Polyandry and host-endosymbiont conflicts in the spider mite tetranychus urticae

Abstract

Organisms compete for several resource types, the most studied being food, hosts and mates. Regrettably, the study of competition for each of these resource types belongs to different research fields that rarely overlaps, which might hamper a comprehensive understanding of competition as pervasive selective force. In this work, we begin by showing how experimental evolution can be transversally applied to the study of competition across research fields and attempt to extract general patterns and processes, as in all cases individuals are competing for the use of a limiting resource. The rest of this thesis is directed towards competition for mates, a type of competition that is shaped by sexual selection. The main goal of this work was to study the adaptations favoured by sexual selection at different stages of reproduction, namely prior and after mating, in order to better understand the occurrence of polyandry in species with first male sperm precedence. In these species, the first male that mates with a female will sire all her offspring. Consequently, it seems paradoxical that females mate multiply, except if this behaviour provides an advantage for females or males, if it correlates with other traits, or if it occurs inadvertently. In order to tackle this, we used the spider mite Tetranychus urticae, a haplodiploid species with first male sperm precedence in which polyandry is pervasive. First, we tested whether males distinguish between virgin and mated females and which type of cues they use to exert their preference. In fact, spider mite males preferred virgin over mated females and used chemical cues, namely volatiles and chemical trails, to distinguish them. These results indicate that polyandry does not occur due to a lack of ability to discriminate females of different matings status, suggesting this behaviour might be advantageous for either sex. Consequently, the next step was to test the potential costs and benefits of polyandry for males and females. Neither males, nor females benefited directly with polyandry. In fact, females that mated multiple times survived less and laid fewer eggs, compared to females that mated once or twice only. Nevertheless, males did not suffer longevity costs when they mated with mated females and they were able to decrease the fitness of first males, gaining an indirect benefit with this behaviour. Polyandry can thus be, even if partially, explained by this indirect benefit. Still, these results do not rule out the existence of other, indirect benefits. For instance, by mating multiply, individuals might reduce the risk of only mating with incompatible mates. Incompatible matings may be attributed to the presence of endosymbiotic bacteria. These organisms can employ various tactics, such as altering the reproduction of their hosts, in order to favour their own transmission. When these tactics are costly for the host, hosts are expected to evolve strategies to avoid or reduce such costs. Spider mite populations are often infected with Wolbachia, an endosymbiotic bacterium that induces cytoplasmic incompatibility (CI), whereby crosses between uninfected females and infected males yield reduced fertilized offspring. Here we tested whether T. urticae uninfected females evolve mate choice and multiple mating to circumvent the costs imposed by CI. To this aim, we performed experimental evolution on spider-mite populations with i) full Wolbachia infection, ii) no infection, or iii) mixed infection. In the latter, Wolbachia-uninfected females could copulate with both Wolbachia-infected and Wolbachia-uninfected males at each generation, which is expected to result in high costs for uninfected females, and hence promote the evolution of a compensatory mechanism. Evolving under mixed infection did not affect host mate choice, latency to copulation or copulation duration, after 12 generations of selection. Therefore, the role of Wolbachia in pre-copulatory reproductive isolation in spider mites, if present, is probably residual. However, after 20 generations of selection, uninfected females evolving under mixed infection that mated with Wolbachia-infected males presented a higher degree of CI than those mated first with Wolbachia-infected and then with Wolbachia-uninfected males evolving under mixed infection. Therefore, polyandry can be advantageous when there is the risk of incompatible matings, since it reduces the degree of CI. By doing so, spider mites break their sperm priority pattern in favour of the second male. However, this disruption of sperm precedence only occurred in one direction. Indeed, when the first mating was compatible, i.e., the first male was not infected with Wolbachia, individuals kept first male sperm precedence. The unidirectional disruption of the sperm precedence pattern might be a key factor for the evolution of CI-driven polyandry in species with skewed patterns of sperm precedence. Overall, the results obtained here contribute to improve our understanding of mating strategies by addressing important questions that have been largely neglected so far, namely the putative drivers of multiple mating in species with first male sperm precedence.

