Frontiers in Zoology, 2006; 3: 5-5 (más artículos en esta revista)

El análisis genético de los reproductores masculinos de éxito en relación con la densidad en el pez cebra, Danio rerio

BioMed Central
Rowena Spence (rs153@le.ac.uk) [1], William C Jordania (bill.jordan @ ioz.ac.uk) [2], Carl Smith (cs152@le.ac.uk) [1]
[1] Departamento de Biología, Universidad de Leicester, Universidad Road, Leicester, UK
[2] Instituto de Zoología de la Sociedad Zoológica de Londres, Regent's Park, Londres, Reino Unido

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Resumen
Fondo

Se utilizó el comportamiento y los datos genéticos para investigar los efectos de la densidad en el éxito reproductivo masculino en el pez cebra, Danio rerio. Con base en mediciones anteriores de agresión y comportamiento de cortejo de los machos territoriales, predijo que toro más hijos que los no-territorial hombres.

Resultados

Análisis de microsatélites de la paternidad puso de manifiesto que a bajas densidades territorial varones tuvieron mayor éxito reproductivo que los no-territorial hombres. Sin embargo, a alta densidad territorial hombres no fueron más éxito que no Territorials sexo y la diferencia en la posibilidad de que la selección sexual, sobre la base del parámetro me mates, fue baja.

Conclusión

Hombre pez cebra exposición de apareamiento dos tácticas; territorialidad y la búsqueda activa de las mujeres. Hombre éxito reproductivo es dependiente de la densidad y la oportunidad para que la selección sexual parece ser la debilidad de esta especie.

Fondo

El advenimiento de parentesco genético análisis ha tenido un impacto sustancial en nuestra comprensión de los sistemas de apareamiento animal. Muchas especies socialmente monógamas han demostrado ser polígamo genéticamente [1], mientras territorial o harén de la celebración de los hombres con frecuencia se han demostrado ser cuckolded [2]. Por otra parte, debido a la operación de esperma competencia [3] y elección críptica femenina [4], apareamiento éxito no es equivalente al éxito reproductivo. Actualmente se reconoce que los análisis genéticos son cruciales para medir el parentesco, y, por ende, en la comprensión de la evolución del sistema de apareamiento y la fuerza de selección sexual [5 - 7].

La fuerza de la selección sexual depende de la diferencia sexual en el grado de variación en el éxito reproductivo para cada sexo; cuanto mayor sea la diferencia entre los sexos, más oportunidad hay para la selección de operar [8]. En la mayoría de las especies la variación en el éxito de apareamiento masculino, tal como se define el número de mate y número de hijos, es superior al de mujeres apareamiento éxito, tal como se define por el tamaño del embrague y el número de nidadas. Mientras que las mujeres tienden a producir números similares de hijos, variación en el número de hijos engendrados entre los hombres puede ser alto, con éxito monopolizando los hombres las mujeres y algunos hombres que no se reproduzcan. La diferencia sexual en la oportunidad para que la selección sexual puede ser cuantificada mediante el parámetro I compañeros [8] y la diferencia de hombres y mujeres diferencia en el éxito reproductivo en función del cuadrado significa éxito reproductivo para cada sexo:

I = I compañeros varones - las mujeres

dónde

y

si V = diferencia en el éxito reproductivo y X 2 = cuadrado significa éxito reproductivo.

Cuanto mayor sea el valor de I compañeros, mayor será la oportunidad para que la selección sexual, que es típicamente se refleja en el grado de dimorfismo sexual. Sin embargo, a diferencia de sexo masculino éxito puede ser erosionado a través de alternativas tácticas masculinas de apareamiento, los espermatozoides y la competencia femenina críptica mate elección [9, 10].

