Der Nacktsack bei Cladobranchia
Vergleichende Anatomie des Nacktsacks
Vor der vorliegenden Studie wurden zahlreiche Annahmen über die Einheitlichkeit der Morphologie des Nacktsacks bei Cladobranchia, die Kleptocniden beherbergen, gemacht. Insbesondere Edmunds liefert Zeichnungen, die bei den Arten der Fionidae, Favorinidae, Facelinidae und Aeolidiidae bemerkenswert einheitlich sind, obwohl die Beschreibungen der Nackensäcke nicht der Hauptzweck dieser Veröffentlichung waren. Alle in dieser Arbeit abgebildeten Arten besitzen einen klaren Eingang, der die Verdauungsdrüse mit dem Nasenloch verbindet (obwohl in einigen Fällen eine leichte Verlängerung des Eingangs dargestellt ist, ähnlich einem Kanal), und einen deutlichen Ausgang an der Spitze des Ceras, der das Nasenloch mit der Außenwelt verbindet. Darüber hinaus sind alle Nasennebenhöhlen mit Kleptocniden ausgestattet, und auch die Darstellung der Muskulatur ist sehr einheitlich. Die bisher detaillierteste Studie über die Nacktsäcke der Aeoliden wurde von Kälker und Schmekel verfasst, beschreibt aber nicht hinreichend die Variationen, die in dieser Struktur bei den rund 600 Arten der Aeoliden zu finden sind.
In dieser Studie stellen wir fest, dass Länge, Größe und Struktur des Eingangs zum Nackensack stärker variieren, als aufgrund früherer Arbeiten zu erwarten war, ebenso wie die Struktur des Ausgangs oder der Nesselpore, die Muskulatur, die den Nackensack umgibt, und die Position und Ausrichtung der Kleptocniden . Es ist wichtig anzumerken, dass wir zwar ein breites Taxon-Sampling der morphologischen Merkmale des Nackensacks liefern, aber für viele Arten nur ein Exemplar für die Analyse zur Verfügung stand. Daher sind die Beobachtungen des Fehlens von Merkmalen in bestimmten Fällen mit Vorsicht zu genießen. Auf diese Taxa gehen wir weiter unten besonders ein.
In früheren Arbeiten wurde nur ein kurzer und einfacher Eingang zum Nasenbein (d. h. eine direkte Öffnung) beschrieben, was wahrscheinlich auf die Auswahl von Taxa zurückzuführen ist, die diese Bedingung einfach zufällig aufweisen. Unsere Arbeit legt nahe, dass dies der häufigste Übergang zwischen der Verdauungsdrüse und dem Nackensack ist. Hancock und Embleton erwähnen jedoch das Vorhandensein eines Flimmerkanals bei Aeolidia (= Eolis) papillosa, und Herdman und Clubb vermerken das Vorhandensein eines „langen, gebogenen Verbindungsgangs“ bei der heutigen Facelina bostoniensis (= Facelina drummondi). Einige wenige Taxa verfügen über einen Flimmerkanal, darunter Aeolidia papillosa, Cerberilla amboinensis, Cratena peregrina, Pteraeolidia ianthina und Paraflabellina ischitana . Da diese Taxa nicht eng miteinander verwandt sind, ist der Kanal unter den Taxa, die ihn besitzen, nicht homolog, was auf eine funktionelle Erklärung für sein Vorhandensein schließen lässt. Ursprünglich vermuteten wir, dass das Vorhandensein dieses länglichen Kanals mit der Größe der Kleptocniden zusammenhängt, da A. papillosa, C. amboinensis und P. ianthina alle größere Kleptocniden (> 20 μm lang) absondern. Dies wird jedoch von C. peregrina und P. ischitana nicht bestätigt, da diese Arten kleinere Nematocysten einlagern. In diesen Fällen könnte der Flimmerkanal ein Relikt einer früheren Ernährungsumstellung sein, aber die mögliche funktionelle Bedeutung des Flimmerkanals bleibt spekulativ.
