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Divergent selection between ecologically dissimilar habitats promotes local adaptation, which can lead to reproductive isolation (RI). Populations in the Poecilia mexicana species complex have independently adapted to toxic hydrogen sulfide and show varying degrees of RI. Here, we examined the variation in the mate choice component of prezygotic RI. Mate choice tests across drainages (with stimulus males from another drainage) suggest that specific features of the males coupled with a general female preference for yellow color patterns explain the observed variation. Analyses of male body coloration identified the intensity of yellow fin coloration as a strong candidate to explain this pattern, and common-garden rearing suggested heritable population differences. Male sexual ornamentation apparently evolved differently across sulfide-adapted populations, for example because of differences in natural counterselection via predation. The ubiquitous preference for yellow color ornaments in poeciliid females likely undermines the emergence of strong RI, as female discrimination in favor of own males becomes weaker when yellow fin coloration in the respective sulfide ecotype increases. Our study illustrates the complexity of the (partly non-parallel) pathways to divergence among replicated ecological gradients. We suggest that future work should identify the genomic loci involved in the pattern reported here, making use of the increasing genomic and transcriptomic datasets available for our study system.
Die Differenzierung zwischen Teilpopulationen hin zu unterschiedlichen Arten kann nur erfolgen, wenn zwischen diesen Teilpopulationen reproduktive Isolation besteht. Wie die unterschiedlichen Arten von reproduktiver Isolation zusammenwirken und welche Voraussetzungen bestehen müssen, um neue Arten zu bilden, muss in jedem Studiensystem untersucht werden. Ein idealer Ansatzpunkt sind Arten, die sich mehrfach an anspruchsvolle Habitate angepasst haben, deren Artbildung also von ökologischen Habitatparametern bestimmt wird. Dieser Vorgang wird als Ökologische Artbildung bezeichnet. Im Artkomplex Poecilia spec., der im Süden Mexikos mehrere schwefelangepasste Ökotypen ausgebildet hat, wurden erste Hinweise auf eine Korrelation zwischen der Selektionsstärke von natürlicher und sexueller Selektion gefunden, deren Einfluss zusammen die bestehenden reproduktiven Barrieren zwischen Klarwasser- und Schwefelökotyp formen. Wie diese Reproduktionsbarrieren beschaffen sind und wie die Umweltvariable Schwefel auf die Morphologie und das Verhalten der Poeciliiden Einfluss nimmt, wurde in der vorliegenden Arbeit anhand von fünf Fragestellungen untersucht. (1) Die Körperfärbung kann ein aussagekräftiges Signal für die Qualität des potentiellen Partners bei der Fortpflanzung sein. Wie beeinflusst die extreme Umweltvariable Schwefel die Ausbildung von Färbung? (2) Sind die gefundenen Anpassungen der Färbung erblich oder werden sie plastisch entsprechend des Nahrungsangebots ausgebildet? (3) In einem der untersuchten Flusssysteme konnte unvollständige reproduktive Isolation zwischen der Klarwasser- und Schwefelpopulation nachgewiesen werden. Sind in den Mischzonen zwischen diesen beiden Habitaten Hybriden genetisch nachweisbar und bilden diese die Färbungsanpassungen der Klarwasser-, der Schwefelpopulation oder eine intermediäre Form aus? (4) Die Gelbfärbung der Flossen bei Männchen scheint ein geeignetes Merkmal für die Anzeige der Qualität zu sein, da es möglicherweise unabhängig vom Nahrungsangebot ausgebildet wird. Besteht eine weibliche Präferenz für dieses Merkmal? (5) Auch die weibliche Partnerwahlpräferenz wird vom Habitat und dem eigenen Zustand beeinflusst. Wie verändert sich die Präferenz für Männchen mit gutem Ernährungszustand bei Weibchen, die hungrig sind?
