Le cnidosac chez les Cladobranchia
Anatomie comparative du cnidosac
Avant la présente étude, de nombreuses hypothèses ont été formulées sur l’uniformité de la morphologie du cnidosac chez les cladobranches qui hébergent des kleptocnides . Edmunds, en particulier, fournit des dessins qui sont remarquablement cohérents entre les espèces de Fionidae, Favorinidae, Facelinidae et Aeolidiidae, bien que la description des cnidosacs ne soit pas le but premier de cette publication. Toutes les espèces illustrées dans cet ouvrage possèdent une entrée claire reliant la glande digestive au cnidosac (bien que dans certains cas une légère élongation de l’entrée soit représentée, semblable à un canal) et une sortie distincte à l’extrémité du ceras reliant le cnidosac à l’extérieur. En outre, tous les cnidosacs sont représentés comme possédant des kleptocnides, et la façon dont la musculature est présentée est également très uniforme. L’étude la plus détaillée sur les cnidosacs aéoliens, jusqu’à présent, a été écrite par Kälker et Schmekel, mais elle n’a pas suffisamment décrit la variation qui peut être trouvée dans cette structure à travers les quelque 600 espèces d’aéoliens. En outre, les travaux sur les structures de type cnidosac chez Hancockia spp. n’ont commencé que récemment.
Dans cette étude, nous constatons que la longueur, la taille et la structure de l’entrée du cnidosac varient plus que prévu sur la base des travaux antérieurs, tout comme la structure de la sortie, ou cnidopore, la musculature entourant le cnidosac, et la position et l’orientation des kleptocnides . Il est important de noter que bien que nous fournissions un large échantillonnage de taxons des caractères morphologiques du cnidosac, pour de nombreuses espèces, seul un spécimen était disponible pour l’analyse. Ainsi, les observations d’absence dans certains cas doivent être prises avec précaution. Nous discutons ces taxons en particulier ci-dessous.
Les travaux précédents ne présentent qu’une entrée courte et simple du cnidosac (c’est-à-dire une ouverture directe) , probablement en raison de la sélection de taxons qui possèdent cette condition simplement par hasard. Notre travail suggère que c’est la transition la plus commune entre la glande digestive et le cnidosac. Cependant, Hancock et Embleton mentionnent la présence d’un canal cilié chez Aeolidia (= Eolis) papillosa et Herdman et Clubb notent la présence d’un « long conduit de connexion incurvé » chez ce qui est maintenant Facelina bostoniensis (= Facelina drummondi). Quelques taxons possèdent un canal cilié, dont Aeolidia papillosa, Cerberilla amboinensis, Cratena peregrina, Pteraeolidia ianthina, et Paraflabellina ischitana . Ces taxons ne sont pas étroitement apparentés, et le canal n’est donc pas homologue parmi les taxons qui le possèdent, ce qui suggère une explication fonctionnelle de sa présence. Nous avons initialement soupçonné que la présence de ce canal allongé était liée à la taille des kleptocnides, car A. papillosa, C. amboinensis et P. ianthina séquestrent tous des kleptocnides plus grands (> 20 μm de longueur). Cependant, ceci n’est pas soutenu par C. peregrina et P. ischitana, car ces espèces séquestrent des nématocystes plus petits. Dans ces cas, le canal cilié peut être une relique d’un changement ancestral de régime alimentaire, mais l’éventuelle signification fonctionnelle du canal cilié reste spéculative.