La intensidad de la competencia por los mates se ve influida tanto por el número de competidores y la distribución temporal y espacial de contenidos culturales, [11, 8]. Cuando las hembras sexualmente receptiva se agrupan espacialmente, es más fácil para un solo macho dominante para monopolizar emparejamientos para la exclusión de otros hombres. Además, en caso de contenidos culturales, se distribuyen uniformemente a través del tiempo, en lugar de agruparse, un pequeño número de hombres pueden ser capaces de monopolizar emparejamientos. Diferencia en éxito reproductivo masculino también se correlaciona negativamente con la densidad de sexo masculino. Como la densidad de machos aumenta, las tasas de aumento cuckoldry y la aptitud de pago de la territorialidad en relación con el apareamiento alternativas tácticas descensos [2, 12, 13]. En este estudio hemos utilizado de comportamiento y análisis molecular para investigar los efectos de la densidad de sexo masculino en el apareamiento éxito en el pez cebra, Danio rerio.

El pez cebra es un pequeño (30-40 mm de longitud del cuerpo) ciprinícolas peces tropicales, a los nativos de las llanuras aluviales del Norte oriental India y Bangladesh [14]. Se trata de una abundancia de peces en esta región, que habitan en zanjas y estanques, donde se produce en los pequeños bancos de entre 2-30 individuos (R. Spence, observación personal). Hombres y mujeres son similares en tamaño y coloración. En condiciones de laboratorio pez cebra se reproducen todo el año; hembras desovan cada 2-3 días, con todos los óvulos maduros en libertad durante un solo desove combate [15]. Desove está influenciada por el fotoperiodo; apareamiento actividad comienza a los pocos minutos de exposición a la luz tras la oscuridad y continúa durante aproximadamente una hora [16]. Mujeres pez cebra dará a conocer los huevos directamente en un sustrato desnudo, pero siempre y cuando con un sitio de desove artificial, como una caja de plástico llena de grava o mármoles, preferentemente se utilizan para la oviposición. Algunos varones pez cebra son territoriales durante el apareamiento y un solo varón se agresivamente intento de controlar el acceso de rivales a un sitio de desove [17]. Cortejo en el pez cebra implica la natación masculina rápidamente en asociación con las mujeres, a menudo tocando sus flancos con su hocico, en círculos bien delante de ella al intentar llevar a un sitio de desove. Una vez más el sitio de desove, el macho nada al lado de la hembra, en estrecho contacto, pero ligeramente detrás de ella, a veces su cuerpo oscilante de alta frecuencia y baja amplitud. Ambos territoriales y no territoriales, los hombres muestran el mismo comportamiento de cortejo, pero mientras que los no-territorial hombres perseguir mujeres por todo el acuario, los machos territoriales limitar sus actividades a dentro de unos órgano longitudes de los sitios de desove y persecución de otros hombres fuera cuando tratan de enfoque .

En un estudio previo de densidad y manipulada por sexo y medido agresivo y el comportamiento de cortejo de los machos territoriales en relación con cada tratamiento [17]. Nos mostró que las tasas de aumento de la agresión como una función de densidad, aunque no cortejo [17]. En este sentido, investigar los efectos de la densidad de machos territoriales éxito reproductivo. Estamos territorial predijo que los hombres tendrían éxito reproductivo menor a mayor densidad, debido a una mayor competencia de rivales varones. Además, en las de alta densidad tratamiento, que mide la diferencia de sexo en la oportunidad para que la selección sexual. Por pez cebra, que muestran poco dimorfismo sexual, que prevé una baja estimación de I compañeros.