Auch bei den Taxa, die eine Proliferationszone besitzen, gibt es kein einheitliches Muster im Vergleich zu denen, die keine besitzen. Die einzige Ausnahme ist das Fehlen einer Proliferationszone bei Taxa, die keine Nematocysten der Gattung Phyllodesmium sequestrieren. Die einzige Art innerhalb von Phyllodesmium, bei der wir eine Proliferationszone festgestellt haben, ist P. jakobsenae, die einzige Art von Phyllodesmium, von der bekannt ist, dass sie Kleptocniden beherbergt. Es ist noch unklar, warum einige Taxa eine Proliferationszone zu haben scheinen und andere nicht, aber wir vermuten, dass in einer kleinen Anzahl von Fällen Artefakte beim Schneiden einiger Proben zur Zerstörung dieser Region geführt haben (wahrscheinlich aufgrund von Schwierigkeiten bei der Konservierung), was zu Membranfragmenten und frei schwimmenden Kleptocniden innerhalb der Nackensäcke einiger Arten führt (z. B. Cratena peregrina; Abb. 4d). Um diesen Punkt zu klären, sollten mehr Individuen dieser Arten untersucht werden. Das offensichtliche Fehlen einer Proliferationszone könnte auch auf Unterschiede im Wachstumsstadium der untersuchten Individuen oder der Cerata zurückzuführen sein, falls sich welche im Regenerationsprozess befanden, aber wir fanden keine Hinweise, die eine dieser Hypothesen explizit unterstützen. Außerdem wurde das Vorhandensein dieser Region in mindestens einer früheren Studie erwähnt, aber nicht näher erläutert. In dieser Region werden die Nematozysten von den Nesselkäfern aufgenommen, bevor sie zum distalen Ende des Nesselhalses wandern. Die genaue Ausdehnung der Proliferationszone bleibt jedoch unklar. Bei einigen Arten scheint sie auf den Nackensack beschränkt zu sein (z. B. Pteraeolidia ianthina; Abb. 4a), bei anderen hingegen scheint sich diese Zone auf die angrenzenden Teile der Verdauungsdrüse auszudehnen (z. B. Dondice occidentalis; Abb. 4b). Bei der Mehrzahl der Taxa, die Nematozysten absondern, fanden wir nur sehr einfache Ausgänge aus dem Nackensack, der in einigen Fällen von einem dünnen Epithel bedeckt ist. Dieses Epithel enthält ähnliche Zellen wie die Epidermis der Cerata, die aus länglichen, säulenförmigen Zellen besteht, in denen sich viele spezialisierte Vakuolen befinden. Einfache Ausgänge sind am häufigsten, sowohl in unserer Studie als auch anscheinend in anderen. Bei einigen ausgewählten Taxa innerhalb der Aeolidiidae, darunter Aeolidia papillosa, Anteaeolidiella chromosoma und Cerberilla amboinensis, ist jedoch eine komplexe Nesselpore vorhanden (Abb. 4c). Sie trägt eine Epithelauskleidung, die mit der Epidermis durchgängig zu sein scheint. Diese Struktur wurde bereits früher identifiziert, wurde aber einfach als eine Zone undifferenzierter Zellen betrachtet, von der man annahm, dass sie als Reserve für verlorene Nesselzellen dient. Aufgrund der Lage am distalen Ende des Nesselsacks und als Teil der Nesselpore vermuten wir jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Stattdessen vermuten wir, dass diese Zellschicht eine spezielle Anpassung für die Freisetzung der außergewöhnlich langen und schmalen Nematocysten ist, die von Anemonen abgesondert werden (bis zu 50-60 μm lang, aber < 5 μm breit). Der Begriff Nesselpore wurde bisher unkritisch für alle Ausgänge des Nackensacks verwendet, aber wir definieren den Begriff Nesselpore hier neu, um die Struktur zu bezeichnen, die bisher nur bei den Aeolidiidae gefunden wurde.