Um diese Fragen zu beantworten, wurden in mehreren Jahren Männchen und Weibchen der Arten Poecilia mexicana und Poecilia sulphuraria aus sieben Populationen im Studiengebiet in Südmexiko gefangen und auf ihre Färbung untersucht sowie Laborpopulationen getestet. Es konnten generelle Anpassungen der Färbung an die Umweltvariable Schwefel nachgewiesen werden. Dazu gehören die Aufhellung der Körperregionen, die durch Tarnung (konkret: countershading und background matching) vor Entdeckung durch Prädatoren schützen, und die Reduktion von Gelb- und Rottönen. Diese Anpassung ist vermutlich auf das geringe Angebot an Karotinoiden in den schwefelbelasteten Extremhabitaten zurückzuführen. Außerdem konnten zahlreiche flusssystem¬spezifische Anpassungen beschrieben werden, deren Ursachen in den Unterschieden zwischen den Schwefelhabitaten untereinander begründet sind. Das Flusssystem des Río Tacotalpa stellt hier eine Besonderheit dar, da Männchen eine besonders starke Gelbfärbung der Flossen aufweisen. Wildgefangene und laborgeborene Männchen dieses Flusssystems wurden verglichen, um einen Hinweis auf den Einfluss des Nahrungsangebots auf dieses Merkmal zu untersuchen. Tatsächlich ist die Ausprägung dieses Merkmals, die Gelbfärbung der Flossen, unabhängig vom Angebot an Karotinoiden. Während die hier verwendeten genetischen Analysen nicht geeignet waren, Hybriden aus den Mischzonen zwischen Schwefel- und Klarwasserhabitat nachzuweisen, ergaben die Untersuchungen von Individuen aus den Mischzonen keine eindeutigen Ergebnisse über eine etwaige intermediäre Ausbildung der Färbung. Die Präsentation von Männchen, deren Gelbintensität an den Flossenspitzen künstlich verändert wurde, konnte bei Weibchen keine eindeutige Präferenz für stärker gefärbte Männchen aufzeigen. Vielmehr weist dieses Ergebnis auf eine starke Korrelation zwischen mehreren Merkmalen (z. B. weitere morphologische Merkmale, Verhalten) hin, die für die Beurteilung der männlichen Qualität herangezogen werden. Die weibliche Präferenz für konditionsabhängige Merkmale wird bei schwefelangepassten Weibchen leicht verstärkt, wenn diese hungrig sind. Eine solche flexible Präferenz sollte gerade in Habitaten mit starken Fluktuationen im Nährstoffangebot existieren. Dabei waren Weibchen, denen Videoaufnahmen präsentiert wurden, eher in der Lage, das qualitativ hochwertigere Männchen zu identifizieren, als Weibchen, denen animierte Bilder präsentiert wurden. Auch hier wird davon ausgegangen, dass die Reduktion auf eines oder wenige Merkmale, die für die Partnerwahl zur Verfügung stehen, keine ausreichend starke Reaktion auslösen können. Vielmehr ist der Zugriff auf alle Aspekte der männlichen Erscheinung wichtig, um die Qualität des potentiellen Partners zu beurteilen.
Färbung ist also generell geeignet, den Ökotyp eines Individuums zu bestimmen und ein solches Merkmal kann der Artbestimmung im ersten Schritt der Partnerwahl dienen. Dasjenige männliche Färbungsmerkmal, das über mehrere Generationen gleichbleibend ausgeprägt wurde – die Gelbfärbung der Flossen – reicht jedoch nicht aus, um bei der weiblichen Partnerwahl eine Reaktion auszulösen. Vielmehr deuten die Ergebnisse auf eine enge Korrelation der Färbung mit weiteren Merkmalen in Morphologie und Verhalten eines Individuums hin, die vom wählenden Weibchen stets gemeinsam entsprechend der Multiple-message-Theorie betrachtet werden. Auch der Vergleich zwischen Videoaufnahmen und animierten Fotografien als Stimuli bei der Partnerwahl ergab, dass der Aspekt Verhalten (nur verfügbar mit Videoaufnahmen) für eine Partnerwahlentscheidung von Bedeutung ist.
Meine Arbeit konnte den bestehenden Wissensschatz um die bestehenden reproduktiven Barrieren im Studiensystem um den Aspekt der Färbung erweitern. Meine Ergebnisse zeigen weitere spannende Fragestellungen auf. Je größer das Verständnis der vorliegenden Selektionskräfte und Mechanismen reproduktiver Isolation ist, desto besser kann die Wissenschaft verstehen, welche Umgebungsvariablen welchen Einfluss auf den Prozess der Artbildung haben.
