The role of male courtship behaviour in prezygotic isolation in Nasonia Peire Morais, Aitana

Transcriptie

1 University of Groningen The role of male courtship behaviour in prezygotic isolation in Nasonia Peire Morais, Aitana IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2007 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Peire Morais, A. (2007). The role of male courtship behaviour in prezygotic isolation in Nasonia: Do wasps finish what bacteria started? s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 11. Samenvatting en conclusies

3

4 Soortvormingsmechanismen spelen een rol bij het ontstaan, versterken of behouden van reproductieve isolatie tussen populaties. In de parasitaire wesp Nasonia vitripennis is reproductieve isolatie waarschijnlijk ontstaan door infectie met verschillende stammen van Wolbachia bacteriën die cytoplasmatische incompatibiliteit veroorzaken (Werren 1997; Bordenstein et al. 2001). Cytoplasmatische incompatibiliteit zal leiden tot de evolutie van prezygotische isolatie als gevolg van de kosten van hybride paringen (Bordenstein and Werren 1998; Telschow et al. 2002, 2005). Deze kosten komen voort uit verspilling van reproductieve investering in kruisingen tussen individuen die geïnfecteerd zijn met incompatibele Wolbachia stammen. De reinforcement theorie voorspelt dat er divergentie in paringsmechanismen zal optreden wanneer er kosten zijn verbonden aan hybride paringen in sympatrische populaties (e.g. Noor 1999). Voor een goed begrip van de evolutionaire krachten die verantwoordelijk zijn voor divergentie van genen met een gemeenschappelijke voorgeschiedenis, is het noodzakelijk om te achterhalen wat de genetische architectuur is van eigenschappen die verschillen tussen nauw verwante soorten. In dit proefschrift richt ik mij op de rol van mannelijk baltsgedrag in het soortvormingsproces van de haplodiploïde parasitaire wesp Nasonia. Ik onderzoek de onderliggende genetica van baltsgedrag en probeer te begrijpen hoe deze door natuurlijke selectie tot stand is gekomen en wat de evolutionaire implicaties er van zijn. 207

5 The role of male courtship behaviour in prezygotic isolation in Nasonia... Genetica van mannelijk baltsgedrag 208 Nasonia vitripennis wordt al meer dan een halve eeuw gebruikt voor ethologische studies (Barrass 1960, van den Assem 1986). Hoewel de twee zustersoorten in de Nasonia groep, N. longicornis en N. giraulti, meer recentelijk zijn ontdekt (Darling en Werren 1990) is het mannelijk baltsgedrag goed onderzocht in alle drie soorten. Het grondpatroon blijkt sterk overeen te komen, maar iedere soort heeft soortspecifieke karakteristieken (van den Assem en Werren 1994). Aan het begin van de balts klimt het Nasonia mannetje op het vrouwtje en start met een serie heftige kopbewegingen, de zogenaamde kopknikken (Figuur 2 in hoofdstuk 1; van den Assem 1986; Beukeboom en van den Assem 2004). Tijdens de eerste kopknik in iedere serie produceert het mannetje een feromoon dat essentieel is om het vrouwtje receptief te maken (van den Assem et al. 1980, van den Assem 1986; van den Assem en Werren 1994). Een cyclus is gedefinieerd als één serie van kopknikken gevolgd door een korte pauze (Figuur 2 in hoofdstuk 1). Andere componenten van het baltsgedrag zijn voetvegen (het mannetje maakt vegende bewegingen met zijn poten over de ogen van het vrouwtje) en minknikken (minder uitgesproken kopbewegingen), maar deze komen niet in alle drie soorten voor. Voorts zijn er een aantal kwantitatieve verschillen in de structuur van de balts tussen de drie soorten, zoals het soortspecifieke aantal kopknikken per serie en het verschil in aantal kopknikken tussen de eerste en de tweede serie in een baltsvlaag (de zogenaamde 2 min 1 ). Tenslotte is het totaal aantal series in een baltsvlaag karakteristiek voor iedere soort (van den Assem en Werren 1994, Beukeboom en van den Assem 2001). Variatie tussen soorten Eerdere studies met hybriden tussen N. longicornis en N. vitripennis hebben aangetoond dat het gedrag van hybride mannetjes meer lijkt op dat van de grootvader (haploïde mannetjes hebben geen

