Reproductive behavior of the nematode Caenorhabditis elegans reproducing by obligatory crossing

W świecie przyrody istnieją zwierzęta prezentujące przeróżne systemy rozrodcze; wśród tych rozmnażających się płciowo, możemy wyróżnić przede wszystkim organizmy rozdzielnopłciowe oraz hermafrodytyczne (posiadające gonady zarówno męskie jak i żeńskie). Zachowania rozrodcze, których celem jest maksymalizacja sukcesu reprodukcyjnego, mogą znacząco różnić się w zależności od systemu rozrodczego prezentowanego przez dany gatunek. Populacje, które rozmnażają się głównie przez samozapłodnienie hermafrodyt, charakteryzują się najczęściej wyraźnym zubożeniem behawioru seksualnego.Gatunkiem modelowym, wykorzystanym w badaniach przeprowadzonych na potrzeby niniejszej pracy, jest maleńki nicień Caenorhabditis elegans. W populacjach typu dzikiego dominują hermafrodyty rozmnażające się głównie poprzez samozapłodnienie. Samce, zdolne do zapłodnienia hermafrodyt, stanowią zwykle mniej niż 0,2% populacji i cechują się niskimi kompetencjami w podejmowanych próbach kopulacji. Wśród nicieni z rodzaju Caenorhabditis występują również gatunki gonochorystyczne, których reprodukcja odbywa się na drodze krzyżowania. Samce tych gatunków osiągają znacznie wyższy sukces reprodukcyjny niż samce C.elegans, głównie z powodu kilku istotnych różnic w ich behawiorze seksualnym - umiejętności szybszej lokalizacji samicy, wprowadzenia jej w stan bezruchu na czas kopulacji, a także produkcji zatyczek kopulacyjnych. Populacje C.elegans użyte w opisanym eksperymencie charakteryzują się systemem kojarzenia zmienionym (na skutek wprowadzonej mutacji w genie fog-2, regulującym produkcję plemników u hermafrodyt) na obligatoryjne krzyżowanie. Celem badań było stwierdzenie, czy po 97 pokoleniach, samce wyewoluują w kierunku wyższej skuteczności w zapładnianiu samic. Ponadto, uwzględniony został czynnik temperatury, w której ewoluowały poszczególne populacje. Zbadano również związek między sukcesem reprodukcyjnym samców a dwiema cechami ich behawioru (długością czasu kontaktu z samicami oraz czasu ‘zwijania’), a także zależność pomiędzy tymi cechami. Przeprowadzona analiza wykazała jednak brak istotnych różnic pomiędzy badanymi populacjami oraz brak związku pomiędzy opisanymi zachowaniami i sukcesem reprodukcyjnym. Niespodziewanie zauważono również, że niektóre samice gromadzą się wokół kopulującej pary, czasem dołączając do nich, tworząc mnogie kontakty. Protokół eksperymentu nie umożliwił dokładnej analizy tego zjawiska, jednak obserwacja ta otwiera perspektywy na przyszłe badania.

In the natural world, there are animals representing various reproductive systems; among those that reproduce sexually, we can distinguish primarily dioecious and hermaphroditic organisms (having both male and female gonads). Reproductive behaviors aim to maximize reproductive success and may differ depending on the breeding system represented by a species. Populations which reproduce primarily by selfing are often characterized by the impoverishment of sexual behavior.A model species used in this study is a tiny nematode Caenorhabditis elegans. Wild-type populations are composed predominately of hermaphrodites which reproduce by self-fertilization. Males, which can fertilize hermaphrodites, represent usually less than 0.2% and they are often inefficient in their copulation attempts. Among the nematodes of the Caenorhabditis genus, there are also gonochoristic species, reproducing by outcrossing. Males of these species achieve higher reproductive success than C.elegans males. This is because of several key differences in their sexual behavior – they are able to locate the females more quickly, immobilize them, and produce mating plugs.C.elegans populations used in the described experiment are characterized by the mating system changed (due to the introduced mutation in gene fog-2, which governs sperm production in hermaphrodites) into obligatory outcrossing. The aim of the study was to find out whether, after 97 generations, males will evolve towards higher efficiency in fertilizing females. Moreover, the temperature in which individual populations evolved was taken into account. The relationship between male reproductive success and the behavioral characteristics (duration of contact with females and ‘curling’ behavior) were investigated, as well as the relationships between the two characteristics themselves. However, the conducted analysis showed no significant differences between the studied populations, nor significant relationships between the described behaviors and reproductive success. Unexpectedly, it was also noticed that some females gather around the mating pair, sometimes attaching to them. The protocol of the experiment did not allow for a detailed analysis of the phenomenon, but this observation opens up prospects for future research.