Environment-dependent sexual selection and the maintenance of genetic variability in sexual traits

The problem of the maintenance of the additive genetic variability underlying sexually selected traits has been typically investigated in a precopulatory context (see Radwan et al. 2015). However, whenever females are sexually promiscuous within the same reproductive cycle, sperm competition can also generate directional selection on traits involved in fertilisation success, in particular on sperm number (Parker and Pizzari 2010). The selection acting on traits associated with competitive fertilization success should erode their genetic and phenotypic variability. In contrast, observed genetic variability for postcopulatory traits is unexpectedly high (reviewed by Evans and Simmons 2008). Among the several hypotheses that have been proposed to explain this paradox, environmental variation may play a crucial role in preventing one genotype from producing the optimal phenotype across all the possible environments (the so-called genotype-by-environment interaction, GEI). Under this hypothesis, genetic variability may be maintained because different phenotypes are favoured in a continuously changing environment (reviewed by Hunt and Hosken 2014). While the role of GEI in maintaining the genetic variability in precopulatory traits has been investigated in a relatively large number of cases, yet postcopulatory traits have been very little studied in this context so far. The aim of my study was to investigate whether environmental variations contribute to the maintenance of the genetic variability in sperm number in the guppy (Poecilia reticulata). Guppies are particularly appropriate to investigate the effects of environmental variations on postcopulatory sexual traits for a number of reasons. First, their natural habitats vary along multiple environmental gradients (Magurran 2005). Secondly, postcopulatory mechanisms are relatively well understood in this species (Evans and Pilastro 2011). Sperm number was chosen as target trait, since it shows a surprisingly high additive genetic variability (Gasparini et al. 2013) although sperm competition leads to strong directional selection on this trait (Boschetto et al. 2011). I used males selected for producing high and low number of sperm (Di Nisio 2014) to investigate GEIs. The use of artificially selected lines is a powerful method to investigate GEIs as it allows me to estimate the average effect size of this interaction in a group of individuals, giving a good representation of the “average” genetic background in the population. I performed three experiments by exposing male guppies from the two selected lines to different environmental manipulations. No evidence of GEI was found under dietary restriction both in sperm production and in the expression of other covarying pre- and postcopulatory sexual traits. The occurrence of GEIs was also evaluated in the offspring of males and females from the selected lines, as GEIs might arise in a trans-generational context. Again, no significant effects were detected at this level. On the contrary, evidence for GEIs was found when I manipulated the social conditions in which males and females interacted. In particular, the reproductive success of males from the selected lines significantly differed accordingly to sex ratio variations, suggesting that social environments appear to be especially relevant in generating GEIs for reproductive fitness. Although this, I found no evidence of GEI for sperm production adjustment in response to different perceived mating opportunities showed by males of the two selected lines. An experimental manipulation of the perceived male mating opportunities was also used to investigate the investment in mating acquisition associated to an increase in sperm investment. I found a trade-off between sperm investment and courtship behaviour, highlighting the importance of social interactions in potentially maintaining genetic variability in sperm number. In the final experiment, I found that diet had a significant effect on social context by altering the mating rate and hence the variance in mating and reproductive success. Furthermore, my results indicate that harsh environmental conditions tend to reduce the relative importance of postcopulatory sexual selection relatively to precopulatory processes. This suggests a synergetic effect of multiple environmental factors that could prevent one genotype to be the best across the environments and, as a consequence, maintaining genetic variability. My study provides a comprehensive picture of mechanisms responsible for the maintenance of genetic variability in a trait, sperm number, which was supposedly exposed to continuous, strong directional selection. Moreover, I have shown that it is not necessary to investigate particularly harsh or stressful environmental conditions in order to reveal significant GEIs (Hoffmann and Merila 1999), since the environmental manipulations I employed are within the normal bounds that the guppy might encounter, especially those affect social interactions. My results therefore highlight the potential of environmental fluctuations in the maintenance of sexually selected traits and the importance of studying sexual selection across varying environmental conditions.