Na natureza, os organismos competem por diferentes de tipos de recursos, sendo os recursos mais estudados a comida, os hospedeiros e os parceiros sexuais. Infelizmente, o estudo de cada um destes recursos pertence a uma área de investigação diferente, o que dificulta a compreensão plena do papel da competição enquanto força selectiva. No trabalho que aqui se apresenta, começamos por demonstrar de que modo a evolução experimental pode ser aplicada transversalmente ao estudo da competição, de forma a permitir extrair padrões e processos comuns às várias áreas de investigação. Isto torna-se possível uma vez que, em todos os casos, os organismos competem por acesso a um recurso limitante, qualquer que seja esse recurso. Os capítulos seguintes da tese focam-se na competição por parceiros sexuais, um tipo de competição moldado pela selecção sexual. O principal objectivo deste trabalho foi estudar que adaptações são favorecidas pela selecção sexual em diferentes fases da reprodução, nomeadamente antes e depois do acasalamento. Desta forma, esperamos contribuir para enriquecer o nosso conhecimento no que diz respeito à ocorrência de poliandria, isto é, ao acasalamento de vários machos com uma única fêmea, em espécies com precedência espermática do primeiro macho. Nestas espécies, o primeiro macho a acasalar com uma fêmea é aquele que fertiliza todos os seus ovócitos. Consequentemente, parece paradoxal que estas fêmeas acasalem mais do que uma vez, a não ser que este comportamento traga alguma vantagem, esteja geneticamente relacionado com outra característica que seja vantajosa, ou ocorra inadvertidamente. De modo a poder abordar esta aparente contradição, usámos o ácaro-aranha Tetranychus urticae, uma espécie haplodiplóide, com precedência espermática do primeiro macho e cujos indivíduos acasalam frequentemente com fêmeas já fecundadas. Numa primeira abordagem, testámos se os machos desta espécie eram capazes de distinguir fêmeas virgens de fêmeas fecundadas e que tipo de pistas são usadas pelos machos para exercer a sua preferência. Graças a este estudo, pudemos confirmar que os machos usam pistas químicas, nomeadamente voláteis, e rastos químicos deixados no substrato, para distinguir fêmeas virgens de fêmeas fecundadas. Estes resultados permitiram-nos concluir que a poliandria não ocorre devido a uma incapacidade, por parte dos machos, de discriminar fêmeas fecundadas de fêmeas virgens, o que sugere que este comportamento é vantajoso para pelo menos um dos sexos. Na sequência desta constatação, procurámos encontrar potenciais benefícios provenientes da existência de poliandria em machos e fêmeas. Para esta experiência utilizámos a resistência a um pesticida como marcador genético, o que nos permitiu determinar a paternidade da descendência produzia pelas várias fêmeas testadas. Esta metodologia é essencial para determinar se a poliandria altera o padrão de precedência espermática desta espécie, conferindo assim benefícios directos aos machos. Os nossos resultados indicam que nenhum dos sexos beneficia directamente com acasalamentos múltiplos. De facto, a precedência espermática do primeiro macho foi sempre mantida, independentemente do número e do intervalo entre acasalamentos, sugerindo que acasalar com fêmeas fecundadas não confere nenhum benefício directo aos machos. Para além disso, fêmeas que acasalaram múltiplas vezes apresentaram uma menor longevidade e fecundidade do que fêmeas que acasalaram só uma ou duas vezes, sugerindo que há custos em acasalar múltiplas vezes para as fêmeas. No entanto, os machos desta espécie, apesar de não terem obtido benefícios directos com a poliandria, não sofreram custos de longevidade quando foram colocados exclusivamente com fêmeas previamente fecundadas. Além do mais, o número total de descendência produzida pelo primeiro macho a acasalar com uma fêmea fecundada é menor quando essa fêmea acasala múltiplas vezes, do que quando essa fêmea não acasala novamente, ou acasala apenas mais uma vez. Esta diminuição do número de descendência quando a fêmea acasala múltiplas vezes, faz com que o sucesso reprodutor do primeiro macho diminua, levando a um aumento relativo do sucesso