Resultados

En cada uno de reproducir, una sola masculino estableció un territorio en todo el sitio de desove artificial y se mantuvo en su poder a lo largo de los 4 días del experimento. En la baja densidad territorial de tratamiento los hombres sired una media ± desviación estándar de 56,3 ± 7,58% de las crías, una proporción significativamente mayor que los no-territorial a los hombres el 43,8% ± 7,58 (prueba "t" pareada: t 5 = 3,05, P = 0,028 , D = 1,76) (Figura 1]. En la alta densidad de los tratamientos no hubo ningún efecto de cualquiera de territorialidad (ANOVA: F 1,20 = 6,39, P = 0,304) o prejuicios sexistas (ANOVA: F 1,20 = 12,3, P = 0,159) en el número de crías sired por hombres, ni hubo una interacción (ANOVA: F 1,20 = 5,21, P = 0,352). En la alta densidad de los hombres sesgado tratamiento territorial hombres sired una media ± desviación estándar de 17,1 ± 12,91% de la descendencia, frente a 83,0 ± 12,91% de no-territorial hombres, una media de 9,21% ± 9,79 crías por no machos territoriales . En la alta densidad de las mujeres-el tratamiento sesgado machos territoriales sired una media ± desviación estándar de 16,9 ± 11,02% de la descendencia, frente a 83,3 ± 10,72% de no-territorial hombres, una media de 20,8 ± 14,82% por no machos territoriales . A continuación, ambos combinados de alta densidad de los tratamientos, con lo que duplica el tamaño de la muestra; todavía no hay diferencia significativa en el éxito reproductivo entre territorial y no territorial hombres; territorial hombres sired una media ± desviación estándar de 17 ± 11,4% de la descendencia, en comparación con 83% ± 11,4 de no-territorial hombres, una media de 15 ± 6,39% por no territorial masculino (prueba "t" pareada: t 10 = 0,48, P = 0,639, d = 0,223) (Figura 1].

En la alta densidad de machos sesgado tratamiento la mayoría de los peces experimentales de cada sexo están representados en el análisis de parentesco. En total, 87% de los hombres sired al menos una de las 30 crías genotipo (rango 0-12, fig. 2]. Las hembras producen una media ± desviación estándar de 14,8 ± 3,57% de las crías cada una y el 89% de las mujeres en cada replicar producido al menos uno de los 30 genotipo descendencia. La estimación de oportunidad para que la selección sexual es baja; I varones = 0,83 ± 0,22 y hembras = 0,80 ± 0,25, lo que arroja una estimación de 0,03 para I compañeros. En el tratamiento de baja densidad, donde sólo había una mujer, mujeres = 0, por lo que los hombres me mates = = 0,07 ± 0,01.

Discusión

A pesar de la riqueza genética de los estudios realizados en pez cebra, esta es la primera vez que un análisis de filiación genética se ha aplicado a la comprensión de su sistema de apareamiento. Este estudio también sirve como un ejemplo de cómo los análisis genéticos puede proporcionar ideas que no son evidentes a partir de estudios de comportamiento en solitario. Nos mostró que a una baja densidad territorial hombres sired significativamente más hijos que los no-territorial machos (Fig. 1]. Si bien este resultado es consistente con nuestra observación anterior de que a bajas densidades de machos territoriales monopolizar lugares de desove [17], no territoriales, los hombres siguen siendo capaces de lograr un relativamente alto éxito reproductivo. La tasa global de asignación de paternidad fue alta (92%) y si bien es posible que la paternidad de los restantes sin asignar el 8% podría erosionar la importancia de este resultado, es poco probable que el patrón de la paternidad se diferencian considerablemente de la observada en el mayoría que fueron asignados, habida cuenta de que la falta de asignación de la descendencia es probable que sea al azar a través de toros posibles.

A mayores densidades No se detectaron diferencias significativas en el éxito reproductivo de territorial y no territorial en cualquiera de los dos hombres por sexo tratamiento. También analizó la combinación de ambos datos de alta densidad de los tratamientos, con lo que duplica el número de repeticiones, que aumentaron la potencia estadística de la prueba y también dado un no-resultado significativo. A pesar de que había esperado agresiva territorialidad para conferir alguna ventaja en fitness, mayores densidades, que había pronosticado que la ventaja se correlacionó negativamente con la densidad. A medida que la ventaja de fitness en bajas densidades no es grande no debe sorprender que sea debe ser erosionado a densidades mayores. Sin embargo, este resultado plantea la cuestión de cómo el comportamiento territorial se mantiene en la población. Ambos niveles de densidad se utiliza en este caso dentro del rango de densidades de pez cebra en el que se producen en la naturaleza y la defensa territorial también se produce en condiciones naturales (R. Spence & C. Smith, datos no publicados). Dado que la territorialidad sólo se produce durante el breve periodo de desove diario, la posible idoneidad gastos relacionados con el gasto energético en la territorialidad no podrá ser superior que para el cortejo. En consecuencia, mientras que la defensa territorial confiere una ventaja a la aptitud de baja densidad, puede que no siempre que lo hagan en altas densidades, aunque la aptitud reproductiva de los machos territoriales puede ser al menos igual a la de la no-territorial hombres. Además, la adopción de una u otra táctica, de defensa territorial o búsqueda activa de las mujeres, puede ser la frecuencia depende, en cuyo caso se prevé que confieren igualdad de aptitud pagos.

