Coloraciones cosméticas y bacterias en contextos de selección sexual de abubillas y calaos

Resumen

Las bacterias son simbiontes habituales de macroorganismos con los que, en muchas ocasiones, forman asociaciones mutualistas, en las que tanto el simbionte como el hospedador obtienen beneficios. Uno de los beneficios que los hospedadores pueden obtener de las bacterias simbiontes es la protección frente a un amplio abanico de patógenos, mediante el aporte de sustancias defensivas que las bacterias sintetizan para su competencia con otros microorganismos. La comunidad microbiana asociada al hospedador puede ser diferente entre individuos de la misma especie y, en consecuencia, ser una propiedad que cause diferencias en las capacidades de esos individuos. Estas diferencias podrían ser de interés para las potenciales parejas y, en tal caso, seleccionarse la producción de señales asociadas a ese tipo de calidad. De esta manera, la calidad del microbioma de un individuo podría ser la información transmitida por algunas señales sexuales existentes en los hospedadores de bacterias beneficiosas. Dado que la evolución y mantenimiento de las señales depende de la fiabilidad de la información transmitida, sería de esperar que en este escenario surgieran señales dependientes de las propias bacterias simbiontes que se poseen, a través de los colores u olores causados por los metabolitos de las bacterias. Un ejemplo de ello podrían ser las aves del orden Upupiformes, como la abubilla europea (Upupa epops) y la abubilla arbórea africana (Phoeniculus purpureus). Estas especies presentan propiedades especiales en las secreciones de su glándula uropigial. Se sabe que albergan bacterias productoras de sustancias antimicrobianas en la glándula uropigial y se ha comprobado experimentalmente que esos simbiontes son responsables de algunas propiedades de la secreción como el color y la presencia de compuestos químicos volátiles. La existencia de simbiontes en la secreción uropigial de las aves podría ser un fenómeno más extendido. Por ejemplo, en el orden Bucerotiformes, clado hermano de las abubillas formado por 61 especies de calaos, algunas especies presentan secreciones uropigiales coloreadas (amarillentas), que usan para teñir distintas partes de su cuerpo, posiblemente con una función ornamental. Sin embargo, hasta el momento se desconoce si las secreciones uropigiales pigmentadas de los calaos están vinculadas a la presencia de comunidades microbianas de la glándula uropigial, tal y como se ha descrito en las abubillas. En esta tesis se estudia la hipótesis de que las secreciones coloreadas, tanto de la abubilla europea como de los calaos, funcionan como señales de calidad usadas por los portadores para transmitir información sobre la comunidad de simbiontes que albergan en sus glándulas uropigiales. Las señales sexuales pueden actuar antes (para conseguir pareja) o después del apareamiento (para conseguir una mayor inversión parental de la pareja). Tanto las abubillas como los calaos tienen un estricto reparto de tareas reproductivas entre los dos sexos, encargándose exclusivamente las hembras de la incubación y cuidados de los pollos mientras son pequeños, y aportando los machos todo el alimento que las hembras y los pollos consumen en ese periodo. Por ello, el éxito reproductivo de ambos miembros de la pareja está muy vinculado y es esperable que la inversión reproductora de ambos dependa de la calidad de su pareja. En los calaos, las secreciones teñidas son usadas por los dos sexos desde antes del emparejamiento y por tanto podrían actuar como señales pre-emparejamiento. Sin embargo, en las abubillas, las secreciones coloreadas y cargadas de bacterias solo están presentes en las hembras, y solo las desarrollan después del emparejamiento, durante el periodo que pasan dentro del nido. Por tanto, en este caso podrían funcionar como señales post-emparejamiento de las hembras dirigidas a conseguir una mayor inversión parental de los machos. Además, el hecho de que la asociación con bacterias en esta especie sea temporal y esté vinculada al hábitat del nido, plantea la duda de cómo obtienen su bacterioma en cada temporada. Una posibilidad sería la adquisición de simbiontes que puedan quedar en reservorios en los nidos usados por otras abubillas los años anteriores. En tal caso sería beneficioso