reprodutor dos machos seguintes. Este benefício indirecto pode explicar, ainda que em parte, a ocorrência de poliandria no ácaro-aranha. De qualquer forma, este resultado não exclui a possibilidade de existirem outros benefícios que possam explicar a existência de poliandria. Por exemplo, ao acasalarem múltiplas vezes, os indivíduos podem reduzir o risco de se envolverem apenas em acasalamentos inviáveis. A existência de acasalamentos inviáveis pode ser atribuída à presença de bactérias endosimbiontes. Estes organismos empregam diversas tácticas como, por exemplo, alterar a reprodução dos seus hospedeiros, de forma a favorecerem a sua transmissão. Quando essas tácticas são custosas para o hospedeiro, prevê-se que este evolua estratégias de modo a poder evitar ou reduzir os custos da infecção. Frequentemente, as populações de ácaros encontram-se infectadas com Wolbachia, uma bactéria endossimbiótica que induz incompatibilidade citoplasmática. A incompatibilidade citoplasmática resulta na redução do número de descendência fertilizada proveniente de acasalamentos entre fêmeas não infectadas e machos infectados. Com as experiências seguintes, procurámos saber se fêmeas de ácaros-aranha não infectadas evoluem a capacidade de escolher parceiros sexuais compatíveis ou de acasalar múltiplas vezes, de modo a contornar os custos impostos pela incompatibilidade citoplasmática. De forma a testar esta possibilidade, realizámos uma experiência na qual populações de ácaros-aranha evoluíam nas seguintes condições: i) populações totalmente infectadas com Wolbachia, ii) populações totalmente livres de Wolbachia ou iii) populações com uma prevalência intermédia deste simbionte. No último caso, a cada geração, fêmeas não infectadas foram colocadas com machos infectados e não infectados, na mesma proporção, de modo a promover os acasalamentos entre indivíduos. Este último regime de evolução experimental corresponde às condições ideais para a evolução de um mecanismo compensatório contra a Wolbachia, por parte do hospedeiro. Após doze gerações de selecção, indivíduos mantidos com prevalência intermédia de Wolbachia não alteraram a sua capacidade de escolha. Para além disso, não se verificaram modificações na latência à copula ou na duração de cópula em qualquer um dos regimes. Isto permite-nos concluir que o efeito da Wolbachia na evolução de isolamento reprodutor em ácaros, se existe, é residual. Este resultado é relevante para o estudo da especiação, uma vez que o isolamento reprodutor é considerado um comportamento com elevado impacto neste processo. Apesar de não termos encontrado diferenças no comportamento que antecede a cópula, fêmeas não infectadas que evoluíram em populações com prevalência intermédia de Wolbachia apresentaram uma redução no grau de incompatibilidade citoplasmática após acasalarem com machos infectados e machos não-infectados, sequencialmente. Este resultado permite-nos concluir que a poliandria pode ser vantajosa em ambientes em que existe o risco de acasalamentos inviáveis, uma vez que permite reduzir a incompatibilidade citoplasmática. Ao fazê-lo, os ácaros-aranha alteraram o seu padrão de precedência espermática a favor do segundo macho. No entanto, esta alteração só ocorreu numa direcção, uma vez que, nas situações em que o primeiro macho era compatível, i.e., não estava infectado com Wolbachia, a precedência espermática pelo primeiro macho foi mantida. A unidirecionalidade na alteração do padrão de precedência espermática é muito provavelmente um factor essencial à evolução de poliandria incitada pelos custos associados à incompatibilidade citoplasmática, em espécies com padrões de precedência espermática enviesados. Em suma, o trabalho desenvolvido ao longo desta tese, ao endereçar questões importantes que tinham sido, até agora, negligenciadas, permite-nos compreender mais aprofundadamente qual o papel da poliandria em espécies com precedência espermática do primeiro macho. Para além disso, os resultados apresentados aqui contribuem substancialmente para o estudo das interações entre endosimbiontes e os seus hospedeiros, bem como para compreender de que forma essa interação afecta o processo de especiação.