Experimental Studies of the Divergence of Pre- and Postcopulatory Phenotypes in Male Drosophila - Kwok, Kevin (Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2021)
ABSTRACT A major focus in biology is understanding the diversification of life and the processes that cause it. Much of this diversity is in the form of phenotypic variation among populations and species. In this thesis, I investigate two separate aspects of such phenotypic divergence. The first is the divergence of male mate preferences and their potential contribution to precopulatory sexual isolation and speciation. The second is the divergence of postcopulatory phenotypic divergence in the form of seminal fluid protein expression. With respect to the first aspect, in two separate experiments I investigated the contribution of male mate preferences to sexual isolation between two closely related fruit fly species experiencing differential costs to hybridization, Drosophila recens and Drosophila subquinaria. Male mate preferences are of particular interest because of their potential contribution to sexual isolation, a form of reproductive isolation which can contribute to speciation in sexually reproducing species. In the first experiment, I test for the presence of male mate preferences in each of the two species and whether the relative strength of the preference is concordant with the cost of hybridization. I found that that D. subquinaria males indiscriminately courted both their own (i.e. homospecific) females and heterospecific D. recens females. While D. recens from allopatry showed a similar pattern, those from sympatry courted their own females more than heterospecific females, indicating a pattern of reproductive character displacement. In the second experiment I test the role of learning in the context of these male mate preference in D. recens, and whether learning also showed a pattern of reproductive characteristic. I did not find evidence of learning in that D. recens males did not reduce their courting intensity towards heterospecific females after experiencing rejection by similar females. Consequently, I did not find an indication of reproductive character displacement. Finally, with respect to postcopulatory phenotypic divergence, I studied differences in seminal fluid protein expression between experimental populations of D. melanogaster experiencing one of three mating environments allowing for differing opportunities of mate competition and the environment in which it took place. These three mating environments include one in which mate competition was absent (MCabsent,), one in which mate competition occurred in a small, structurally simple environment (MCsimple), and one in which mate competition occurred in a larger, somewhat more complex environment (MCcomplex,). Male seminal fluids are of particular interest due to their ability to mediate postcopulatory competition between males and, therefore, can be used to manipulate females to a male’s own fitness benefit, potentially at her expense (i.e. sexual conflict). I investigated divergence in one particular seminal fluid protein implicated in sexual conflict, sex peptide (Acp70A). Whereas, gene expression levels among males from the three-mating treatment did not differ on average, relative stored quantities did, with MCcomplex males carrying significantly less sex peptide than either of MCabsent or MCsimple males (which did not differ from one another). This result suggests that mate competition and the environment in which it occurs play a significant role in the divergence of sex peptide phenotypes. ABSTRAIT Un objectif majeur de la biologie est de comprendre la diversification de la vie et les processus qui la provoquent. Une grande partie de cette diversité se présente sous la forme de variations phénotypiques entre les populations et les espèces. Dans cette thèse, j'étudie deux aspects distincts d'une telle divergence phénotypique. Le premier est la divergence des préférences des mâles et leurs contributions potentielles à l'isolement sexuel pré-copulatoire et à la spéciation. Le second est la différence de la divergence phénotypique post-copulatoire sous la forme de l'expression des protéines du liquide séminal. En ce qui concerne le premier aspect, dans deux expériences distinctes, j'ai étudié la contribution des préférences de compagnon mâle à l'isolement sexuel entre deux espèces de mouches des fruits étroitement liées subissant des coûts différentiels d'hybridation, Drosophila recens et Drosophila subquinaria. Les préférences des mâles sont particulièrement intéressantes en raison de leurs contributions potentielles à l'isolement sexuel, une forme d'isolement reproductif qui peut contribuer à la spéciation des espèces se reproduisant sexuellement. Dans la première expérience, je teste la présence de préférences de compagnon mâle dans chacune des deux espèces et si la force relative de la préférence est concordante avec le coût de l'hybridation. J'ai constaté que les mâles de D. subquinaria courtisaient sans discernement à la fois leurs propres femelles (c'est-à-dire homospécifiques) et les femelles hétérospécifiques de D. recens. Alors que D. recens de l'allopatrie a montré un modèle similaire, ceux de la sympatrie courtisaient leurs propres femelles plus que les femelles hétérospécifiques, indiquant un modèle de déplacement du caractère reproducteur. Dans la deuxième expérience, je teste le rôle de l'apprentissage dans le contexte de ces préférences de compagnon masculin dans D. recens, et si l'apprentissage a également montré un modèle de caractéristique de reproduction. Je n'ai pas trouvé de preuve d'apprentissage dans la mesure où les mâles D. recens ne réduisaient pas leur intensité de fréquentation envers les femelles hétérospécifiques après avoir été rejetés par des femelles similaires. Par conséquent, je n'ai pas trouvé d'indication de déplacement du caractère reproducteur. Enfin, en ce qui concerne la divergence phénotypique post-copulatoire, j'ai étudié les différences dans l'expression des protéines du liquide séminal entre les populations expérimentales de D. melanogaster connaissant l'un des trois environnements d'accouplement, permettant différentes possibilités de compétition de compagnon et l'environnement dans lequel elle a eu lieu. Ces trois environnements d'accouplement incluent un environnement dans lequel la compétition entre partenaires était absente (MCabsent,), un dans lequel la compétition entre partenaires se produisait dans un petit environnement structurellement simple (MCsimple) et un dans lequel la compétition entre partenaires se produisait dans un environnement plus grand et un peu plus complexe (MCcomplexe,). Les fluides séminaux mâles sont particulièrement intéressants en raison de leur capacité à négocier la compétition post-copulatoire entre les mâles et, par conséquent, peuvent être utilisés pour manipuler les femelles dans l'intérêt de la forme physique d'un mâle, potentiellement à ses dépens (c'est-à-dire conflit sexuel). J'ai étudié la divergence dans une protéine du liquide séminal particulière impliquée dans un conflit sexuel, le peptide sexuel (Acp70A). Alors que les niveaux d'expression génique chez les mâles du traitement à trois accouplements ne différaient pas en moyenne, les quantités relatives stockées le faisaient, les mâles MCcomplexe portant significativement moins de peptide sexuel que les mâles MCabsent ou MCsimple (qui ne différaient pas les uns des autres). Ce résultat suggère que la compétition de partenaire et l'environnement dans lequel elle se produit jouent un rôle important dans la divergence des phénotypes des peptides sexuels.
Keywords: Reinforcement; Sexual Isolation; Reproductive Isolation; Sex Peptide; Acp70A; Mating Systems; Sexual Conflict; Reproductive Character Displacement; Learning; Drosophila