6 11. Samenvatting en conclusies vader) dan verwacht volgens Mendelse overerving, mogelijk als gevolg van genomische inprenting ("het grootvader effect ; Beukeboom en van den Assem 2001, 2002). Pietsch et al. (in voorbereiding) hebben een quantitative trait locus (QTL) analyse uitgevoerd met hybride mannetjes uit de kruising tussen N. longicornis mannetjes en N. vitripennis vrouwtjes. Zij vonden QTL op alle 5 chromosomen van Nasonia voor alle waargenomen gedragscomponenten met uitzondering van 2 min 1. In dit proefschrift heb ik het baltsgedrag van hybride mannetjes in meer detail onderzocht. Ten eerste heb ik het minimum aantal effectieve factoren bepaald dat ten grondslag ligt aan de verschillen in kopknikaantal en cyclusduur tussen de Nasonia soorten (hoofdstuk 2). Ik vond een laag aantal effectieve factoren voor beide eigenschappen. Dit kan wijzen op een oligogene structuur, maar kan ook het gevolg zijn van selectie (bv. Tregenza et al. 2000). Een klein aantal effectieve factoren tussen soorten komt overeen met sterke selectie voor divergentie op een klein aantal loci met groot effect (Orr 2001). Vervolgens heb ik standaard kwantitatieve genetische technieken gebruikt om de overerving van baltsgedrag te analyseren in hybride kruisingen tussen N. longicornis en de andere twee soorten. Hiermee heb ik onderzocht in hoeverre het baltsgedrag wordt bepaald door niet-additieve genetische factoren (hoofdstuk 3). In hybriden tussen N. longicornis en N. vitripennis vond ik het grootvader effect van Beukeboom en van den Assem (2001) in de overerving van kopknikken, maar een grootmoeder effect voor cyclusduur. In hybriden tussen N. longicornis en N. giraulti bleken kopknikken intermediair te zijn tussen de beide grootoudersoorten terwijl de cyclusduren meer leken op N. giraulti. Dit betekent dat ik variatie vond in de mate van niet-additieve effecten. Hoewel ik genomische inprenting niet volledig kon uitsluiten, is epistasie als gevolg van interacties tussen niet-aangepaste hybride genomen, de meest waarschijnlijke verklaring voor de gevonden niet-additieve effecten (bv. Orr en Turelli 2001) (hoofdstuk 6). 209

