Sequence comparisons of genomes or expressed sequence tags (ESTs) from related organisms provide insight into functional conservation and diversification. We compare the sequences of ESTs from the male accessory gland of Drosophila simulans to their orthologs in its close relative Drosophila melanogaster , and demonstrate rapid divergence of many of these reproductive genes. Nineteen (∼11%) of 176 independent genes identified in the EST screen contain protein-coding regions with an excess of nonsynonymous over synonymous changes, suggesting that their divergence has been accelerated by positive Darwinian selection. Genes that encode putative accessory gland-specific seminal fluid proteins had a significantly elevated level of nonsynonymous substitution relative to nonaccessory gland-specific genes. With the 57 new accessory gland genes reported here, we predict that ∼90% of the male accessory gland genes have been identified. The evolutionary EST approach applied here to identify putative targets of adaptive evolution is readily applicable to other tissues and organisms.

Mating induces profound changes in female insect behavior and physiology. In Drosophila melanogaster , mating causes a reduction in sexual receptivity and an elevation in egg production for at least 5 days. Injection of the seminal fluid sex peptide (SP) induces both responses in virgin females, but only for 1–2 days. The role of SP in eliciting the responses to mating remains to be elucidated. Functional redundancy between seminal fluid components may occur. In addition, mating with spermless males results in brief (1- to 2-day) post-mating responses, indicating either that there is a “sperm effect” or that sperm act as carriers for SP or other seminal fluid components. Here we used RNA interference to suppress SP expression, to determine whether SP is required to elicit full post-mating responses, the magnitude of responses due to other seminal fluid components, and whether SP accounts for the “sperm effect.” Receptivity was higher and egg production lower in females mated to SP knock-down males than in controls. Comparison with virgins showed that the responses were brief. SP is therefore required for normal magnitude and persistence of postmating responses. Sperm transfer and use were normal in mates of SP knock-down males, yet their post-mating responses were briefer than after normal matings, and similar to those reported in mates of spermless son-of-tudor males. The prolonged “sperm effect” on female receptivity and egg production is therefore entirely attributable to SP, but sperm are necessary for its occurrence.

Rapid evolution driven by positive Darwinian selection is a recurrent theme in male reproductive protein evolution. In contrast, positive selection has never been demonstrated for female reproductive proteins. Here, we perform phylogeny-based tests on three female mammalian fertilization proteins and demonstrate positive selection promoting their divergence. Two of these female fertilization proteins, the zona pellucida glycoproteins ZP2 and ZP3, are part of the mammalian egg coat. Several sites identified in ZP3 as likely to be under positive selection are located in a region previously demonstrated to be involved in species-specific sperm-egg interaction, suggesting the selective pressure is related to male-female interaction. The results provide long-sought evidence for two evolutionary hypotheses: sperm competition and sexual conflict.

Abstract A large portion of the annotated genes in Drosophila melanogaster show sex-biased expression, indicating that sex and reproduction-related genes (SRR genes) represent an appreciable component of the genome. Previous studies, in which subsets of genes were compared among few Drosophila species, have found that SRR genes exhibit unusual evolutionary patterns. Here, we have used the newly released genome sequences from 12 Drosophila species, coupled to a larger set of SRR genes, to comprehensively test the generality of these patterns. Among 2505 SRR genes examined, including ESTs with biased expression in reproductive tissues and genes characterized as involved in gametogenesis, we find that a relatively high proportion of SRR genes have experienced accelerated divergence throughout the genus Drosophila. Several testis-specific genes, male seminal fluid proteins (SFPs), and spermatogenesis genes show lineage-specific bursts of accelerated evolution and positive selection. SFP genes also show evidence of lineage-specific gene loss and/or gain. These results bring us closer to understanding the details of the evolutionary dynamics of SRR genes with respect to species divergence.

