The cnidosac in Cladobranchia
Comparative anatomy of the cnidosac
Před touto studií byly vysloveny četné předpoklady o jednotnosti morfologie cnidosacu u kladobranchů, kteří mají kleptocnidy . Zejména Edmunds uvádí kresby, které jsou pozoruhodně konzistentní u všech druhů čeledí Fionidae, Favorinidae, Facelinidae a Aeolidiidae, ačkoli popisy cnidosaků nebyly primárním cílem této publikace. Všechny druhy vyobrazené v této práci mají zřetelný vchod spojující trávicí žlázu s cnidosakem (i když v některých případech je vyobrazeno mírné prodloužení vchodu, podobné kanálu) a zřetelný výstup na konci cerasů spojující cnidosak s vnějším povrchem. Kromě toho jsou u všech cnidosaků zobrazeny kleptocnidy a způsob zobrazení svaloviny je rovněž velmi jednotný. Dosud nejpodrobnější studii o eolických cnidosacích napsali Kälker a Schmekel , ale nepopsali v ní dostatečně variabilitu, kterou lze v této struktuře nalézt u zhruba 600 druhů eolických . Navíc práce o strukturách podobných cnidosaku u Hancockia spp. začaly teprve nedávno .
V této studii jsme zjistili, že délka, velikost a struktura vstupu do cnidosaku se liší více, než se očekávalo na základě předchozích prací, stejně jako struktura výstupu neboli cnidoporu, svalovina obklopující cnidosak a poloha a orientace kleptocnides . Je důležité poznamenat, že ačkoli poskytujeme široký taxonový vzorek morfologických znaků cnidosaku, u mnoha druhů byl pro analýzu k dispozici pouze jeden exemplář. Proto je třeba pozorování absence v některých případech brát s rezervou. O těchto taxonech pojednáváme zejména níže.
Předchozí práce uvádějí pouze krátký a jednoduchý vstup do cnidosaku (tj. přímý otvor) , což je pravděpodobně způsobeno výběrem taxonů, které mají tuto podmínku prostě náhodou. Naše práce naznačuje, že se jedná o nejběžnější přechod mezi trávicí žlázou a cnidosakem. Hancock a Embleton však uvádějí přítomnost řasinkového kanálu u Aeolidia (= Eolis) papillosa a Herdman a Clubb zaznamenávají přítomnost „dlouhého, zakřiveného spojovacího kanálu“ u dnešní Facelina bostoniensis (= Facelina drummondi). Několik taxonů má řasinkový kanálek, včetně Aeolidia papillosa, Cerberilla amboinensis, Cratena peregrina, Pteraeolidia ianthina a Paraflabellina ischitana . Tyto taxony nejsou blízce příbuzné, a proto kanál není mezi taxony, které jej mají, homologický, což naznačuje funkční vysvětlení jeho přítomnosti. Původně jsme se domnívali, že přítomnost tohoto podlouhlého kanálu souvisí s velikostí kleptocnidů, protože A. papillosa, C. amboinensis a P. ianthina sekvestrují větší kleptocnidy (> 20 μm dlouhé). To však nepotvrzují C. peregrina a P. ischitana, protože tyto druhy sekvestrují menší nematocysty. V těchto případech může být řasinkový kanálek pozůstatkem ancestrálního posunu v potravě, ale možný funkční význam řasinkového kanálu zůstává spekulativní.
Podobně neexistuje žádný konzistentní vzorec mezi taxony, které mají proliferační zónu, oproti těm, které ji nemají. Jedinou výjimkou je absence proliferační zóny u taxonů, které nesekvestrují nematocysty z rodu Phyllodesmium. Jediným druhem v rámci rodu Phyllodesmium, u kterého jsme identifikovali proliferační zónu, je P. jakobsenae, což je jediný druh rodu Phyllodesmium, o kterém je známo, že obsahuje kleptocnidy. Zatím není jasné, proč se zdá, že některé taxony proliferační zónu mají, zatímco jiné ne, ale máme podezření, že v malém počtu případů vedly artefakty při řezání některých vzorků k destrukci této oblasti (pravděpodobně kvůli obtížím při konzervaci), což vede k fragmentům membrán a volně plovoucím kleptocnidům uvnitř knidosaků některých druhů a (např. Cratena peregrina; obr. 4d). Pro řešení tohoto bodu by mělo být prozkoumáno více jedinců těchto druhů. Zjevná absence proliferační zóny může být také způsobena rozdíly v růstovém stadiu zkoumaných jedinců nebo cerat, pokud