para las abubillas ser capaces de detectar esos nidos y seleccionarlos para la nidificación. Los tres objetivos generales planteados en esta tesis están destinados a comprobar tres predicciones de la hipótesis de que las glándulas de abubillas y calaos albergan comunidades de bacterias simbiontes diferentes entre individuos y que se han seleccionado señales para transmitir su calidad: (I) Las abubillas pueden incorporar a su glándula bacterias beneficiosas del material de nidos reutilizados, y por ello seleccionarían nidos previamente usados por otras abubillas. (II) Las propiedades de la secreción de las hembras de abubilla son usadas por los machos para inferir la calidad de las hembras y por ello realizarán un esfuerzo reproductor mayor cuando están emparejados con hembras que poseen secreciones de mayor calidad. (III) Las secreciones uropigiales pigmentadas de los calaos mostrarán evidencias de estar pobladas por bacterias más frecuentemente que las no pigmentadas. A continuación se exponen los antecedentes, los métodos de estudio utilizados y los resultados principales obtenidos, para cada predicción por separado. I. Capítulo I. Selección de sitio de nidificación en la abubilla. Efectos sobre el bacterioma uropigial. Uno de los factores clave para el establecimiento y la evolución de las simbiosis, es el modo de transmisión de los simbiontes. Varios mecanismos han sido propuestos para explicar la compleja comunidad bacteriana de la secreción uropigial de la abubilla. Se sabe que algunas de las bacterias simbiontes presentes en las glándulas son transmitidas verticalmente y otras parecen hacerlo horizontalmente. Los enterococos presentes en la secreción parecen provenir del tracto gastro-intestinal de las hembras (cloaca) por lo que también podrían transmitirse a través las heces. Dado que las heces se acumulan en el material de los nidos usados, una posibilidad sería que el material del nido de las abubillas actúe como reservorio de sus bacterias simbiontes. Siendo así, las hembras podrían aumentar la diversidad bacteriana de su glándula u obtener cepas más competitivas a través de su selección de nidos previamente utilizados frente a otros sin esas bacterias. Para comprobarlo se realizó un experimento manipulando la presencia de material procedente de nidos usados de abubilla. Con ello se testó: (1) si había preferencia por aquellas cajas nido que contenían material viejo de nido de abubilla, (2) las consecuencias de su elección en la carga bacteriana de la secreción y de la cáscara de los huevos, en contacto con ese material y (3) su posible efecto en el éxito reproductivo. Las abubillas mostraron una preferencia por las cajas nido que contenían material blando añadido a las cajas frente a las cajas vacías, independientemente de si el material agregado provenía o no de nidos de abubilla previamente utilizados. Las características del material experimental no afectaron a su éxito reproductivo, pero sí afectaron a las cargas bacterianas de la cáscara del huevo y a la composición de la comunidad bacteriana de la glándula uropigial. Esta es la primera vez que se muestra un efecto del material del nido en la secreción uropigial de la abubilla. Además, varios OTUs (Unidad Taxonómica Operacional) de la secreción uropigial de las hembras se asociaron positivamente con el éxito de eclosión. Los resultados se suman a otros previos que muestran que una función principal de la secreción uropigial de las hembras de abubilla es proteger a los huevos de infecciones microbianas. También apoyan la predicción de que la re-utilización de nidos afecta a la comunidad de bacterias de la glándula. Sin embargo no se cumplió la predicción que implicaba una preferencia por los nidos reutilizados basada en la presencia de material viejo. II. Capítulos II y III. Los machos de abubilla realizan una inversión reproductiva diferencial basándose en las propiedades de la secreción uropigial de la hembra. Se sabe que el color oscuro de la secreción uropigial de la abubilla está asociado a la presencia de bacterias simbiontes, siendo rojiza cuando éstas son eliminadas con antibióticos. Además, la saturación del color de la secreción se relaciona negativamente con su capacidad antimicrobiana. Por otra parte, un comportamiento único en las abubillas es que las hembras manchan activamente la cáscara