Abstract Successful reproduction requires contributions from both the male and the female. In Drosophila, contributions from the male include accessory gland proteins (Acps) that are components of the seminal fluid. Upon their transfer to the female, Acps affect the female's physiology and behavior. Although primary sequences of Acp genes exhibit variation among species and genera, the conservation of protein biochemical classes in the seminal fluid suggests a conservation of functions. Bioinformatics coupled with molecular and genetic tools available for Drosophila melanogaster has expanded the functional analysis of Acps in recent years to the genomic/proteomic scale. Molecular interplay between Acps and the female enhances her egg production, reduces her receptivity to remating, alters her immune response and feeding behavior, facilitates storage and utilization of sperm in the female and affects her longevity. Here, we provide an overview of the D. melanogaster Acps and integrate the results from several studies that bring the current number of known D. melanogaster Acps to 112. We then discuss several examples of how the female's physiological processes and behaviors are mediated by interactions between Acps and the female. Understanding how Acps elicit particular female responses will provide insights into reproductive biology and chemical communication, tools for analyzing models of sexual cooperation and/or sexual conflict, and information potentially useful for strategies for managing insect pests.

Postcopulatory sexual selection can select for sperm allocation strategies in males [1Birkhead T.R. Moller A.P. Sperm Competition and Sexual Selection. Academic Press, London1998Google Scholar, 2Simmons L.W. Sperm Competition And Its Evolutionary Consequences in the Insects. Princeton University Press, Princeton, NJ2001Google Scholar], but males should also strategically allocate nonsperm components of the ejaculate [3Cameron E. Day T. Rowe L. Sperm competition and the evolution of ejaculate composition.Am. Nat. 2007; 169: E158-E172Crossref PubMed Scopus (85) Google Scholar, 4Hodgson D.J. Hosken D.J. Sperm competition promotes the exploitation of rival ejaculates.J. Theor. Biol. 2006; 243: 230-234Crossref PubMed Scopus (54) Google Scholar], such as seminal fluid proteins (Sfps). Sfps can influence the extent of postcopulatory sexual selection [5Chapman T. Seminal fluid-mediated fitness traits in Drosophila.Heredity. 2001; 87: 511-521Crossref PubMed Scopus (324) Google Scholar, 6Poiani A. Complexity of seminal fluid: A review.Behav. Ecol. Sociobiol. 2006; 60: 289-310Crossref Scopus (343) Google Scholar, 7Ravi Ram K. Wolfner M.F. Seminal influences: Drosophila Acps and the molecular interplay between males and females during reproduction.Integr. Comp. Biol. 2007; 47: 427-445Crossref PubMed Scopus (252) Google Scholar], but little is known of the causes or consequences of quantitative variation in Sfp production and transfer. Using Drosophila melanogaster, we demonstrate that Sfps are strategically allocated to females in response to the potential level of sperm competition. We also show that males who can produce and transfer larger quantities of specific Sfps have a significant competitive advantage. When males were exposed to a competitor male, matings were longer and more of two key Sfps, sex peptide [8Chen P.S. Stumm-Zollinger E. Aigaki T. Balmer J. Bienz M. Böhlen P. A male accessory gland peptide that regulates reproductive behavior of female D. melanogaster.Cell. 1988; 54: 291-298Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (491) Google Scholar] and ovulin [9Monsma S.A. Wolfner M.F. Structure and expression of a Drosophila male accessory gland gene whose product resembles a peptide pheromone precursor.Genes Dev. 1988; 2: 1063-1073Crossref PubMed Scopus (125) Google Scholar], were transferred, indicating strategic allocation of Sfps. Males selected for large accessory glands (a major site of Sfp synthesis) produced and transferred significantly more sex peptide, but not more ovulin. Males with large accessory glands also had significantly increased competitive reproductive success. Our results show that quantitative variation in specific Sfps is likely to play an important role in postcopulatory sexual selection and that investment in Sfp production is essential for male fitness in a competitive environment.