Uno dei grandi problemi irrisolti nell’ambito della biologia evoluzionistica consiste nello spiegare come possa essere mantenuta variabilità genetica in tratti che sono sottoposti a selezione direzionale. Il problema è stato inizialmente investigato solo per quei tratti sottoposti a selezione naturale ma recentemente la problematica è stata applicata anche per quei caratteri sottoposti a selezione sessuale. Nelle specie in cui le femmine possono accoppiarsi con più di un maschio nello stesso ciclo riproduttivo, le femmine sono cioè poliandriche, si creano le condizioni per cui gli spermi di due o più maschi competano per fecondate lo stesso gruppo di uova. La competizione spermatica genera quindi una forte pressione selettiva in tutti quei caratteri che possono aumentare in qualche modo la probabilità di un maschio di fecondare le uova della femmina, vincendo quindi la competizione spermatica con gli altri maschi (Parker 1970). Tra questi, il numero di spermi prodotti è uno dei caratteri che maggiormente risponde alla forte pressione selettiva esercitata dalla competizione spermatica (Birkhead and Moller 1998). La selezione che agisce sul numero di spermi dovrebbe, generazione dopo generazione, eroderne la variabilità genetica ma, al contrario, la variabilità genetica di tale carattere, così come di altri caratteri postcopulatori, è elevata (Evans and Simmons 2008). Numerosi sono i meccanismi proposti per spiegare questo paradosso evolutivo (Radwan 2008) e la mia ricerca si è focalizzata principalmente su uno di questi: le interazioni tra il genotipo e l’ambiente (GEI). Le variazioni ambientali possono generare cambiamenti molto evidenti nell’espressione di molti caratteri sottoposti a selezione sessuale e, inoltre, genotipi diversi possono rispondere in maniera diversa a condizioni ambientali diverse (Ingleby et al. 2010). Secondo questa ipotesi, la performance relativa di diversi genotipi dipende dalle condizioni ambientali nelle quali sono espressi. E se l’ambiente è sufficientemente variabile nello spazio e/o nel tempo la variabilità genetica in caratteri sessuali può essere mantenuta a dispetto della selezione direzionale che agisce su questi, in quanto non vi è un genotipo con una performance relativa migliore in tutti gli ambienti (si veda il recente libro di Hunt and Hosken 2014). Lo scopo del mio lavoro, quindi, è stato quello di indagare se e come i cambiamenti ambientali, sia ecologici che relativi al contesto sociale, possano contribuire a mantenere la variabilità genetica in un tratto sottoposto a selezione direzionale quale il numero di spermi. Il lavoro è stato svolto usando un piccolo pesce tropicale d’acqua dolce, il guppy (Poecilia reticulata). Questa specie è particolarmente appropriata per studiare gli effetti di cambiamenti ambientali sul numero di spermi, un carattere coinvolto nella selezione sessuale postcopulatoria. Innanzitutto l’habitat naturale dei guppies, originari di Trinidad and Tobago (nei Caraibi), è soggetto a modificazioni ambientali che comprendono molteplici fattori, tra i quali la disponibilità di cibo, la torbidità delle acque, la sex ratio e la densità (Magurran 2005). Inoltre in questa specie sono stati studiati approfonditamente i meccanismi coinvolti nella selezione postocopulatoria (Evans and Pilastro 2011). Il numero di spermi trasferiti alla femmina è stato identificato come il responsabile più importante del successo postcopulatorio di un maschio, cosa che fa del numero di spermi un tratto sottoposto ad elevata pressione selettiva direzionale (Boschetto et al. 2011). Nonostante ciò, questo carattere possiede un’elevata variabilità genetica (Gasparini et al. 2013), il che rende tale carattere un candidato ideale per studiare i meccanismi che ne mantengono la variabilità. A questo scopo ho svolto sei esperimenti, descritti dettagliatamente nei sei manoscritti presentati in questa tesi. Buona parte degli esperimenti è stata svolta utilizzando maschi provenienti da due linee di selezione artificiale presenti nel mio laboratorio, in cui i maschi sono stati selezionati per un’elevata (High) e una bassa (Low) produzione di spermi (Di Nisio 2014). Nel corso del primo esperimento ho indagato se un’alterazione nella disponibilità di cibo possa modificare l’espressione del carattere “numero di spermi” e di altri caratteri importanti per la fitness riproduttiva dei maschi in maniera diversa tra i maschi delle due linee di selezione. Ho quindi sottoposto i maschi delle due linee in età giovanile ad una manipolazione della dieta, creando un gruppo sottoposto a dieta ad libitum e l’altro sottoposto ad una dieta ristretta per poi valutare l’espressione dei caratteri nelle due condizioni e nelle due linee (Manuscript 1). Tuttavia in questo primo esperimento non ho evidenziato alcuna interazione