Alternativa táctica de apareamiento son comunes en los peces, debido en parte a la prevalencia de la fecundación externa, lo que hace que sea difícil excluir a los rivales [18]. En los estudios genéticos de varios nidos de especies tienden, con el cuidado paterno Dewoody & Avise [2] encontró que entre el 5-30% de los embriones en los nidos no se sired por el propietario del nido. En algunas especies, como el salmón atlántico, Salmo salar, y bluegill sunfish, Lepomis macrochirus, territorial y sneaker hombres son morfológicamente diferentes [19]. En otras especies, como el Espinocho Gasterosteus aculeatus [20] y la Unión Europea bitterling, Rhodeus sericeus [13, 21] la adopción de uno u otro papel es flexible y depende probablemente de frecuencias. Aunque cada machos territoriales en este estudio mantuvieron su papel territorial a lo largo de 4 días de experimentación, machos territoriales pez cebra no son morfológicamente diferentes. Por otra parte, sobre la base de laboratorio y observaciones de campo, la frecuencia de comportamiento territorial se ve influida por la disponibilidad de alta calidad lugares de desove, un factor que no fue manipulada en el estudio actual (R. Spence & C. Smith, datos no publicados).

Cabe señalar que las tasas de fertilización en pez cebra no siempre puede alcanzar el 100%, aunque esto no fue registrada en el estudio actual. Por lo tanto, nuestros resultados reflejan el éxito reproductivo de los hombres según lo determinado por la supervivencia diferencial de embriones para incubar (tres días post-fertilización), en lugar de fertilización éxito. Nuestro análisis genético demostró también que la mayoría de las mujeres en cada replicar producido descendencia. Anteriormente mostró que las mujeres producen un menor número de huevos per cápita en altas densidades [17], sino en la ausencia de análisis de paternidad no está claro si esto se debía a que cada hembra produce un menor número de huevos, o si algunas mujeres fueron excluidas de desove. Este análisis sugiere que las hembras desovan más pequeñas garras a densidades mayores.

Nuestra estimación de los compañeros me indica que existe una baja posibilidad de selección sexual en el pez cebra; no hubo diferencias significativas en la variación de éxito reproductivo entre hombres y mujeres. Debido a que nuestra estimación se basa en datos de filiación genética, se tiene en cuenta tanto las diferencias de comportamiento (tales como la territorialidad) y post-apareamiento formas de selección sexual (la competencia espermática y elección críptica femenina) que puede afectar a diferencia en el éxito reproductivo. Este resultado es coherente con la falta de un marcado dimorfismo sexual en esta especie. Diferencia de sexo masculino en el apareamiento éxito depende del temporal y espacial de agrupaciones de mujeres, la oportunidad para que la selección se prevé para ser más alto cuando las mujeres muestran receptivos baja temporal, pero la agrupación espacial de alta [8]. A pesar de pez cebra desovar casi a diario en condiciones de laboratorio, el desove se limita a una aproximadamente 1 hora cada día, es decir, emparejamientos son muy agrupadas temporalmente. En la naturaleza, el desove es más estacional, sino que se limita en gran medida de manera similar a un breve período al amanecer (Spence R & C Smith, observación personal). Agrupación espacial de las mujeres puede ocurrir cuando los sitios de oviposición están limitando. Sin embargo, aunque ambos mujeres y hombres discriminar entre los lugares de desove (Spence & Smith, datos no publicados) que utilizan una amplia gama de lugares de oviposición. En consecuencia, en condiciones naturales los machos no siempre puede ser capaz de monopolizar las mujeres, ya sea receptivo o sitios de reproducción, con el resultado de que la oportunidad para que la selección sexual es débil.