De même, il n’y a pas de modèle cohérent parmi les taxons qui possèdent une zone de prolifération par rapport à ceux qui n’en possèdent pas. La seule exception est l’absence d’une zone de prolifération chez les taxons qui ne séquestrent pas les nématocystes du genre Phyllodesmium. La seule espèce de Phyllodesmium dans laquelle nous avons identifié une zone de prolifération est P. jakobsenae, qui est la seule espèce de Phyllodesmium connue pour abriter des kleptocnides. Il n’est toujours pas clair pourquoi certains taxons semblent avoir une zone de prolifération alors que d’autres n’en ont pas, mais nous soupçonnons que dans un petit nombre de cas, des artefacts de la section de certains échantillons ont conduit à la destruction de cette région (probablement en raison de difficultés de conservation), ce qui conduit à des fragments de membrane et à des kleptocnides flottant librement dans les cnidosacs de certaines espèces (par exemple, Cratena peregrina ; Fig. 4d). Pour aborder ce point, un plus grand nombre d’individus de ces espèces devraient être étudiés. L’absence apparente d’une zone de prolifération peut également être due à des différences dans le stade de croissance des individus étudiés, ou des cérates si certaines étaient en cours de régénération, mais nous n’avons trouvé aucune preuve qui soutienne explicitement l’une ou l’autre de ces hypothèses. En outre, au moins une étude précédente a mentionné la présence de cette région, mais elle n’a pas été discutée en détail. Cette région est l’endroit où les nématocystes sont pris en charge par les cnidophages avant qu’ils ne migrent vers l’extrémité distale du cnidosac. Cependant, l’étendue précise de la zone de prolifération reste floue. Chez certaines espèces, elle semble être limitée au cnidosac (par exemple, Pteraeolidia ianthina ; Fig. 4a), mais chez d’autres, cette zone semble s’étendre aux parties adjacentes de la glande digestive (par exemple, Dondice occidentalis ; Fig. 4b). Chez la majorité des taxons qui séquestrent les nématocystes, nous n’avons trouvé que des sorties très simples du cnidosac, qui dans certains cas est recouvert d’un épithélium mince. Ce revêtement contient des cellules similaires à celles de l’épiderme des cérates, qui est composé de cellules cylindriques allongées avec ce qui semble être de nombreuses vacuoles spécialisées. Les sorties simples sont les plus courantes, aussi bien dans notre étude que, semble-t-il, chez d’autres. Cependant, chez quelques taxons sélectionnés parmi les Aeolidiidae, dont Aeolidia papillosa, Anteaeolidiella chromosoma et Cerberilla amboinensis, un cnidopore complexe est présent (Fig. 4c). Il porte un revêtement épithélial qui semble continu avec celui de l’épiderme. Cette structure a déjà été identifiée auparavant, mais elle était simplement considérée comme une zone de cellules indifférenciées qui devait servir de réserve pour les cnidophages perdus. Cependant, en raison de son emplacement à l’extrémité distale du cnidosac, et en tant que partie du cnidopore, nous soupçonnons que ce n’est pas le cas. Au lieu de cela, nous supposons que cette couche cellulaire est une adaptation spéciale pour libérer les nématocystes exceptionnellement longs et étroits séquestrés des anémones (jusqu’à 50-60 μm de longueur, mais < 5 μm de largeur). Le terme cnidopore a précédemment été utilisé sans critique pour désigner toutes les sorties du cnidosac , mais nous redéfinissons maintenant le terme cnidopore ici pour désigner la structure jusqu’à présent uniquement trouvée chez les Aeolidiidae.
Bien que la musculature entourant le cnidosac varie également chez les Aeolidida, la signification de cette variation n’est pas claire. La musculature autour du cnidosac est très mince ou absente entièrement chez quelques espèces seulement, notamment Embletonia gracilis, Embletonia pulchra et Bulbaeolidia alba. Lorsqu’il est présent, l’épaisseur du muscle varie selon les espèces, allant de ce qui semble être une à plusieurs couches. Cette variation de l’épaisseur de la musculature est illustrée dans une étude précédente, mais pas aussi précisément que nous l’indiquons ici (Tableau 3). Il n’y a pas d’explication évolutive évidente pour la variation de l’épaisseur des muscles ou du nombre de couches musculaires entre les taxons, mais une couche musculaire plus épaisse entraînerait probablement une expulsion plus puissante des kleptocnides. L’augmentation de la musculature pourrait être associée à la pression de prédation, à la taille des kleptocnides incorporés ou au stade de développement. L’incorporation d’individus supplémentaires de chaque espèce, et à différents stades de développement, ainsi que des mesures de la taille des kleptocnides et de l’épaisseur des muscles seraient bénéfiques pour évaluer ces hypothèses.