de los huevos con su secreción uropigial, cambiando su color de un tono azul inicial a un verde-marrón final. La secreción que recubre la cáscara reduce la entrada de bacterias patógenas en los huevos, y esa capacidad depende de los enterococos que alberga. De esta manera, el color cosmético de los huevos de abubilla podría haber evolucionado como una señal sexual post-apareamiento de la capacidad antimicrobiana de la hembra. Numerosos estudios en otras especies de aves han demostrado cómo el color de los huevos refleja la calidad de la hembra y cómo esta coloración influye en la inversión del macho. Es la denominada hipótesis de la coloración de los huevos seleccionada sexualmente (Hipótesis SSEC). Se ha testado con coloraciones intrínsecas producidas por pigmentos, como la biliverdina y la protoporfirina, pero nunca con coloraciones cosméticas causadas por la secreción uropigial. En esta tesis se investiga, por primera vez, si la coloración cosmética de los huevos de abubilla influye en el aporte de alimento al nido por parte del macho (Capítulos II y III). En el capítulo II se realizó un estudio descriptivo de la relación entre el color de los huevos de las hembras y el esfuerzo reproductor de sus machos. En el capítulo III se realizó un experimento de intercambio de puestas entre hembras para comprobar si los cambios en el color de los huevos causaron cambios en la misma estima de esfuerzo reproductor de los machos. En ambos estudios se obtuvo que los machos de abubilla invirtieron menos en nidos que contenían huevos con una coloración más saturada. Además, la saturación del color de la cáscara de los huevos estuvo negativamente relacionada con la abundancia de bacterias simbióticas en la secreción de la hembra (Capítulo II). Estos resultados son consistentes con la hipótesis de que la coloración cosmética de la cáscara del huevo debida a la secreción uropigial estaría actuando como una señal sexual post-apareamiento de las hembras. Esta señal mostraría el potencial antimicrobiano de su secreción, que los machos usarían para ajustar su esfuerzo parental. Esta es la primera demostración experimental (Capítulo III) de los beneficios asociados a la señal cosmética de las hembras. III. Capítulos IV y V. Las secreciones coloreadas de los calaos contienen bacterias simbiontes y los ornamentos de estas aves han evolucionado para señalizar su calidad en contextos de defensa frente a patógenos. Hasta el momento no se ha estudiado si las secreciones uropigiales de los calaos están habitadas por bacterias al igual que sucede con las de la abubilla. En el Capítulo IV de esta tesis se aborda por primera vez la comprobación de esta hipótesis con 13 especies de calaos alojados en diferentes zoológicos de España, Portugal y Francia. Para ello se recogieron muestras de distintas superficies de su cuerpo, incluyendo el penacho de la glándula y su secreción uropigial. Se realizaron siembras en medios de cultivo, así como extracciones de ADN y secuenciación del gen 16S bacteriano para así estudiar la composición de las comunidades bacterianas presentes. Los resultados mostraron crecimiento bacteriano a partir de las muestras de secreción en todas las especies de calaos africanas y en una especie asiática. Además, varias de estas especies de calaos tenían secreciones densamente pobladas de bacterias cuando se observaban en un microscopio. También se observó una clara asociación de taxones bacterianos particulares con las glándulas uropigiales o las áreas del cuerpo cubiertas con secreción en varias especies. Varios de esos taxones bacterianos son productores de sustancias antibióticas y están comúnmente asociados a relaciones mutualistas en varios grupos de animales. Además, en una especie de calao asiático, un grupo de bacterias pigmentadas productoras de carotenoides se asoció a la glándula uropigial, y a las áreas manchadas del cuerpo. Esta evidencia sugiere que los calaos son un grupo de aves involucradas en interacciones coevolutivas con bacterias que viven en o alrededor de sus glándulas uropigiales y que algunos de esos simbiontes podrían ser responsables de las propiedades especiales de las secreciones. La coloración de las secreciones de algunas especies de calaos podría estar también relacionada con la incorporación de carotenoides obtenidos en la dieta. Los carotenoides son