Background: One aspect of premating isolation between diverging, locally-adapted population pairs is female mate choice for resident over alien male phenotypes. Mating preferences often show considerable individual variation, and whether or not certain individuals are more likely to contribute to population interbreeding remains to be studied. In the Poecilia mexicana-species complex different ecotypes have adapted to hydrogen sulfide (H2S)-toxic springs, and females from adjacent non-sulfidic habitats prefer resident over sulfide-adapted males. We asked if consistent individual differences in behavioral tendencies (animal personality) predict the strength and direction of the mate choice component of premating isolation in this system.
Results: We characterized focal females for their personality and found behavioral measures of ‘novel object exploration’, ‘boldness’ and ‘activity in an unknown area’ to be highly repeatable. Furthermore, the interaction term between our measures of exploration and boldness affected focal females’ strength of preference (SOP) for the resident male phenotype in dichotomous association preference tests. High exploration tendencies were coupled with stronger SOPs for resident over alien mating partners in bold, but not shy, females. Shy and/or little explorative females had an increased likelihood of preferring the non-resident phenotype and thus, are more likely to contribute to rare population hybridization. When we offered large vs. small conspecific stimulus males instead, less explorative females showed stronger preferences for large male body size. However, this effect disappeared when the size difference between the stimulus males was small.
Conclusions: Our results suggest that personality affects female mate choice in a very nuanced fashion. Hence, population differences in the distribution of personality types could be facilitating or impeding reproductive isolation between diverging populations depending on the study system and the male trait(s) upon which females base their mating decisions, respectively.
The Cueva del Azufre in Tabasco, Mexico, is a nutrient-rich cave and its inhabitants need to cope with high levels of dissolved hydrogen sulfide and extreme hypoxia. One of the successful colonizers of this cave is the poeciliid fish Poecilia mexicana, which has received considerable attention as a model organism to examine evolutionary adaptations to extreme environmental conditions. Nonetheless, basic ecological data on the endemic cave molly population are still missing; here we aim to provide data on population densities, size class compositions and use of different microhabitats. We found high overall densities in the cave and highest densities at the middle part of the cave with more than 200 individuals per square meter. These sites have lower H2S concentrations compared to the inner parts where most large sulfide sources are located, but they are annually exposed to a religious harvesting ceremony of local Zoque people called La Pesca. We found a marked shift in size/age compositions towards an overabundance of smaller, juvenile fish at those sites. We discuss these findings in relation to several environmental gradients within the cave (i.e., differences in toxicity and lighting conditions), but we also tentatively argue that the annual fish harvest during a religious ceremony (La Pesca) locally diminishes competition (and possibly, cannibalism by large adults), which is followed by a phase of overcompensation of fish densities.
Extreme habitats are often characterized by reduced predation pressures, thus representing refuges for the inhabiting species. The present study was designed to investigate predator avoidance of extremophile populations of Poecilia mexicana and P. sulphuraria that either live in hydrogen sulfide-rich (sulfidic) springs or cave habitats, both of which are known to have impoverished piscine predator regimes. Focal fishes that inhabited sulfidic springs showed slightly weaker avoidance reactions when presented with several naturally occurring predatory cichlids, but strongest differences to populations from non-sulfidic habitats were found in a decreased shoaling tendency with non-predatory swordtail (Xiphophorus hellerii) females. When comparing avoidance reactions between P. mexicana from a sulfidic cave (Cueva del Azufre) and the adjacent sulfidic surface creek (El Azufre), we found only slight differences in predator avoidance, but surface fish reacted much more strongly to the non-predatory cichlid Vieja bifasciata. Our third experiment was designed to disentangle learned from innate effects of predator recognition. We compared laboratory-reared (i.e., predator-naïve) and wild-caught (i.e., predator-experienced) individuals of P. mexicana from a non-sulfidic river and found no differences in their reaction towards the presented predators. Overall, our results indicate (1) that predator avoidance is still functional in extremophile Poecilia spp. and (2) that predator recognition and avoidance reactions have a strong genetic basis.