tra le linee di selezione (il genotipo) e la disponibilità di cibo (l’ambiente), confermando quanto già trovato in precedenti esperimenti: il numero di spermi prodotti sembra essere correlato alla qualità genetica dei maschi. Inoltre, ho indagato se eventuali GEI emergessero nelle femmine derivate dalle linee di selezione (sottoposte anch’esse a manipolazione della dieta) e nella prole nata da maschi e femmine delle linee di selezione precedentemente sottoposti a manipolazione della dieta. Anche per quanto riguarda questo secondo esperimento non ho riscontrato interazioni tra il genotipo e l’ambiente significative che possano contribuire al mantenimento della variabilità genetica nel numero di spermi (Manuscript 2). Se quindi, la disponibilità di cibo non sembrerebbe essere implicata nel mantenimento della variabilità genetica, così non sembra per il contesto sociale. Infatti i maschi delle due linee di selezione hanno dimostrato un diversa risposta alla presenza di una femmina stimolo: i maschi Low innalzano la loro produzione di spermi maggiormente dei maschi High, anche se questa differenza non è abbastanza elevata da generare una significativa interazione genotipo-ambiente (Manuscript 3). Al contrario il successo riproduttivo dei maschi delle due linee è risultato essere significativamente diverso al variare della sex ratio. Infatti sottoponendo coppie di maschi delle due linee a due diverse sex ratio, una in cui potevano interagire con solo due femmine (equilibrium) e l’altra con ben sei femmine (female-biased), ho riscontrato un maggior successo riproduttivo dei maschi Low quando le femmine erano in numero minore. L’interazione genotipo-ambiente che ho riscontrato tramite questo esperimento sottolinea come il contesto sociale in cui i maschi si trovano possa contribuire a mantenere il mantenimento della variabilità genetica nel numero di spermi. Il mio quinto esperimento è stato svolto a Perth, in collaborazione con l’Università della Western Australia. Questa collaborazione mi ha permesso di effettuare uno studio sulla popolazione di guppies australiana, su cui ho indagato come l’investimento nel numero di spermi (questa volta fenotipico anziché genetico) possa alterare l’investimento nel comportamento sessuale, importante carattere precopulatorio. Infatti maschi che plasticamente aumentano la loro produzione di spermi in risposta alla presenza di una femmina stimolo, adottano la tattica di accoppiamento meno dispendiosa dal punto di vista energetico. Viceversa un minor investimento in spermi è accompagnato da un maggior investimento in corteggiamento, carattere sessuale dimostrato essere molto costoso (Manuscript 5). Infine nell’ultimo esperimento ho indagato come la modificazione di un parametro ecologico, quale la disponibilità di cibo, possa ripercuotersi sulla selezione sessuale nel suo complesso. Nonostante nei primi due esperimenti non abbia riscontrato alcuna interazione genotipo-ambiente significativa in risposta ad un cambiamento della disponibilità di cibo, in quest’ultimo esperimento ho riscontrato come un cambiamento della disponibilità di cibo possa influenzare il contesto sociale, modificando quindi le interazioni maschio-femmine con importanti ripercussioni sull’importanza relativa della selezione pre- e postcopulatoria (Manuscript 6). Ho sottoposto a dieta ad libitum e ristretta popolazioni composte da sei maschi e sei femmine e poi analizzato, non solo l’espressione dei loro tratti, ma anche il loro successo di accoppiamento e riproduttivo. I miei risultati indicano che in condizioni di ambientali sfavorevoli (poco cibo) gli individui si accoppiano meno ma aumenta significativamente la varianza nel successo di accoppiamento. Nel complesso ho riscontrato come l’importanza relativa dei due episodi di selezione sessuale, pre- e postcopulatorio, cambi relativamente alle condizioni ambientali. Questo processo potrebbe essere cruciale nel mantenere la variabilità genetica nei tratti sessuali in quanto la selezione è più forte alternativamente sui tratti pre- o postcopulatori al variare delle condizioni ambientali. In conclusione questa tesi fornisce un quadro più completo dei meccanismi coinvolti nel mantenimento della variabilità genetica nei tratti sottoposti a selezione sessuale, in particolare il numero di spermi, carattere sottoposto a forte selezione direzionale. I miei risultati sottolineano come sia sufficiente generare condizioni ambientali “reali” per riscontrare delle interazioni genotipo-ambiente significative (Hoffmann and Merila 1999). Concludendo quindi, penso sia necessario che i fattori ambientali, siano essi ecologici o sociali, vengano presi in considerazione nei futuri studi di selezione sessuale visto il loro potenziale ruolo nel mantenimento della variabilità genetica dei tratti sessuali.