se některá nacházela v procesu regenerace, ale nenašli jsme žádné důkazy, které by jednoznačně podporovaly některou z těchto hypotéz. Dále se nejméně jedna předchozí studie zmiňuje o přítomnosti této oblasti , ale podrobněji se jí nezabývá. Tato oblast je místem, kde jsou nematocysty pohlceny ceratami předtím, než migrují směrem k distálnímu konci cerat. Přesný rozsah proliferační zóny však zůstává nejasný. U některých druhů se zdá, že je omezena pouze na cnidosak (např. Pteraeolidia ianthina; obr. 4a), ale u jiných druhů tato zóna zřejmě zasahuje i do přilehlých částí trávicí žlázy (např. Dondice occidentalis; obr. 4b). U většiny taxonů, které sekvestrují nematocysty, jsme nalezli pouze velmi jednoduché východy z cnidosaku, které jsou v některých případech pokryty tenkým epitelem. Tento kryt obsahuje buňky podobné epidermis cerat, která je tvořena protáhlými sloupcovitými buňkami s množstvím zřejmě specializovaných vakuol. Jednoduché výstupy jsou nejčastější, jak v naší studii, tak zřejmě i v jiných . U několika vybraných taxonů čeledi Aeolidiidae, včetně Aeolidia papillosa, Anteaeolidiella chromosoma a Cerberilla amboinensis, je však přítomen složitý cnidopor (obr. 4c). Je opatřen epitelovou výstelkou, která se zdá být souvislá s epidermis. Tato struktura byla identifikována již dříve , ale byla považována pouze za zónu nediferencovaných buněk, o které se předpokládalo, že slouží jako rezerva pro ztracené hnidopóry. Vzhledem k umístění na distálním konci cnidosaku a jako součást cnidoporu však předpokládáme, že tomu tak není. Místo toho předpokládáme, že tato vrstva buněk je speciální adaptací pro uvolňování výjimečně dlouhých a úzkých nematocyst sekvestrovaných ze sasanek (až 50-60 μm na délku, ale < 5 μm na šířku). Termín cnidopor byl dříve nekriticky používán pro všechny východy z cnidosaku , ale my zde nyní nově definujeme termín cnidopor a označujeme jím strukturu, která byla dosud nalezena pouze u Aeolidiidae.
Ačkoli se svalovina obklopující cnidosak také liší napříč Aeolidida, význam této variability není jasný. Svalovina kolem cnidosaku je velmi tenká nebo zcela chybí pouze u několika druhů, včetně Embletonia gracilis, Embletonia pulchra a Bulbaeolidia alba. Pokud je svalovina přítomna, její tloušťka se u jednotlivých druhů liší, a to od zdánlivě jedné až po více vrstev. Tuto variabilitu v tloušťce svaloviny ilustruje jedna z předchozích studií , i když ne tak přesně, jak uvádíme zde (tab. 3). Neexistuje žádné zřejmé evoluční vysvětlení pro rozdíly v tloušťce svaloviny nebo počtu svalových vrstev napříč taxony , ale silnější svalová vrstva by pravděpodobně vedla k silnějšímu vypuzování klepítek. Větší svalová hmota by mohla souviset s predačním tlakem, velikostí začleněných kleptocnides nebo vývojovým stadiem. Pro posouzení těchto hypotéz by bylo přínosné začlenění dalších jedinců od každého druhu a v různých stádiích vývoje, jakož i měření velikosti kleptocnid a tloušťky svaloviny.
Diferenciace kleptocnid z funkční, aktivní buňky na „kontejner či spižírnu“ kleptocnid na špičce knidosaku odráží dozrávání kleptocnid prostřednictvím protonového transportu, které jsou při prvním sekvestrování nezralé a nefunkční . Po dozrání se zdá, že v důsledku snížení složitosti buněk již nejsou funkční. Předchozí pracovníci se pokoušeli zabývat původem membrány kleptofágů , a nedávno dospěli k závěru, že se jedná o fagozom, specializovaný váček tvořený buněčnou membránou . V rámci cnidofágů se počet kleptocnid může lišit jak v rámci taxonů, tak mezi nimi. Zdá se, že to souvisí s velikostí kleptocnid; v rámci daného hnidofága je obvykle méně velkých kleptocnid (> 20 μm dlouhých) ve srovnání s těmi s menšími kleptocnidy (obvykle 10 μm nebo méně). Příklad lze nalézt u Pteraeolidia ianthina (obr. 4a), která sekvestruje nematocysty několika velikostních tříd.
