Condition dependence of sexually selected signals in the European Starling (Sturnus vulgaris)

Since Darwin, evolutionary biologists envisaged various hypotheses to explain the advantages for males to exhibit exaggerated secondary sexual traits, also known as ornaments. One of these hypotheses proposes that male ornaments may signal to the females the benefits they can get by mating, and that female preference for ornamented males is one of the main selecting forces explaining the evolution of secondary sexual traits. The evolutionary scenario becomes more complex if we consider that in many species males bear multiple ornaments. Why multiple ornaments should evolve? Why and how do females base their choice among different male traits? Different ornaments could signal different aspects of male quality (=benefits). For example, individual condition at different stages of male’s life may by reflected by the expression of different ornaments, or diverse ornaments could respond differently to a similar stress experienced during a male life-history event due, for example, to a different response to carry-over effects. Condition dependence of male ornaments has been supported by a large number of studies on sexual secondary traits, yet whether and how different stresses at different life-history stages affect the expression of multiple ornaments has been investigated in a more limited number of cases. In my PhD project I used a passerine bird, the European starling (Sturnus vulgaris), as a model species given that males bear multiple secondary sexual traits. In this species it has been shown that females prefer males with long throat feathers that have high UV reflectance, that produce a complex song and, although with less empirical support, with more brightly colours on the beak. During my PhD I attempted to investigate the mechanisms that underlie the expression of male ornaments by experimentally manipulating individual condition during two energy-demanding life-history events, i.e. during nestling development and during the post-juvenile moult. Male attractiveness was directly evaluated in a female choice experiment. The first experimental manipulation aimed at investigating the effect of an immune challenge on growth and physiological responses on nestlings that were naturally infested with ectoparasites (manuscript 1), and to assess the temporal pattern of their first- and second-year moult (manuscript 2). The second experimental manipulation was used to test the effect of removing the stress caused by the nest ectoparasites on parental investment during the incubation (manuscript 3), and on parent-offspring communication during the nestling stage (manuscript 4). I then examined the temporal pattern of the post-juvenile moult in males from ectoparasite-free and naturally infested nests (manuscript 5). A third experimental manipulation consisted of supplementing with or depriving of carotenoids the diet of males in the course of their post-juvenile moult. I further tested the effect of nest ectoparasites and diet i) on the preening activity of males during winter, i.e. from the end of the moult to the start of the breeding period (manuscript 6), ii) on the expression of male ornaments and iii) on female preference (manuscript 7). My results suggest that an early stress, i.e. endotoxin or ectoparasites, does not significantly affect the nestling growth. Nestlings whose immune system was challenged with an endotoxin (LPS) showed similar antioxidant capacity and oxidative damage to those measured on control nestlings, whereas hematocrit was higher in second-brood LPS-nestlings than controls. Nestlings in ectoparasite-free nests produced a more conspicuous postural begging than that produced by nestlings in naturally infested nests. Parents were also sensitive to nest ectoparasites because they increased the time spent at the nest during the incubation period, although the provisioning effort during the nestling period was not different among deparasitized and control broods. Moult was advanced in birds injected with LPS and in those grown without nest ectoparasites, as they were probably in better condition than their counterparts and could therefore anticipate such costly life-history event. Birds from ectoparasite-free nests moulted over a longer period than controls, whereas moult duration of LPS and control birds was similar. The supplement of carotenoids during moult resulted in an increase of time invested in preening their plumage a few months after the end of the moult, and showed an increased yellow colouration of the beak in the following breeding season. As result, males that were grown in ectoparasite-free nests and were supplemented with carotenoids during the following moult were preferred by females in the mate choice experiment. In conclusion, the results of my PhD project provided an experimental evidence of carry-over effects in starlings. Males that experienced different stresses during the early stages of their life were less attractive for the females in their first breeding season. While I found a different colouration of the beak among birds from ectoparasite-free and control nests, the throat feathers were of similar length and colouration. This difference in attractiveness could be due to song characteristics during mate choice tests. Any attempt to individually record male song unfortunately failed and the effect of early stresses on song could not be assessed directly. Despite this, the resulting female preference for males that experienced favourable juvenile conditions suggests that male ornaments are considered as a whole during mate choice, and their expression is probably influenced by carry-over effects. These findings seem therefore in agreement with the redundant signal hypothesis, which suggests that female integrate the information of all male ornaments to assess the mate quality.