ABSTRACT Unique patterns of inheritance and selection on Y chromosomes lead to the evolution of specialized gene functions. Yet characterizing the function of genes on Y chromosomes is notoriously difficult. We report CRISPR mutants in Drosophila of the Y-linked gene, WDY , which is required for male fertility. WDY mutants produce mature sperm with beating tails that can be transferred to females but fail to enter the female sperm storage organs. We demonstrate that the sperm tails of WDY mutants beat approximately half as fast as wild-type sperm’s and that the mutant sperm do not propel themselves within the male ejaculatory duct or female reproductive tract (RT). These specific motility defects likely cause the sperm storage defect and sterility of the mutants. Regional and genotype-dependent differences in sperm motility suggest that sperm tail beating and propulsion do not always correlate. Furthermore, we find significant differences in the hydrophobicity of key residues of a putative calcium-binding domain between orthologs of WDY that are Y-linked and those that are autosomal. Given that WDY appears to be evolving under positive selection, our results suggest that WDY ’s functional evolution coincides with its transition from autosomal to Y-linked in Drosophila melanogaster and its most closely related species. Finally, we show that mutants for another Y-linked gene, PRY , also show a sperm storage defect that may explain their subfertility. In contrast to WDY, PRY mutants do swim in the female RT, suggesting they are defective in yet another mode of motility, navigation, or a necessary interaction with the female RT. Overall, we provide direct evidence for the long-held presumption that protein-coding genes on the Drosophila Y regulate sperm motility.

Abstract In polyandrous internally fertilizing species, a multiply-mated female can use stored sperm from different males in a biased manner to fertilize her eggs. The female’s ability to assess sperm quality and compatibility is essential for her reproductive success, and represents an important aspect of postcopulatory sexual selection. In Drosophila melanogaster , previous studies demonstrated that the female nervous system plays an active role in influencing progeny paternity proportion, and suggested a role for octopaminergic/tyraminergic Tdc2 neurons in this process. Here, we report that inhibiting Tdc2 neuronal activity causes females to produce a higher-than-normal proportion of first-male progeny. This difference is not due to differences in sperm storage or release, but instead is attributable to the suppression of second-male sperm usage bias that normally occurs in control females. We further show that a subset of Tdc2 neurons innervating the female reproductive tract is largely responsible for the progeny proportion phenotype that is observed when Tdc2 neurons are inhibited globally. On the contrary, overactivation of Tdc2 neurons does not further affect sperm storage and release or progeny proportion. These results suggest that octopaminergic/tyraminergic signaling allows a multiply-mated female to bias sperm usage, and identify a new role for the female nervous system in postcopulatory sexual selection.

Abstract Background Male-derived seminal fluid proteins (SFPs) enter and induce a myriad of physiological and behavioral changes in mated female flies optimizing fertility. Many post-mating changes in female Drosophila melanogaster persist for ∼10-14 days, because the seminal protein that induces them, Sex Peptide (SP), is retained long-term in females by binding to sperm, with gradual release of its active domain from sperm. Several other “long-term response SFPs” (LTR-SFPs) “prime” sperm to bind SP. Whether female factors play a role in this process is unknown, though it is important to study both sexes for a comprehensive physiological understanding of this reproductive process and for consideration in models of sexual conflict. Results We report here that sperm in male ejaculates bind SP more weakly than sperm that have entered females, and that the amount of SP and other SFPs bound to sperm increases with time and transit of individual seminal proteins within the female reproductive tract. Thus, female contributions are needed for maximal and appropriate binding of SP, and other SFPs, to sperm. Towards understanding the molecular roles of the female, we found no dramatic change in pH of the female reproductive tract after mating and that initial binding of SP to sperm is normal in females with ablated or defective spermathecal secretory cells and/or parovaria, but that higher levels of SP (and sperm) are retained in the latter females. Conclusion This study reveals that the SP pathway is not entirely male-biased and that females also contribute to regulating it.