correlacionados entre si. Para tal, são necessários protocolos que permitam uma análise transversal de vários componentes de fitness. Sempre considerando o contexto da espécie, a história evolutiva das populações e as condições ambientais da experiência. Neste projecto, o foco foi conceber um design experimental que nos permitisse correlacionar diferentes componentes de fitness masculina em Musca domestica. O principal objectivo é estabelecer proxies sólidos de fitness e perceber como eles interagem entre si. Desta forma será possível abrir caminho para uma futura associação com genes reguladores do fitness e uma análise sobre a variação da sua expressão de acordo com o sexo (alelos SA). O design com que trabalhámos permitiu a medição de 4 componentes de fitness – 3 características fenotípicas: sucesso reprodutivo (RS), largura da cabeça (usado como proxy para dimensão corporal – HW) e longevidade (L) (as abreviaturas são derivadas da língua inglesa); e a habilidade competitiva, contemplada através da comparação de cenários competitivos com não competitivos. Todas estas componentes foram descritas por estudos anteriores em dípteros, estando tanto correlacionadas entre si como directamente com fitness individual per se. As estirpes usadas foram a SSM (uma estirpe resultante da mistura de 5 populações colectadas em diferentes localizações de Espanha) e a MIII (uma estirpe assumidamente isogénica com uma mutação recessiva que faz com que as fêmeas possuam corpos castanhos e ambos os sexos tenham olhos brancos). Foram incluídos 5 tratamentos distintos de maneira a criar cenários de competição inter e intraespecíficos e respectivos controlos sem competição: 3 tratamentos competitivos com três moscas – dois com 2 machos da mesma estirpe e um com um macho de cada 2 tratamentos compostos por casais – um em que se emparelhou as fêmeas com machos SSM, e o outro com machos MIII. Foram utilizadas fêmeas MIII em todos os tratamentos de maneira ser possível distinguir a estirpe da descendência no tratamento de competição interespecífico. Por possuírem o alelo recessivo que torna os olhos brancos torna-se possível atribuir a estirpe parental logo após a emergência através da cor dos olhos: fenótipo wild type para um pai SSM e olhos brancos para um pai MIII. Para além deste ensaio foi também efectuada uma experiência em paralelo que permitiu ao mesmo macho acasalar com 4 fêmeas diferentes ao longo de 4 dias sucessivos. Neste segundo ensaio apenas foram utilizadas moscas SSM e foram de novo medidas as 3 componentes fenotípicas já mencionadas. O objectivo foi observar como varia a fitness do macho ao longo do tempo e quando exposto a várias parceiras. A amostra recolhida foi, infelizmente, reduzida devido a constrições temporais que também não permitiram replicar os dados obtidos. Por estes motivos verificou-se repetidamente uma falta de significância dos dados ao longo da análise efectuada. Resultados dignos de nota:
- Não existem diferenças significativas entre as duas estirpes o que confirma que ambas poderão ser de novo utilizadas neste tipo de estudos comparativos;
- Não se verificaram também diferenças entre os dois cenários de competição. Um resultado inesperado, mas que se pode dever à reduzida amostra e/ou a um eventual efeito do relaxamento das pressões selectivas experienciado em condições laboratoriais. Menos pressões leva a uma diminuição do impacto de características competitivas individuais;
- Verificou-se uma grande quantidade de casos onde o sucesso reprodutivo foi nulo. O que pode indiciar forte importância do contexto social nos comportamentos reprodutores em Musca. O clássico método de emparelhamento neste tipo de experiências diverge obviamente das circunstâncias de grupo em que existem várias interacções entre diferentes machos e fêmeas – o que pode afectar as taxas de sucesso reprodutor;
- No ensaio com múltiplas fêmeas, verificou-se uma flutuação curiosa relativa ao RS dos machos. Os valores de RS foram significativamente mais altos ao segundo e ao quarto dias. Isto indicia um potencial tempo de recuperação pós-acasalamento da parte dos machos em que, seja por retracção ou por diminuição temporária da capacidade reprodutora, as taxas de reprodução são mais baixas. Este fenómeno já tinha descrito em Drosophila mas é a primeira vez que se verifica em Musca, tanto quanto sabemos.
Considerando tudo, o design experimental criado teve sucesso em cruzar diferentes componentes de fitness relevantes para esta espécie e permitiu aprofundar conhecimentos sobre os mesmos e sobre as correlações entre eles. Forneceu também novas informações sobre a metodologia por detrás das medições de fitness individual. Encontrar uma medida absoluta para fitness individual continua a apresentar-se como uma tarefa impraticável, o que torna este tipo de estudos extremamente relevantes no âmbito de: compreender os factores que influenciam fitness ao nível do indivíduo; obter uma interpretação razoável de fitness individual; e identificar potenciais genes envolvidos na regulação do fitness e que possam ter um efeito sexualmente antagonista. A metodologia aqui apresentada, juntamente com a sugestão de potenciais ajustes – tais como, a adição de gravações de vídeo mais longas que permitam registar por completo os comportamentos de corte e cópula em Musca; ou um aumento das pressões selectivas do primeiro ensaio através da aplicação de vários emparelhamentos com fêmeas diferentes à semelhança do que se fez na experiência paralela – servem como fundações para futuros estudos sobre fitness e antagonismo sexual em Musca.
In order to understand the dynamics of sexual antagonism (SA) and the evolution of sex one should find a way to accurately measure fitness on both males and females. This would allow a comparison analysis of SA traits between sexes and to extend such analysis to the genomic level. So far, the literature has not succeeded in finding a transversal measurement of male fitness, delaying the unveiling of the processes behind SA selection forces. In this study, an experimental design was created to allow for the measurement of three male fitness-related traits across different conditions in Musca domestica. Our experiment incorporated two different strains, two different competition scenarios and the traits measured were Reproductive Success, Longevity and Head Width as a proxy for Body Size. The generated results allowed to analyze how the traits correlate with each other and how they vary across treatments. A positive correlation of Head Width and Longevity was apparent, meaning that bigger flies tend to live longer. No significant differences were found neither between strains nor competition scenarios, which suggests uniformity across lad-adapted strains. Even though the samples were insufficient to draw major conclusions, the design gave us good indications about the methodology and established solid foundations for male fitness measurements and sexual antagonism studies in the housefly.
In order to understand the dynamics of sexual antagonism (SA) and the evolution of sex one should find a way to accurately measure fitness on both males and females. This would allow a comparison analysis of SA traits between sexes and to extend such analysis to the genomic level. So far, the literature has not succeeded in finding a transversal measurement of male fitness, delaying the unveiling of the processes behind SA selection forces. In this study, an experimental design was created to allow for the measurement of three male fitness-related traits across different conditions in Musca domestica. Our experiment incorporated two different strains, two different competition scenarios and the traits measured were Reproductive Success, Longevity and Head Width as a proxy for Body Size. The generated results allowed to analyze how the traits correlate with each other and how they vary across treatments. A positive correlation of Head Width and Longevity was apparent, meaning that bigger flies tend to live longer. No significant differences were found neither between strains nor competition scenarios, which suggests uniformity across lad-adapted strains. Even though the samples were insufficient to draw major conclusions, the design gave us good indications about the methodology and established solid foundations for male fitness measurements and sexual antagonism studies in the housefly.
Descrição
Tese de mestrado, Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019
Palavras-chave
Musca domestica Fitness masculina Correlação Antagonismo sexual Metodologia Teses de mestrado - 2019