7 The role of male courtship behaviour in prezygotic isolation in Nasonia Een derde methode die ik heb gebruikt om de genetica van baltsgedrag te analyseren is QTL analyse (hoofdstuk 6). Hiervoor heb ik hybriden tussen N. vitripennis mannetjes en N. longicornis vrouwtjes gebruikt als aanvulling op het werk van Pietsch et al. (in voorbereiding) aan de reciproke hybriden. Het fenotype van de hybride mannetjes leek voor de meeste baltsgedragscomponenten meer op dat van N. longicornis. Dit kwam niet overeen met eerdere studies waarbij deze hybriden juist meer op N. vitripennis leken (Beukeboom en van den Assem 2001, 2002). Ik vond QTL voor alle componenten, inclusief de eigenschap 2 min 1, die tot nu toe niet consequent gekarteerd kon worden door Pietsch et al. (in voorbereiding). De QTL bevonden zich op alle vijf chromosomen en verklaarden 29-95% van de fenotypische variantie. Voorts vond ik QTL en epistatische interacties voor tegengestelde fenotypen (allelen van een soort zijn gekoppeld met fenotypen van de andere soort). De meest waarschijnlijke verklaring hiervoor was dat de genetische architectuur van mannelijk baltsgedrag niet gefixeerd is binnen een soort. Aangezien de fenotypen van de twee soorten niet identiek zijn duidde dit op epistatische interacties die zorgen voor soortspecifieke fenotypische expressie. Complexe epistatische interacties kunnen er voor zorgen dat in een populatie allelen in stand worden gehouden die niet bijdragen aan de eigenschap waarvoor wordt geselecteerd (Merilä en Sheldon 1999; hoofdstuk 5). Het bestaan van complexe interacties kwam ook overeen met de hoge mate van epistasie die werd gevonden in de reciproke kruising (Pietsch et al. in voorbereiding). De hoge mate van epistasie betekende voorts dat het aantal berekende effectieve factoren waarschijnlijk onnauwkeurig was, en in werkelijkheid hoger omdat deze berekening uitging van additiviteit van loci (bv. Jones 2001, Saldamando et al. 2005). Variatie tussen lijnen binnen soorten. In hoofdstuk 2 heb ik de genetische basis van verschillen in mannelijk baltsgedrag geanalyseerd door het aantal effectieve factoren te berekenen. In hoofdstuk 3 heb ik de overerving van

8 11. Samenvatting en conclusies baltsgedrag onderzocht om het aantal onderliggende genen te bepalen alsmede de interacties tussen genen. Het aantal effectieve factoren voor intraspecifieke verschillen was laag, vergelijkbaar met de resultaten van de interspecifieke analyse. Een klein aantal effectieve factoren kan het gevolg zijn van een lage genetische variatie door stabiliserende selectie. Bij N. longicornis bleken de intraspecifieke verschillen door het kleinste aantal effectieve factoren te worden bepaald, wat misschien wijst op sterke selectie tegen genetische variatie in deze soort. N. longicornis komt sympatrisch voor met N. vitripennis, terwijl N. vitripennis ook deels allopatrisch voorkomt waarbij er geen selectie plaatsvindt tegen hybridisatie. In deze context was het interessant dat kopknikaantallen in sympatrische lijnen van N. vitripennis meer afweken van N. longicornis dan die van allopatrische lijnen. Dit was in lijn met de verwachting volgens de reinforcement hypothese dat selectie voor divergentie in baltsgedrag sterker is in sympatrische dan allopatrische populaties. Kruisingen tussen lijnen toonden variatie aan in additieve en niet-additieve effecten afhankelijk van de specifieke kruising en combinatie van genen in het cytoplasma. Daarnaast werd het baltsgedrag waarschijnlijk ook deels bepaald door oncontroleerbare omgevingseffecten, zoals bijvoorbeeld kleine verschillen in ontwikkelingsomstandigheden. Afhankelijk van welke twee lijnen gekruist werden vond ik dat beide reciproke mannelijke F2 generaties ofwel beide op dezelfde grootoudersoort leken, ofwel ieder op de eigen grootvadersoort, ofwel ieder op de eigen grootmoedersoort ofwel zich volgens Mendelse overerving (additief) gedroegen. De sterke niet-additieve effecten zouden een gevolg kunnen zijn van een klein aantal interacterende loci (hoofdstuk 2) die leiden tot significante fenotypische variatie tussen lijnen en soorten. Epistasie is een belangrijke factor in evolutie (Merilä en Sheldon 1999; Phillips et al. 2000) en zou met name in haploïde mannetjes een rol kunnen spelen omdat hier gunstige allelen niet via dominantie tot expressie kunnen komen (Boake et al. 2002). 211