Divergence od obecného tématu
Morfologické znaky hodnocené v této studii se zdají být v rámci čeledí značně variabilní, ale většina knidosakrů se obecně liší v tématu, které je konzervováno napříč Aeolidida. Existují však ještě další, které ztratily určité struktury cnidosaku nebo ztratily cnidosak úplně. Lze vyslovit hypotézu, že cnidosaky ztrácejí spojení s trávicí žlázou nebo svalovinou obklopující cnidosak, když nejsou sekvestrovány nematocysty. Například druhy rodu Phyllodesmium (s výjimkou P. jakobsenae) mají cnidosaky vázané na svalovinu, které se zdají být zbaveny kleptocnidy, ale nejsou zde zřejmé vstupy do trávicího divertiklu ani výstupy do vnějšího prostředí. Tyto druhy spíše sekvestrují chemické látky pro obranu , a proto nutně nepotřebují strukturovaný vchod. Tímto způsobem mohou být cnidosaky u Phyllodesmium podobné plášťovým dermálním útvarům u Charcotiidae, které postrádají východ, ale při stlačení uvolňují obsah . U druhů z rodu Favorinus však celková stavba cnidosaku (včetně otvoru z trávicí žlázy a svalů kolem cnidosaku) zůstává stejná, ale nejsou přítomny kleptocnidy vzhledem k náchylnosti těchto druhů živit se vajíčky jiných plžů . Ačkoli je možné, že absence kleptocnid může pramenit z hypotetického sklonu Phyllodesmium a Favorinus k vypouštění nematocyst během procesu fixace, domníváme se, že je to nepravděpodobné. Jednak se zdá, že příslušníci rodu Phyllodesmium mají neporušený epitel v místě, kde by se dalo očekávat vyvrhování kleptocnidů. Kdyby byly kleptocnidy během fixace vyvrženy, byly by cery fixovány otvorem ve špičce. Kromě toho je absence kleptocnides zejména u Phyllodesmium také dobře zdokumentována (s výjimkou P. jakobsenae) . U rodu Favorinus je to možné vzhledem k otevřenému epitelu na špičce cerat (např. obr. 2c), ale absence kleptocnides odpovídá zvyku příslušníků tohoto rodu požírat vajíčka plžů.
Ještě více variací na toto téma najdeme u Bulbaeolidia alba, Embletonia spp. a druhů v rámci rodu Fiona. Bulbaeolidia alba má na distálním konci trávicí žlázy váček, který obsahuje pouze občasné zooxantely (Symbiodinium). Kromě toho jsme nenašli žádný zřejmý vstup do vaku ani výstup z něj a zdá se, že struktura je obklopena několika tenkými svalovými vlákny. Předpokládali jsme, že absence kleptocnida může být způsobena velmi malou velikostí B. alba, která by proto mohla mít menší obranné nároky, ale i menší taxony v rámci rodů Embletonia a Pseudovermis kleptocnida mají. Alternativně předpokládáme, že nedostatek sekvestrace může souviset s velikostí nebo užitečností nematocyst, které se nacházejí v sasankách, jimiž se tento druh živí . Třetí možností je, že B. alba místo toho v tomto vaku uchovává jiné přírodní sloučeniny, buď z kořisti jako u Phyllodesmium, nebo produkované de novo. Opět je možné, že absence kleptocnidů u B. alba je artefaktem malé velikosti vzorku, ale stejně jako u Phyllodesmium se nepodařilo najít žádné důkazy o vytlačování. Zdá se, že příslušníci čeledi Embletoniidae evolučně zcela ztratili svalovinu obklopující knidosak, nebo představují mezistupeň ve vývoji knidosaku, jak je uvedeno níže v části věnované vývoji knidosaku. U těchto taxonů také není zřejmý vstup do cnidosaku a výstup z něj. A konečně některé druhy čeledi Fionidae v rámci rodu Fiona (tato studie) ztratily cnidosaky úplně, údajně proto, že druhy tohoto rodu dávají přednost jiné než hlísticové kořisti .
Zachycené nematocysty byly nalezeny také u jedné další čeledi v rámci Cladobranchia, Hancockiidae. U druhu Hancockia californica vidíme struktury, které jsou velmi podobné knidosakům (které nazýváme knidosakům podobné), s kleptocnidy umístěnými v knidosakům podobných buňkách ve vícenásobných svalových váčcích na konci každého ceru. Tyto struktury byly nalezeny také u Hancockia uncinata a H. schoeferti , přičemž v některých případech byly struktury podobné cnidosakům nalezeny jak v ceratách, tak v rinoforálních pochvách. Homologické závěry týkající se struktur nalezených u Hancockiidae a struktur u Aeolidida jsou diskutovány v následující části.