La différenciation des cnidophages d’une cellule fonctionnelle et active en un « récipient ou garde-manger » de kleptocnides à l’extrémité du cnidosac reflète la maturation des kleptocnides via le transport de protons, qui sont immatures et non fonctionnels lorsqu’ils sont d’abord séquestrés . Après la maturation, les cellules semblent ne plus avoir de fonction en raison de la réduction de la complexité cellulaire. Des chercheurs ont tenté de déterminer l’origine de la membrane du cnidophage et ont récemment conclu qu’il s’agissait d’un phagosome, une vésicule spécialisée formée par la membrane cellulaire. Dans les cnidophages, le nombre de kleptocnides peut varier au sein d’un même taxon et entre les taxons. Cela semble être associé à la taille des kleptocnides ; il y a généralement moins de grands kleptocnides (> 20 μm de longueur) au sein d’un cnidophage donné par rapport à ceux dont les kleptocnides sont plus petits (généralement 10 μm ou moins). Un exemple peut être trouvé chez Pteraeolidia ianthina (Fig. 4a), qui séquestre des nématocystes de plusieurs classes de taille.
Divergences par rapport au thème général
Les caractères morphologiques évalués dans cette étude semblent être assez variables au sein des familles, mais la plupart des cnidosacs varient généralement sur un thème qui est conservé à travers les Aeolidida. Cependant, il y en a encore d’autres qui ont perdu des structures cnidosac particulières ou qui ont perdu le cnidosac tout court. On pourrait émettre l’hypothèse que les cnidosacs perdent la connexion avec la glande digestive ou la musculature entourant le cnidosac lorsqu’aucun nématocyste n’est séquestré. Par exemple, les espèces du genre Phyllodesmium (à l’exception de P. jakobsenae) possèdent des cnidosacs liés aux muscles qui semblent être dépourvus de kleptocnides, mais il n’y a pas d’entrées évidentes vers le diverticule digestif ou de sorties vers l’environnement externe. Ces espèces séquestrent plutôt des produits chimiques pour se défendre, et n’ont donc pas nécessairement besoin d’une entrée structurée. De cette façon, les cnidosacs de Phyllodesmium peuvent être similaires aux formations dermiques du manteau des Charcotiidae, qui n’ont pas de sortie mais libèrent leur contenu lorsqu’ils sont comprimés. Cependant, chez les espèces du genre Favorinus, la structure globale du cnidosac (y compris l’ouverture de la glande digestive et les muscles autour du cnidosac) reste la même, mais aucun kleptocnide n’est présent en raison du penchant de ces espèces à se nourrir des œufs d’autres gastéropodes . Bien qu’il soit possible que l’absence de kleptocnides puisse provenir d’une hypothétique propension chez Phyllodesmium et Favorinus à décharger des nématocystes pendant le processus de fixation, nous suggérons que cela est peu probable. D’une part, les membres de Phyllodesmium semblent avoir un épithélium intact où l’on aurait pu s’attendre à ce que les kleptocnides soient éjectés. Si les kleptocnides étaient éjectés pendant la fixation, les cérastes seraient fixés avec une ouverture à l’extrémité. En outre, l’absence de kleptocnides chez Phyllodesmium en particulier est également bien documentée (à l’exception de P. jakobsenae) . Chez Favorinus, il est possible que ce soit le cas, étant donné l’épithélium ouvert à l’extrémité des cérates (par exemple, Fig. 2c), mais l’absence de kleptocnides est cohérente avec l’habitude des membres de ce genre de manger des œufs de gastéropodes.