Conclusión

Los resultados de este estudio sugieren que el pez cebra tienen un sistema de apareamiento promiscuo con escasa oportunidad para que la selección sexual. Filiación análisis indica que la territorialidad confiere un beneficio en aptitud de baja densidad, pero en mayores densidades tiene una recompensa equivalente a la aptitud no territorial comportamiento.

Métodos
Experimento

Se realizó un experimento de comportamiento en febrero de 2004, utilizando 216 pez cebra obtenido de un proveedor comercial. El diseño experimental y los resultados de análisis de comportamiento se presentan en [17], aunque los resultados no se repiten aquí. El original diseño experimental compuesto por dos factores: densidad y por sexo. Sin embargo, sólo la densidad efectos fueron investigados en este estudio. La baja densidad tratamiento constaba de tres peces, una mujer y dos hombres (seis repeticiones) y el de alta densidad de quince tratamiento de pescado, ya sea diez machos y cinco hembras y cinco machos y diez hembras (seis repeticiones de cada uno).

Peces fueron alojados en un medio ambiente controlado con una sala de 14:10 h horas luz: oscuridad ciclo. Los experimentos se realizaron en 60 l acuarios de vidrio (60 × 35 cm y 40 cm de alto) con agua del grifo descansado en 26,5 - 28,5 ° C. La calidad del agua en acuarios se mantiene uso de filtros y acuarios de agua fue aireado con un aire de piedra. Los varones y las mujeres fueron asignadas aleatoriamente a tratamientos experimentales, las hembras se distinguen por la presencia de una papila genital. Colocamos opaco divisores entre acuarios visual para evitar interacciones entre los vecinos de pescado. Los peces fueron alimentados tres veces al día con una mezcla de congelados bloodworm comerciales y alevines de salmón "pellets". Una sola caja de plástico (150 × 100 mm y 40 mm de profundidad), lleno con 150 pequeñas bolitas de vidrio, fue colocado en la parte delantera esquina derecha de cada acuario experimental como un sitio de desove. Pez cebra de fácil uso cajas de mármoles para la oviposición, los huevos quedan entre los mármoles, que impiden el canibalismo de huevos.

Cada replica duró cuatro días. Hemos observado acuario cada día durante el periodo de desove para determinar si existe un único macho dominante defiende el sitio de desove, y si el mismo macho territorial se mantuvo durante todo el proceso. Individual territorial hombres fueron identificados a partir de características únicas de su color patrón. Un subconjunto de las repeticiones fue grabado en vídeo de 5 minutos cada mañana y la frecuencia de agresivo cortejo y los comportamientos de los machos territoriales se anotó de secuencias de vídeo. Lugares de desove fueron retirados diariamente a partir del final del periodo de desove y todos los huevos depositados en ellos fueron cuidadosamente removidos, contados y se incuban hasta su eclosión, después de lo cual los embriones fueron preservados en etanol al 95%. Lugares de desove se sustituyeron 3-4 h después de la eliminación.

En el quinto día tras el inicio del experimento, todos los peces experimentales se han retirado de acuarios y mató con una sobredosis de anestesia. El pescado se midieron con una aproximación de 0,1 mm, disecados para confirmar el sexo y el fin clips tomado para el análisis de parentesco.

Filiación análisis

Estamos genotipo todos los adultos y un subconjunto de 31-32 crías de cada replicar. La media (± SD) diaria de huevos por replicar fue de 52 ± 8,84 en las de baja densidad de tratamiento y 270 ± 28,5 en los tratamientos de alta densidad. Un total de 198 adultos y 560 crías fueron genotipo. Crías de un solo día de desove fueron seleccionados al azar de cada uno de replicar. Se extrajo el ADN de muestras de aleta o embriones, con el saco de yema de huevo eliminado, utilizando Promega Wizard SV 96 Genomic DNA sistema de purificación.