Sulla base delle teorie di Darwin, i biologi evoluzionisti hanno formulato diverse ipotesi per spiegare l’origine dei tratti sessuali secondari esibiti dai maschi, anche detti ornamenti. Una di queste ipotesi suggerisce che le femmine valutino gli ornamenti maschili per massimizzare il proprio successo riproduttivo nella scelta del partner e che la preferenza femminile sia una delle forze selettive principali alla base dell’evoluzione dei tratti sessuali secondari. Lo scenario evolutivo si complica se consideriamo che i maschi di molte specie esibiscono ornamenti multipli. E’ stato ipotizzato che diversi ornamenti possano segnalare differenti aspetti della qualità maschile. In questo caso la loro espressione potrebbe riflettere la condizione del maschio in fasi diverse della life-history, oppure differenti ornamenti potrebbero essere influenzati in modo diverso da uno stesso stress. Molti studi sui tratti sessuali secondari maschili hanno mostrato che i costi associati all’espressione di alcuni ornamenti sono correlati alla condizione dell’individuo, cioè sono condizione-dipendenti. Tuttavia, sono pochi gli studi sull’effetto di eventi di stress in fasi diverse del ciclo vitale sull’espressione di ornamenti multipli. Nel mio progetto di Dottorato ho studiato i meccanismi che regolano l’espressione dei tratti sessuali secondari di Storno (Sturnus vulgaris), un passeriforme di medie dimensioni in cui i maschi presentano ornamenti multipli. In questa specie, vi sono evidenze sperimentali che le femmine preferiscono penne della gola più lunghe e con un’alta brillantezza nella radiazione ultravioletta, canti complessi e (probabilmente) colori del becco più intensi. Nel corso del mio Dottorato ho effettuato tre manipolazioni sperimentalmente per modificare la condizione dei maschi in due fasi costose della life-history, durante lo sviluppo giovanile e nel corso della prima muta, per valutare l’effetto di stress precoci sull’espressione degli ornamenti nel corso della prima stagione riproduttiva. L’attrattività dei maschi manipolati è stata testata utilizzando un esperimento di scelta femminile. La prima manipolazione sperimentale aveva l’obiettivo di studiare l’effetto di uno stress immunitario sulla condizione dei pulcini in nidi naturali (manoscritto 1), oltre che sui tempi di muta del primo e del secondo anno di vita (manoscritto 2). Con la seconda manipolazione sperimentale ho testato l’effetto della rimozione dei parassiti del nido sull’investimento parentale durante il periodo d’incubazione (manoscritto 3) e sull’interazione genitori-prole (manoscritto 4). La terza manipolazione sperimentale è stata effettuata sulla dieta dei maschi nel periodo della muta giovanile; ad un gruppo di individui è stata somministrata una dieta ricca di carotenoidi, mentre un altro gruppo ha ricevuto una dieta priva di carotenoidi. Quindi ho esaminato i tempi della muta giovanile dei maschi involati da nidi con e senza parassiti che hanno ricevuto una dieta ricca o priva di carotenoidi (manoscritto 5). Ho analizzato l’effetto delle differenze di carico parassitario e di dieta i) sul tempo investito dai maschi nel mantenere in ordine il piumaggio (manoscritto 6), ii) sull’espressione degli ornamenti maschili e iii) sulla preferenza femminile (manoscritto 7). I risultati ottenuti suggeriscono che uno stress precoce, come un’infezione batterica o la presenza degli ectoparassiti nel nido, non abbia un effetto rilevante sulla crescita dei pulcini. Il potere antiossidante (Capacità Antiossidante Totale, TAC) e la concentrazione di metaboliti reattivi dell'ossigeno (ROM) non sono risultati significativamente differenti tra i pulcini trattati con lipopolisaccaridi (LPS) e i pulcini di controllo trattati con una soluzione salina. D’altra parte, l’ematocrito è risultato più alto nei pulcini trattati con LPS ma solo in quelli nati tardivamente. Nei nidi in cui sono stati rimossi gli ectoparassiti, i pulcini hanno eseguito un begging posturale mediamente più intenso, mentre le strategie di allocazione degli adulti non sono state influenzate dalla presenza dei parassiti nel nido, anche se durante la fase di incubazione delle uova gli adulti hanno trascorso un tempo significativamente maggiore nei nidi privi di parassiti. L’inizio della muta post-giovanile è stato anticipato dagli individui trattati con LPS e da quelli involatisi da nidi senza ectoparassiti, probabilmente perché in condizioni migliori rispetto agli individui di controllo (trattati con una soluzione salina, o involatisi da nidi infestati da parassiti). La muta è stata completata in tempi più lunghi dai maschi involatisi dai nidi senza parassiti, mentre il trattamento con LPS non ha prodotto differenze significative rispetto ai controlli nella durata della muta. La presenza dei carotenoidi nella dieta durante la muta non ha influenzato la colorazione delle penne della gola. Tuttavia i risultati suggeriscono che il trattamento abbia avuto un effetto positivo sulla condizione nei mesi successivi alla muta, poiché i maschi che hanno assunto carotenoidi nel corso della muta hanno investito più tempo nelle attività di mantenimento del piumaggio e hanno prodotto un becco più brillante nel corso della successiva stagione riproduttiva. Nell’esperimento di scelta, le femmine hanno mostrato una preferenza significativa per i maschi involatisi dai nidi senza parassiti e che hanno ricevuto una dieta ricca di carotenoidi durante la muta. In conclusione, i risultati del mio Dottorato forniscono prove sperimentali di effetti carry-over nello Storno. Infatti, due differenti stress giovanili hanno ridotto l’attrattività dei maschi nella prima stagione riproduttiva, anche se i dati ottenuti dalle misure strumentali hanno evidenziato differenze significative soltanto per la colorazione del becco e non per la lunghezza o la colorazione delle penne della gola. E’ noto che l’attrattività dei maschi è legata alle caratteristiche del canto, ma nel corso del mio Dottorato non è stato possibile stimare l’effetto delle manipolazioni sperimentali su tale ornamento. Ad ogni modo il risultato ottenuto dall’esperimento di scelta femminile suggerisce che le femmine considerano in modo complessivo gli ornamenti multipli del maschio, la cui espressione è influenzata da effetti carry-over. Questi risultati sembrano in accordo con l’ipotesi del segnale ridondante (Redundant Signal Hypothesys), secondo cui le femmine integrano le informazioni ottenute dagli ornamenti maschili per valutare la qualità dei potenziali partner.