9 The role of male courtship behaviour in prezygotic isolation in Nasonia Variatie tussen individuen binnen een lijn In de hoofdstukken 4 en 5 onderzocht ik de genetische architectuur van verschillen in mannelijk gedrag tussen individuen binnen een lijn. In hoofdstuk 4 beschrijf ik een selectie experiment in N. vitripennis om lijnen te maken met extreme waarden voor een bepaald gedrag, die dan vervolgens gekruist zouden kunnen worden om de overerving te onderzoeken. De component van het baltsgedrag waarop ik selectie heb uitgevoerd, het kopknikaantal, reageerde echter slechts zwak op kunstmatige selectie. In hoofdstuk 5 heb ik gebruik gemaakt van full-sib en nested full-sib half-sib experimenten, evenals fenotypische covariantie tussen verwante mannetjes, om de hoeveelheid genetische variatie te bepalen voor kopknikaantal en cyclusduur, alsmede de hoeveelheid en type van niet-additieve effecten daarbij. Er bleek geen fenotypische correlatie tussen beide kenmerken te bestaan wat er op wijst dat beide eigenschappen een aparte genetische basis hebben. Kopknikaantallen werden voornamelijk door maternale effecten en epistasie bepaald. Overerving van cyclusduur vertoonde grootvaderen grootmoedereffecten wat wijst op een rol van genomische inprenting. Selectie op mannelijk baltsgedrag en evolutionaire implicaties In Noord-Amerika zijn N. vitripennis populaties sympatrisch met ofwel de zustersoort N. longicornis ofwel N. giraulti. Divergentie in mannelijk baltsgedrag en bijbehorende vrouwelijke voorkeur is een belangrijke oorzaak van prezygotische isolatie tussen sympatrisch voorkomende nauw verwante soorten. Wanneer dit versterkt wordt als een selectierespons op het voorkomen van interspecifieke

10 11. Samenvatting en conclusies paringen spreekt men van reinforcement (bv. Noor 1999). Echter, mannelijk gedrag kan ook een indicator zijn van mannelijke kwaliteit en door intraspecifieke seksuele selectie worden gemoduleerd (Maynard Smith 1991). In hoofdstuk 7 heb ik onderzocht of vrouwelijke voorkeur voor mannelijk gedrag een rol speelt in het soortvormingsproces in Nasonia. Om te bepalen welke componenten van het baltsgedrag van het mannetje worden gebruikt door het vrouwtje bij haar partnerkeuze heb ik recombinante ingeteelde lijnen (RIL) tussen N. vitripennis en N. longicornis gebruikt die bestonden uit unieke combinaties van eigenschappen van beide soorten. Verschillende componenten van het mannelijk baltsgedrag bleken van invloed op de receptiviteit van vrouwtjes in beide soorten. N. longicornis vrouwtjes hadden een voorkeur voor langere cycli, een kenmerk dat karakteristiek is voor N. longicornis mannetjes. Daarentegen kozen N. vitripennis vrouwtjes voornamelijk mannetjes met een kleiner aantal kopknikken in serie 2 dan in serie 1 (een negatieve waarde voor 2 min 1 ), wat juist karakteristiek is voor de balts van N. vitripennis mannetjes. Voorts werd de prezygotische isolatie tussen deze twee soorten bevestigd (Bordenstein et al. 2000), doordat vrouwtjes waarvan het genoom voor een groter deel uit dat van een van de soorten bestond minder snel receptief werden met mannetjes van de andere soort. In hoofdstuk 8 heb ik de rol van niet-additieve effecten op mannelijk gedrag in het soortvormingsproces onderzocht in een theoretisch model. Daarbij heb ik specifiek gekeken naar de effecten van niet-mendelse overerving van gedrag, met name grootvader- en grootmoedereffecten. Ik heb een model ontworpen gebaseerd op individuen in een haplodiploïde populatie die reproductief gescheiden zijn door cytoplasmatische incompatibiliteit. De vraag was in hoeverre niet-mendelse overerving van mannelijk gedrag als gevolg van genomische inprenting (Beukeboom en van den Assem 2001) kon leiden tot gedragsveranderingen en versterking van prezygotische isolatie. Overeenkomstig met eerdere studies 213