Los individuos fueron seleccionados a través de siete loci microsatélite (Z10914, Z1213, Z1233, Z1496, Z6454, Z669 y Z851) pertenecientes a seis diferentes grupos de vinculación, con una media de 7 alelos por locus. Primer secuencias fueron tomadas del pez cebra el mapa genético sitio web [22 - 24]. DNA fue amplificado en un 6 μ l de reacción que contiene el volumen 1 μ l de ADN genómico; 2 pmol tinte que llevan la etiqueta con interés cartilla, 2 pmol invertir primer y 4 μ l Qiagen Multiplex PCR Master Mix. PCR ciclismo consistía en un inicial de 12 min de desnaturalización a 95 ° C, 30 ciclos de 30 s a 94 ° C, 2 min a 58 º C y 1 min a 72 ° C y una extensión final a 60 ° C durante 30 s. 1 μ l producto de PCR fue mezclado con 10 μ l dionized formamida y 15 μ l LIZ 500 en tamaño estándar y se ejecutan en un secuenciador automatizado, Applied Biosystems 3100 Genetic Analyzer. La longitud de los fragmentos se determinó usando Genemapper 3,5 software. Todos los adultos eran genotipo 3 veces con el fin de controlar los efectos de alelos null alélica y de abandono [25]. La tasa de error (la proporción de las diferencias observadas alélica total alélica a las comparaciones entre repetidas ampliaciones) se estimó en 3,4%.

Filiación fue asignada usando software Cervus 2,0 [26]. Observado heterozygosities oscilaron entre 0,20 a 0,71. En la baja densidad de tratamiento, donde la madre era conocida genotipo, la paternidad se asignó con una confianza del 95% en el 92% de la descendencia de muestreo, (rango 78% -100% entre repeticiones). En la alta densidad de tratamientos donde la maternidad no se conocía, Cervus se utilizó en una forma gradual, primero la determinación de la filiación para el sexo con el menor número de candidatos padres en un determinado replicar (es decir, las mujeres en los hombres el tratamiento sesgado y los hombres en la mujeres sesgado tratamiento) y la utilización de estos datos, cuando se le asignó la filiación con una confianza del 95% para determinar la filiación de otro sexo [26]. Paternidad se asignó con una confianza del 95% a 244 de 380 crías con genotipo y de confianza del 80% a un 107, (rango 60% -100% entre repeticiones). La maternidad se asignó con una confianza del 95% a 205 de la descendencia y el 80% de confianza a un nuevo, 137, (rango 78% -100% entre repeticiones). La potencia combinada de exclusión para la alta densidad de los tratamientos fue de este modo el 83%.

El análisis de los datos

Hemos probado todos los datos de la normalidad mediante una prueba de Kolmogorov-Smirnov y por la igualdad de varianza utilizando el test de Bartlett. El éxito reproductivo de los varones se calcula como un porcentaje de la descendencia dentro de un sired replicar, la paternidad se asignó a cada individuo de sexo masculino, tanto territorial y no territorial. Sólo los datos de paternidad donde se podrían asignar al menos el 80% de confianza fueron utilizados en el análisis. A dos factor ANOVA se utilizó para la prueba de los efectos de la territorialidad y el sesgo en el sexo masculino éxito reproductivo en los tratamientos de alta densidad. Se utilizó "t" pareada pruebas para comprobar si una diferencia en el éxito reproductivo entre territorial y no territorial hombres (valor medio por cada hombre) dentro de cada nivel de densidad. A raíz de la recomendación de Nakagawa [27], las correcciones de Bonferroni no se aplicaron y en lugar de una medida de tamaño del efecto (Cohen's d) fue estimada. Este índice mide la magnitud de un efecto del tratamiento normalizado como la diferencia entre dos medios por los que comparan el solapamiento en la distribución entre los dos conjuntos de datos con independencia de tamaño de la muestra. Un tamaño del efecto de 0,8 se define como grandes [28].

Autores de las contribuciones

RS y CS ha diseñado el estudio, RS llevó a cabo el experimento y análisis de parentesco, analizaron los datos y escribió el documento, WCJ supervisó el trabajo genético.

Agradecimientos

Damos las gracias a Dada Gottelli y Kate Ciborowski por su ayuda y asesoramiento en el laboratorio, y Terry Burke, Eamonn Mallon, Martin Reichard, Penny Watt y tres árbitros anónimos por los comentarios sobre el manuscrito.