On trouve encore plus de variations sur ce thème chez Bulbaeolidia alba, Embletonia spp, et les espèces du genre Fiona. Bulbaeolidia alba possède un sac à l’extrémité distale de la glande digestive qui ne contient que des zooxanthelles occasionnelles (Symbiodinium). De plus, nous n’avons pas trouvé d’entrée ou de sortie évidente du sac, et la structure semble être entourée de quelques fines fibres musculaires. Nous avons émis l’hypothèse que l’absence de kleptocnides peut être due à la très petite taille de B. alba, qui pourrait donc avoir un besoin de défense plus faible, mais même les taxons plus petits des genres Embletonia et Pseudovermis possèdent des kleptocnides. Alternativement, nous supposons que le manque de séquestration peut être lié à la taille ou à l’utilité des nématocystes trouvés dans les anémones dont cette espèce se nourrit. Une troisième alternative est que B. alba héberge plutôt d’autres composés naturels dans ce sac, soit de sa proie comme dans Phyllodesmium ou produit de novo. Encore une fois, il est possible que le manque de kleptocnides chez B. alba soit un artefact de la petite taille de l’échantillon, mais comme Phyllodesmium, aucune preuve d’extrusion n’a pu être trouvée. Les membres des Embletoniidae semblent avoir évolué en perdant complètement la musculature entourant le cnidosac ou représentent une étape intermédiaire dans l’évolution du cnidosac, comme discuté dans la section évolution du cnidosac ci-dessous. Il n’y a pas non plus d’entrée ou de sortie évidente vers et depuis le cnidosac chez ces taxons. Enfin, certaines espèces de Fionidae au sein du genre Fiona (cette étude) ont entièrement perdu les cnidosacs, ostensiblement parce que les espèces de ce genre préfèrent des proies non nidariens .
Des nématocystes séquestrés ont également été trouvés dans une autre famille de Cladobranchia, Hancockiidae. On observe chez Hancockia californica des structures très similaires aux cnidosacs (que nous appelons cnidosac-like), avec des kleptocnides logés dans des cellules de type cnidophage dans de multiples sacs musculaires à l’extrémité de chaque ceras. Ces structures ont également été trouvées chez Hancockia uncinata et H. schoeferti , et dans certains cas, des structures de type cnidosac ont été trouvées à la fois dans les ceras et les gaines rhinophorales. Les inférences d’homologie concernant les structures trouvées chez les Hancockiidae et celles des Aeolidida sont discutées dans la section suivante.
Phylogénie des Cladobranchia et évolution du cnidosac
Inférences phylogénétiques
Compte tenu du fait qu’une grande partie des données moléculaires incluses ici sont dérivées d’études publiées précédemment, la topologie déduite dans notre analyse phylogénétique (Figure 5) est cohérente avec celle trouvée dans les deux études phylogénomiques récentes . Cependant, ce travail étend les résultats précédents en incluant des taxons qui n’ont pas été analysés dans les études phylogénomiques récentes, à savoir les taxons des genres Phyllodesmium, Caloria, Pruvotfolia, Pteraeolidia, Cratena, Facelina, Glaucus, Calmella, Piseinotecus, Tergipes, Notaeolidia, Embletonia, et Charcotia. La majorité d’entre eux se situent dans les clades auxquels nous nous attendions sur la base de travaux moléculaires antérieurs : Phyllodesmium est étroitement lié à Dondice au sein du clade des facelinidés qui est frère des Aeolidiidae ; Caloria est soutenu au sein du deuxième clade des facelinidés et est étroitement lié aux espèces de Pruvotfolia ; Facelina, Glaucus et Cratena sont étroitement liés au sein du deuxième clade des facelinidés ; Calmella est étroitement lié à Flabellina et Paraflabellina ; et Tergipes tombe dans ce qui est maintenant Fionidae . Cependant, le placement de Pteraeolidia comme étroitement lié à Palisa et Austraeolis au sein du deuxième clade de facelinidés est nouveau pour cette étude, et les données moléculaires présentées ici soutiennent la position de Charcotia au sein du groupe frère des Aeolidida, comme suggéré précédemment par le travail morphologique .