responsables de los colores rojo, amarillo y naranja. Además, son importantes para varias funciones biológicas y son un recurso limitado y escaso en la naturaleza. Así, la coloración basada en carotenoides puede indicar el acceso y la capacidad de obtener recursos nutritivos, pero también otros rasgos de calidad, tales como la condición corporal, la capacidad antioxidante, la carga parasitaria y su capacidad para luchar frente a las infecciones microbianas. De esta manera, las diferencias en la coloración basada en carotenoides entre especies de calaos podrían indicar diferencias en su eficiencia en el uso de carotenoides y en la importancia de señales que reflejen la capacidad de respuesta inmune. Muchas especies de calaos presentan, además, un plumaje conspicuo con amplias áreas blancas que contrastan con un color negro general. Estos parches blancos podrían desempeñar un papel importante en la señalización sexual, ya que, en aves, habitualmente son dependientes de la condición física y predictores de la calidad fenotípica. Los calaos poseen, además, una estructura queratinizada única situada sobre el pico denominada casco, que podría actuar como un indicador de madurez sexual, habiendo evolucionado mediante selección sexual. La coloración del casco y del pico es muy variable entre las distintas especies de calaos. Dado que el pico y las cubiertas del casco están cubiertos de queratina, su coloración podría indicar la calidad individual relacionada con su capacidad para hacer frente a los microorganismos queratinolíticos. Existen numerosas diferencias entre las especies de calaos en todos estos caracteres ornamentales. Por lo tanto, son un grupo en el que un enfoque comparativo entre especies podría permitir conocer los rasgos de historia vital o las presiones selectivas que han estado asociados a la evolución de dichas señales. Dado que todos estos caracteres ornamentales pueden estar relacionados de una manera u otra con las presiones selectivas ejercidas por las bacterias, en el Capítulo V de esta tesis se analiza si su presencia y/o tamaño están vinculados con la carga de distintos grupos bacterianos. Los principales hallazgos de este análisis comparativo son, en primer lugar, que el grado de exageración de dos adornos se correlaciona positivamente a través de la filogenia de los calaos. Estos son: la superficie de plumas blancas en el cuerpo y la superficie coloreada del pico (amarillo, naranja, o/y rojo). Además, la variación en la ornamentación entre especies se relaciona con las cargas bacterianas de diferentes partes del cuerpo. Por último, la prevalencia en la glándula uropigial de un grupo particular de bacterias conocidas por su producción de bacteriocinas (enterococos) se relacionó con la abundancia de posibles bacterias patógenas (queratinolíticas) en el casco. Estos resultados sugieren que las bacterias han jugado un papel importante en la evolución de los complejos diseños de color encontrados en los calaos. Todos los resultados de la tesis apoyan la hipótesis general de que en abubillas y calaos, las coloraciones cosméticas de la secreción uropigial pueden estar siendo seleccionadas como señales de calidad asociada a la posesión de comunidades bacterianas simbiontes. En el caso de las abubillas, los machos respondieron a los cambios de la coloración de los huevos ajustando su esfuerzo parental. En el caso de los calaos se confirma que algunas especies también mantienen simbiosis con bacterias en sus secreciones, algo que no se conocía hasta el momento. Al contrario de lo esperado en nuestra hipótesis inicial, las bacterias en este grupo no estuvieron presentes solo en las especies con secreciones coloreadas. Sin embargo, algunos simbiontes en esas especies podrían ser responsables de las propiedades especiales de la secreción, por sus capacidades biosintéticas particulares. Además, el estudio comparativo de los ornamentos de estas especies muestra asociaciones entre los ornamentos y distintos grupos de bacterias, tanto patógenas como productoras de sustancias defensivas, e interacciones entre estos grupos bacterianos entre sí. En conjunto, estos hallazgos sugieren que el grupo de los calaos es un nuevo modelo de estudio de gran interés para comprender la evolución de simbiosis mutualistas con bacterias en aves, así como de señales asociadas a esa relación.