Fylogeneze Cladobranchia a evoluce cnidosaku
Fylogenetické závěry
Vzhledem k tomu, že většina zde zahrnutých molekulárních dat pochází z dříve publikovaných studií, topologie odvozená z naší fylogenetické analýzy (obr. 5) je v souladu s topologií zjištěnou v obou nedávných fylogenomických studiích . Tato práce však rozšiřuje předchozí zjištění o taxony, které nebyly v nedávných fylogenomických studiích analyzovány, konkrétně o taxony z rodů Phyllodesmium, Caloria, Pruvotfolia, Pteraeolidia, Cratena, Facelina, Glaucus, Calmella, Piseinotecus, Tergipes, Notaeolidia, Embletonia a Charcotia. Většina z nich spadá do kladů, které bychom očekávali na základě předchozí molekulární práce: Phyllodesmium je blízce příbuzné s Dondice v rámci kladů facelinidů, které jsou sesterské k Aeolidiidae ; Caloria je podporována v rámci druhého kladů facelinidů a je blízce příbuzná s druhy Pruvotfolia ; Facelina, Glaucus a Cratena jsou blízce příbuzné v rámci druhého kladů facelinidů ; Calmella je blízce příbuzná s Flabellina a Paraflabellina ; a Tergipes spadá do toho, co je nyní Fionidae . Umístění Pteraeolidia jako blízce příbuzné Palisa a Austraeolis v rámci druhého facelinidního kladu je však v této studii nové a molekulární data zde prezentovaná podporují pozici Charcotia v sesterské skupině Aeolidida, jak již dříve naznačovaly morfologické práce .
I přes doplnění všech zde prezentovaných nových dat zůstává pozice Notaeolidia a Embletonia nejasná . Podpora přesných pozic těchto dvou rodů je slabá a zdá se, že tyto taxony přispívají k nízkým hodnotám bootstrapu na bázi Aeolidida. To může být způsobeno přitažlivostí dlouhých větví mezi Notaeolidia a Flabellinopsis iodinea , a mezi Embletonia a Unidentia. Morfologické analýzy však také podporují přinejmenším dřívější divergenci Notaeolidia v rámci Aeolidida . Nejistota obklopující příbuznost těchto čtyř taxonů má důsledky pro naše chápání evoluce cnidosaků.
Zjistili jsme také, že analýzy stromu jednotlivých genů (a analýza tří genů) jsou v souladu s předchozími rozsáhlými sekvenčními analýzami založenými na PCR . Tyto topologie a posteriorní pravděpodobnosti podporují myšlenku, že data sekvenování založená na PCR pro použité geny (COI, 16S a 18S) poskytují určitou užitečnost pro odvození nedávných divergencí, ale že pro odvození hlubších divergencí jsou nutná data vysoce výkonného sekvenování.
Evoluce hlístic
Sekvestrace nematocyst hlístic vznikla v rámci Cladobranchia na základě zde prezentované fylogeneze nejméně dvakrát (obr. 6). Tento výsledek také naznačuje, že druhy v rámci Aeolidida, které nesekvestrují nematocysty, tuto schopnost ztratily, k čemuž zřejmě došlo nejméně třikrát. Kromě toho je časná divergence Embletoniidae v rámci fylogeneze aeolidů sugestivní; naznačuje, že struktura v rámci Embletoniidae je cnidosak a že absence svaloviny kolem cnidosaku může představovat mezistupeň v evoluci sekvestrace kleptocnidy. Před dalšími závěry je však třeba silnější podpory pro vztahy na bázi Aeolidida. Naše výsledky také podporují několik nezávislých ztrát cnidosaku, a to i u příslušníků rodu Fiona a Tergipes. Zdá se, že je to způsobeno přechodem na lov převážně korýšů u rodu Fiona . Ke ztrátě cnidosaku u některých druhů rodu Tergipes mohl vést také přechod preferencí kořisti od hydroidů k jiným typům organismů .
Předpokládá se, že přítomnost vaku na distálním konci trávicí žlázy vznikla dříve než schopnost sekvestrovat nematocysty (obr. 6; šedý rámeček), ačkoli tento výsledek se opírá o hypotézu, že terminální vaky nalezené u Charcotiidae a Proctonotidae jsou homologické s vaky u Aeolidida. Podpora této hypotézy je velmi nízká, a proto se na základě naší rekonstrukce jeví jako nepravděpodobná. Nicméně terminální vaky u Charcotiidae a Proctonotidae jsou považovány za vylučovací struktury a někteří předpokládají, že aeolidní cnidosak je adaptací tohoto vaku pro obranu . Ačkoli homologie zůstává nejistá, naše rekonstrukce ancestrálního stavu tuto hypotézu o modifikaci, kdy distální váček byl exaptován k zachycování nematocyst, zcela nezavrhuje. K dalšímu ověření této hypotézy je zapotřebí více morfologických a molekulárních údajů z dalších druhů z kladů Charcotiidae + Proctonotidae + Dironidae, protože tento klad není v naší analýze dostatečně zastoupen, což může bránit evolučním závěrům.
Zdá se, že struktury podobné cnidosaku u Hancockiidae se vyvinuly nezávisle na distálním vaku jak u Aeolidida, tak u jejího sesterského kladu. To podporují zde prezentované fylogenetické analýzy i rozdíly v sekvestračním procesu mezi Hancockia a druhy Aeolida. Zdá se například, že druhy rodu Hancockia před transportem zapouzdřují nematocysty v lumen trávicího traktu , na rozdíl od aeolidů.
.