Malgré l’ajout de toutes les nouvelles données présentées ici, les positions de Notaeolidia et Embletonia restent peu claires . Le soutien pour les positions exactes de ces deux genres est faible, et ces taxons semblent contribuer aux faibles valeurs bootstrap à la base des Aeolidida. Cela peut être dû à l’attraction des branches longues entre Notaeolidia et Flabellinopsis iodinea , et entre Embletonia et Unidentia. Cependant, les analyses morphologiques soutiennent également au moins la divergence antérieure de Notaeolidia au sein d’Aeolidida . L’incertitude entourant les affinités de ces quatre taxons a des implications pour notre compréhension de l’évolution du cnidosac.
Nous constatons également que les analyses de l’arbre des gènes individuels (et l’analyse des trois gènes) sont cohérentes avec les analyses antérieures à grande échelle des séquences basées sur la PCR . Ces topologies et probabilités postérieures soutiennent l’idée que les données de séquençage basées sur la PCR pour les gènes utilisés (COI, 16S et 18S) fournissent une certaine utilité pour inférer des divergences récentes, mais que les données de séquençage à haut débit sont nécessaires pour inférer des divergences plus profondes.
Évolution des nématocystes cnidaires
La séquestration des nématocystes cnidaires a pris naissance au moins deux fois au sein de Cladobranchia sur la base de la phylogénie présentée ici (Fig. 6). Ce résultat indique également que les espèces d’Aeolidida qui ne séquestrent pas les nématocystes ont perdu cette capacité, ce qui semble s’être produit au moins trois fois. En outre, la divergence précoce des Embletoniidae au sein de la phylogénie des Aeolidida est suggestive ; elle indique que la structure au sein des Embletoniidae est un cnidosac, et que l’absence de musculature autour du cnidosac peut représenter une étape intermédiaire dans l’évolution de la séquestration des kleptocnides. Cependant, un soutien plus fort pour les relations à la base des Aeolidida est nécessaire avant que d’autres inférences puissent être faites. Nos résultats soutiennent également plusieurs pertes indépendantes du cnidosac, y compris chez les membres de Fiona et Tergipes. Cela semble être dû à une transition vers une prédation principalement sur les Crustacés chez Fiona . Une transition de préférence de proie des hydroïdes à d’autres types d’organismes peut également avoir conduit à la perte de cnidosacs chez certaines espèces de Tergipes .
La présence d’un sac à l’extrémité distale de la glande digestive est supposée être née avant la capacité à séquestrer les nématocystes (Figure 6 ; encadré gris), bien que ce résultat repose sur l’hypothèse que les sacs terminaux trouvés chez les Charcotiidae et Proctonotidae sont homologues à ceux des Aeolidida. Le soutien pour cette hypothèse est très faible, et semble donc peu probable sur la base de notre reconstruction. Cependant, les sacs terminaux des Charcotiidae et des Proctonotidae sont considérés comme des structures excrétrices, et certains ont émis l’hypothèse que le cnidosac des Aeolidida est une adaptation de ce sac pour la défense . Bien que l’homologie reste incertaine, notre reconstruction de l’état ancestral ne rejette pas complètement cette hypothèse de modification, dans laquelle le sac distal a été adapté pour séquestrer les nématocystes. Plus de données morphologiques et moléculaires provenant d’espèces supplémentaires dans le clade Charcotiidae + Proctonotidae + Dironidae sont nécessaires pour tester davantage cette hypothèse, car ce clade n’est pas bien représenté dans notre analyse, ce qui peut entraver les inférences évolutives.
Les structures de type cnidosac chez les Hancockiidae semblent avoir évolué indépendamment du sac distal à la fois chez les Aeolidida et son clade frère. Ceci est soutenu par les analyses phylogénétiques présentées ici ainsi que par les différences dans le processus de séquestration entre Hancockia et les espèces d’aeolides. Par exemple, il semble que les espèces d’Hancockia encapsulent les nématocystes dans la lumière du tube digestif avant le transport , contrairement aux aeolides.