11 The role of male courtship behaviour in prezygotic isolation in Nasonia... (Telschow et al. 2002, 2005) bleek cytoplasmatische incompatibiliteit op zichzelf al voldoende voor het in stand houden van reproductieve isolatie. Ik vond geen duidelijk gevolgen van scheve expressie van baltsgenen op het versterken van reproductieve isolatie, maar wel een klein effect onder een zeer beperkte set van parameters (5%-6% migratie). Onder deze specifieke parameters vond soortvorming plaats als gevolg van selectie tegen incompatibele paringen (reinforcement). 214 Conclusies In dit proefschrift heb ik de genetische structuur van het mannelijk baltsgedrag van Nasonia onderzocht om inzicht te verkrijgen in de selectiekrachten die daarop werken en in de mogelijke evolutionaire implicaties daarvan. Ik heb mij daarbij vooral gericht op twee componenten van het baltsgedrag die bij mannetjes van alle drie Nasonia soorten voorkomen, te weten kopknikaantal en cyclusduur, die mogelijk een rol spelen bij soortvorming in dit genus. Ik vond de grootste verschillen in gedrag tussen soorten, maar ook binnen soorten bestond aanzienlijke fenotypische variatie. Toch bleek de hoeveelheid genetische variatie binnen populaties klein te zijn (hoofdstukken 4 en 5). In hoofdstuk 2 heb ik het minimum aantal effectieve factoren berekend die ten grondslag lagen aan de fenotypische verschillen. Dit aantal was laag, zowel binnen als tussen soorten, maar wellicht met verschillende oorzaken. Terwijl selectie voor interspecifieke verschillen op een klein aantal loci met groot effect zou kunnen werken, kan stabiliserende selectie verantwoordelijk zijn voor een lage genetische variatie binnen soorten. De grote fenotypische variatie tussen soorten en lijnen zou dan het gevolg zijn van de sterke niet-additieve effecten die ik heb gevonden (hoofdstukken 3, 5 en 6), veroorzaakt door een klein aantal interacterende loci. De niet-additieve effecten verschilden

12 11. Samenvatting en conclusies vaak voor kopknikken en cyclusduur (hoofdstukken 3 en 5) wat wijst op verschillen in selectiedrukken. Inderdaad vond ik in hoofdstuk 7 dat N. longicornis en N. vitripennis vrouwtjes hun partnerkeuze baseren op verschillende eigenschappen (cyclusduur respectievelijk kopknikaantallen). Ik kan echter niet volledig uitsluiten dat omgevingsfactoren, die ik niet kon controleren, ook een invloed op het mannelijk gedrag hebben gehad en variatie in mijn onderzoeksresultaten hebben veroorzaakt. Samenvattend kan geconcludeerd worden dat de genetische structuur van baltsgedrag in Nasonia complex is en deels door ontwikkelings- en omgevingsfactoren wordt bepaald. De ingewikkelde genetische basis van het baltsgedrag van Nasonia maakt het moeilijk om te bepalen hoe het onder natuurlijke selectie tot stand is gekomen. Terwijl door Wolbachia geïnduceerde cytoplasmatische incompatibiliteit de primaire oorzaak voor isolatie lijkt te zijn, is het onduidelijk in hoeverre mannelijk baltsgedrag tot versterking (reinforcement) van het soortvormingsproces heeft geleid (hoofdstuk 7). Dit zou verder onderzocht moeten worden in sympatrische populaties van twee soorten. De sterke niet-additieve effecten van het mannelijke baltsgedrag kunnen ook een rol hebben gespeeld in de evolutie van prezygotische isolatie tussen de Nasonia soorten. Om de evolutie van het baltsgedrag in Nasonia volledig te begrijpen zou toekomstig onderzoek zich moeten richten op het ophelderen van de genen die ten grondslag liggen aan het baltsgedrag. 215

13