Obwohl die Muskulatur um den Nackensack auch bei den Aeolidida variiert, ist die Bedeutung dieser Variation unklar. Die Muskulatur um den Nackensack ist nur bei wenigen Arten sehr dünn oder fehlt ganz, darunter Embletonia gracilis, Embletonia pulchra und Bulbaeolidia alba. Die Dicke der Muskulatur variiert von Art zu Art und reicht von einer bis zu mehreren Schichten, wenn sie vorhanden ist. Diese Variation in der Dicke der Muskulatur wird in einer früheren Studie veranschaulicht, wenn auch nicht so genau, wie wir es hier zeigen (Tabelle 3). Es gibt keine offensichtliche evolutionäre Erklärung für die Variation der Muskeldicke oder der Anzahl der Muskelschichten zwischen den Taxa, aber eine dickere Muskelschicht würde wahrscheinlich zu einem kräftigeren Ausstoß der Kleptocniden führen. Eine stärkere Muskulatur könnte mit dem Prädationsdruck, der Größe der aufgenommenen Kleptocniden oder dem Entwicklungsstadium zusammenhängen. Die Aufnahme zusätzlicher Individuen von jeder Art und in verschiedenen Entwicklungsstadien sowie Messungen der Kleptocnidengröße und der Muskeldicke wären für die Bewertung dieser Hypothesen von Vorteil.
Die Differenzierung der Nesseltiere von einer funktionalen, aktiven Zelle in einen „Behälter oder Vorratsbehälter“ von Kleptocniden an der Spitze des Nabelsacks spiegelt die Reifung der Kleptocniden über den Protonentransport wider, die unreif und nicht funktionsfähig sind, wenn sie zum ersten Mal sequestriert werden. Nach der Reifung scheinen die Zellen aufgrund der Verringerung der Zellkomplexität keine Funktion mehr zu haben. Frühere Forscher haben versucht, den Ursprung der Membran des Nesselwurms zu klären, und sind kürzlich zu dem Schluss gekommen, dass es sich um ein Phagosom handelt, ein spezialisiertes Vesikel, das von der Zellmembran gebildet wird. Innerhalb der Nesseltiere kann die Anzahl der Kleptocniden sowohl innerhalb als auch zwischen den Taxa variieren. Dies scheint mit der Größe der Kleptocniden zusammenzuhängen; es gibt tendenziell weniger große Kleptocniden (> 20 μm Länge) innerhalb eines bestimmten Nesselkäfers im Vergleich zu solchen mit kleineren Kleptocniden (normalerweise 10 μm oder weniger). Ein Beispiel hierfür ist Pteraeolidia ianthina (Abb. 4a), die Nematocysten mehrerer Größenklassen beherbergt.
Abweichungen vom allgemeinen Thema
Die in dieser Studie untersuchten morphologischen Merkmale scheinen innerhalb der Familien recht variabel zu sein, aber die meisten Nesselzellen variieren im Allgemeinen nach einem Thema, das in allen Aeolidida konserviert ist. Es gibt jedoch auch andere, die bestimmte Nackensackstrukturen verloren haben oder bei denen der Nackensack ganz verschwunden ist. Man könnte die Hypothese aufstellen, dass die Nackensäcke die Verbindung zur Verdauungsdrüse oder zur Muskulatur, die den Nackensack umgibt, verlieren, wenn keine Nematozysten mehr eingeschlossen sind. So besitzen beispielsweise Arten der Gattung Phyllodesmium (mit Ausnahme von P. jakobsenae) muskelgebundene Nackensäcke, die keine Kleptocniden zu haben scheinen, aber es gibt keine offensichtlichen Eingänge zum Verdauungsdivertikel oder Ausgänge zur äußeren Umgebung. Vielmehr lagern diese Arten Chemikalien zur Verteidigung ein und benötigen daher nicht unbedingt einen strukturierten Eingang. In dieser Hinsicht ähneln die Nackensäcke von Phyllodesmium möglicherweise den Mantelhautformationen der Charcotiidae, die keinen Ausgang haben, aber ihren Inhalt freisetzen, wenn sie zusammengedrückt werden. Bei den Arten der Gattung Favorinus ist die Gesamtstruktur des Nackensacks (einschließlich der Öffnung der Verdauungsdrüse und der Muskeln um den Nackensack herum) zwar gleich, aber es sind keine Kleptocniden vorhanden, da sich diese Arten gerne von den Eiern anderer Schnecken ernähren. Obwohl es möglich ist, dass das Fehlen von Kleptocniden auf eine hypothetische Neigung von Phyllodesmium und Favorinus zurückzuführen ist, während des Fixierungsprozesses Nematocysten auszustoßen, halten wir dies für unwahrscheinlich. Zum einen scheinen die Mitglieder von Phyllodesmium ein intaktes Epithel zu haben, von dem man erwarten könnte, dass es die Kleptocniden ausstößt. Würden die Kleptocniden während der Fixierung ausgestoßen, wären die Ceras mit einer Öffnung in der Spitze fixiert. Darüber hinaus ist das Fehlen von Kleptocniden insbesondere bei Phyllodesmium gut dokumentiert (mit Ausnahme von P. jakobsenae). Bei Favorinus ist es möglich, dass dies der Fall ist, da das Epithel an der Spitze der Cerata offen ist (z. B. Abb. 2c), aber das Fehlen von Kleptocniden steht im Einklang mit der Gewohnheit der Mitglieder dieser Gattung, Schneckeneier zu fressen.
Noch mehr Variationen dieses Themas finden sich bei Bulbaeolidia alba, Embletonia spp. und Arten innerhalb der Gattung Fiona. Bulbaeolidia alba hat einen Sack am distalen Ende der Verdauungsdrüse, der nur gelegentlich Zooxanthellen (Symbiodinium) enthält. Außerdem konnten wir keinen offensichtlichen Ein- oder Ausgang zum oder vom Beutel finden, und die Struktur scheint von einigen dünnen Muskelfasern umgeben zu sein. Wir stellten die Hypothese auf, dass das Fehlen von Kleptocniden auf die sehr geringe Größe von B. alba zurückzuführen sein könnte, die daher einen geringeren Verteidigungsbedarf haben könnte, aber auch kleinere Taxa innerhalb der Gattungen Embletonia und Pseudovermis besitzen Kleptocnide. Alternativ stellen wir die Hypothese auf, dass die fehlende Sequestrierung mit der Größe oder dem Nutzen der Nematocysten in den Anemonen, von denen sich diese Art ernährt, zusammenhängen könnte. Eine dritte Möglichkeit ist, dass B. alba stattdessen andere natürliche Verbindungen in diesem Beutel beherbergt, die entweder von seiner Beute stammen, wie bei Phyllodesmium, oder von ihm selbst produziert werden. Auch hier ist es möglich, dass das Fehlen von Kleptocniden bei B. alba ein Artefakt der geringen Stichprobengröße ist, aber wie bei Phyllodesmium konnten keine Hinweise auf eine Extrusion gefunden werden. Die Mitglieder der Embletoniidae scheinen die Muskulatur, die den Nackensack umgibt, im Laufe der Evolution vollständig verloren zu haben oder stellen einen Zwischenschritt in der Evolution des Nackensacks dar, wie im Abschnitt über die Evolution des Nackensacks weiter unten erläutert wird. Bei diesen Taxa gibt es auch keinen offensichtlichen Eingang oder Ausgang zum und vom Nasenbein. Schließlich haben einige Arten der Fionidae innerhalb der Gattung Fiona (diese Studie) die Nackensäcke ganz verloren, anscheinend weil die Arten dieser Gattung nicht-nidarische Beute bevorzugen.
Eingesperrte Nematocysten wurden auch in einer anderen Familie innerhalb der Cladobranchia, den Hancockiidae, gefunden. Bei Hancockia californica sehen wir Strukturen, die den Nesselzellen sehr ähnlich sind (die wir als nesselzellenähnlich bezeichnen), mit Kleptocniden, die in nesselzellenähnlichen Zellen in mehreren Muskelsäcken an der Spitze jeder Nesselzelle untergebracht sind. Diese Strukturen wurden auch bei Hancockia uncinata und H. schoeferti gefunden, und in einigen Fällen wurden cnidosac-ähnliche Strukturen sowohl in den Cerata als auch in den rhinophoralen Hüllen gefunden. Homologie-Schlussfolgerungen bezüglich der bei den Hancockiidae und den Aeolidida gefundenen Strukturen werden im nächsten Abschnitt erörtert.
Phylogenie der Cladobranchia und Evolution des Nackensackes
Phylogenetische Schlussfolgerungen
Da ein Großteil der hier einbezogenen molekularen Daten aus bereits veröffentlichten Studien stammt, stimmt die in unserer phylogenetischen Analyse (Abbildung 5) abgeleitete Topologie mit der in den beiden jüngsten phylogenomischen Studien gefundenen überein. Diese Arbeit erweitert jedoch die früheren Ergebnisse, indem sie Taxa einbezieht, die in den jüngsten phylogenomischen Studien nicht analysiert wurden, nämlich Taxa aus den Gattungen Phyllodesmium, Caloria, Pruvotfolia, Pteraeolidia, Cratena, Facelina, Glaucus, Calmella, Piseinotecus, Tergipes, Notaeolidia, Embletonia und Charcotia. Die meisten dieser Arten gehören zu den Kladen, die wir aufgrund früherer molekularer Untersuchungen erwarten würden: Phyllodesmium ist eng verwandt mit Dondice innerhalb der facelinidischen Klade, die Schwester der Aeolidiidae ist; Caloria wird innerhalb der zweiten facelinidischen Klade unterstützt und ist eng verwandt mit Arten von Pruvotfolia; Facelina, Glaucus und Cratena sind innerhalb der zweiten facelinidischen Klade eng verwandt; Calmella ist eng verwandt mit Flabellina und Paraflabellina; und Tergipes fällt in das, was jetzt Fionidae ist. Die Platzierung von Pteraeolidia als eng verwandt mit Palisa und Austraeolis innerhalb der zweiten Facelinidengruppe ist jedoch neu in dieser Studie, und die hier vorgestellten molekularen Daten unterstützen die Position von Charcotia innerhalb der Schwestergruppe der Aeolidida, wie zuvor durch morphologische Arbeiten vorgeschlagen.
Trotz der Hinzufügung aller hier vorgestellten neuen Daten bleibt die Position von Notaeolidia und Embletonia unklar. Die exakte Position dieser beiden Gattungen wird kaum unterstützt, und diese Taxa scheinen zu den niedrigen Bootstrap-Werten an der Basis der Aeolidida beizutragen. Dies könnte auf die Anziehungskraft langer Zweige zwischen Notaeolidia und Flabellinopsis iodinea sowie zwischen Embletonia und Unidentia zurückzuführen sein. Morphologische Analysen sprechen jedoch auch für eine frühere Divergenz von Notaeolidia innerhalb der Aeolidida. Die Ungewissheit über die Zugehörigkeit dieser vier Taxa hat Auswirkungen auf unser Verständnis der Evolution des Nesselsacks.
Wir stellen außerdem fest, dass die Analysen der einzelnen Genbäume (und die Analyse der drei Gene) mit früheren groß angelegten PCR-basierten Sequenzanalysen übereinstimmen. Diese Topologien und posterioren Wahrscheinlichkeiten unterstützen die Idee, dass PCR-basierte Sequenzierungsdaten für die verwendeten Gene (COI, 16S und 18S) einen gewissen Nutzen für die Ableitung jüngster Divergenzen bieten, dass aber Hochdurchsatz-Sequenzierungsdaten für die Ableitung tieferer Divergenzen erforderlich sind.
Evolution der Nesseltiere
Die Sequestrierung von Nesseltier-Nematocysten hat sich nach der hier vorgestellten Phylogenie mindestens zweimal innerhalb der Cladobranchia entwickelt (Abb. 6). Dieses Ergebnis deutet auch darauf hin, dass Arten innerhalb der Aeolidida, die keine Nematocysten sequestrieren, diese Fähigkeit verloren haben, was mindestens dreimal geschehen zu sein scheint. Darüber hinaus ist die frühe Divergenz der Embletoniidae innerhalb der Aeolidida-Phylogenie aufschlussreich; sie deutet darauf hin, dass es sich bei der Struktur innerhalb der Embletoniidae um einen Nackensack handelt und dass das Fehlen von Muskulatur um den Nackensack herum einen Zwischenschritt in der Evolution der Kleptocnidensequestrierung darstellen könnte. Bevor jedoch weitere Schlussfolgerungen gezogen werden können, sind stärkere Belege für die Verwandtschaft an der Basis der Aeolidida erforderlich. Unsere Ergebnisse belegen auch mehrere unabhängige Verluste des Nackens, unter anderem bei Mitgliedern von Fiona und Tergipes. Dies scheint darauf zurückzuführen zu sein, dass Fiona sich hauptsächlich auf Crustacea verlegt hat. Eine Umstellung der Beutepräferenz von Hydroiden auf andere Arten von Organismen könnte ebenfalls zum Verlust der Nackensäcke bei einigen Arten von Tergipes geführt haben.
Das Vorhandensein eines Beutels am distalen Ende der Verdauungsdrüse ist vermutlich vor der Fähigkeit entstanden, Nematozysten abzusondern (Abbildung 6; grauer Kasten), obwohl dieses Ergebnis auf der Hypothese beruht, dass die terminalen Beutel, die bei Charcotiidae und Proctonotidae gefunden wurden, homolog zu denen bei Aeolidida sind. Die Unterstützung für diese Hypothese ist sehr gering und erscheint daher auf der Grundlage unserer Rekonstruktion unwahrscheinlich. Allerdings wird angenommen, dass die Endsäcke der Charcotiidae und Proctonotidae als Ausscheidungsstrukturen fungieren, und einige haben die Hypothese aufgestellt, dass der Nackensack der Aeolidida eine Anpassung dieser Säcke für die Verteidigung ist. Obwohl die Homologie ungewiss bleibt, schließt unsere Rekonstruktion des Urzustandes diese Modifikationshypothese nicht völlig aus, wonach der distale Sack zur Abscheidung von Nematozysten angepasst wurde. Weitere morphologische und molekulare Daten von zusätzlichen Arten in der Klade Charcotiidae + Proctonotidae + Dironidae sind notwendig, um diese Hypothese weiter zu testen, da diese Klade in unserer Analyse nicht gut vertreten ist, was evolutionäre Rückschlüsse erschweren kann.
Die Nabelsack-ähnlichen Strukturen in den Hancockiidae scheinen sich unabhängig vom distalen Sack sowohl in Aeolidida als auch in der Schwesterklade entwickelt zu haben. Dies wird durch die hier vorgestellten phylogenetischen Analysen sowie durch die Unterschiede im Sequestrationsprozess zwischen Hancockia und den Aeolidida-Arten bestätigt. Beispielsweise scheinen Hancockia-Arten die Nematozysten vor dem Transport im Lumen des Verdauungstrakts einzukapseln, im Gegensatz zu den Aeoliden.