The cnidosac in Cladobranchia
Comparative anatomy of the cnidosac
A jelen tanulmányt megelőzően számos feltételezés született a kleptocnidákat hordozó kladobranchák között a cnidosac morfológiájának egységességéről . Edmunds különösen a Fionidae, Favorinidae, Facelinidae és Aeolidiidae fajok között figyelemre méltóan egységes rajzokat közöl, bár a cnidosac leírása nem volt elsődleges célja ennek a publikációnak. Az abban a munkában bemutatott valamennyi faj rendelkezik egy egyértelmű bejárattal, amely az emésztőmirigyet a cnidosac-kal köti össze (bár néhány esetben a bejárat enyhe megnyúlását ábrázolják, hasonlóan egy csatornához), és egy határozott kijárattal a cerák csúcsán, amely a cnidosac-ot a külvilággal köti össze. Ezenfelül minden cnidosacsot kleptocnidákkal ábrázolnak, és az izomzat ábrázolásmódja is nagyon egységes. Az aeolid cnidosacsokról szóló eddigi legrészletesebb tanulmányt Kälker és Schmekel írta, de nem írta le kellőképpen azt a változatosságot, amely ebben a szerkezetben a mintegy 600 aeolid faj között megtalálható. Ráadásul a Hancockia spp. cnidosac-szerű szerkezeteivel kapcsolatos munka csak a közelmúltban kezdődött .
Ebben a tanulmányban azt találtuk, hogy a cnidosac bejáratának hossza, mérete és szerkezete jobban változik, mint ahogy a korábbi munkák alapján vártuk, akárcsak a kijárat, vagy cnidopórus szerkezete, a cnidosacot körülvevő izomzat, valamint a kleptocnidák helyzete és orientációja . Fontos megjegyezni, hogy bár a cnidosac morfológiai jellemzőiről széles taxonmintát adtunk, sok faj esetében csak egy példány állt rendelkezésre az elemzéshez. Ezért az egyes esetekben a hiányra vonatkozó megfigyeléseket óvatosan kell kezelni. Ezeket a taxonokat az alábbiakban külön tárgyaljuk.
A korábbi munkák csak a cnidosac rövid és egyszerű bejáratát (azaz a közvetlen nyílást) mutatják be , valószínűleg azon taxonok kiválasztása miatt, amelyek pusztán véletlenül rendelkeznek ezzel az adottsággal. A mi munkánk azt sugallja, hogy ez a leggyakoribb átmenet az emésztőmirigy és a cnidosac között. Hancock és Embleton azonban megemlíti egy csillós csatorna jelenlétét az Aeolidia (= Eolis) papillosa-ban, Herdman és Clubb pedig egy “hosszú, ívelt összekötő csatorna” jelenlétét a mai Facelina bostoniensis (= Facelina drummondi) esetében. Néhány taxon rendelkezik csillós csatornával, köztük az Aeolidia papillosa, Cerberilla amboinensis, Cratena peregrina, Pteraeolidia ianthina és Paraflabellina ischitana . Ezek a taxonok nem állnak közeli rokonságban, ezért a csatorna nem homológ a vele rendelkező taxonok között, ami funkcionális magyarázatot sugall a jelenlétére. Kezdetben azt gyanítottuk, hogy e hosszúkás csatorna jelenléte a kleptocnidák méretével függ össze, mivel az A. papillosa, a C. amboinensis és a P. ianthina mind nagyobb kleptocnidákat (> 20 μm hosszúságú) szekvenál. Ezt azonban a C. peregrina és a P. ischitana nem támasztja alá, mivel ezek a fajok kisebb nematocisztákat szekvenálnak. Ezekben az esetekben a csillócsatorna egy ősi étrendváltás reliktuma lehet, de a csillócsatorna lehetséges funkcionális jelentősége spekulatív marad.
Hasonlóképpen, nincs következetes minta azon taxonok között, amelyek rendelkeznek proliferációs zónával szemben azokkal, amelyek nem rendelkeznek. Az egyetlen kivétel a proliferációs zóna hiánya a Phyllodesmium nemzetségből származó nematocisztákat nem szekvenáló taxonoknál. A Phyllodesmiumon belül az egyetlen olyan faj, amelyben proliferációs zónát azonosítottunk, a P. jakobsenae, amely az egyetlen olyan Phyllodesmium faj, amelyről tudjuk, hogy kleptocnidákat tartalmaz. Még mindig nem világos, hogy egyes taxonok miért rendelkeznek proliferációs zónával, míg mások nem, de gyanítjuk, hogy néhány esetben a minták metszésénél előforduló műtárgyak miatt ez a régió (valószínűleg a konzerválás nehézségei miatt) megsemmisült, ami egyes fajok cnidoszkópjában membrántöredékekhez és szabadon úszó kleptocnidákhoz vezet (pl. Cratena peregrina; 4d. ábra). Ennek a kérdésnek a megválaszolásához több egyedet kell vizsgálni ezekből a fajokból. A proliferációs zóna látszólagos hiánya a vizsgált egyedek növekedési stádiumának különbségeiből is adódhat, vagy a ceratákból, ha azok a regeneráció folyamatában voltak, de nem találtunk olyan bizonyítékot, amely kifejezetten alátámasztaná e hipotézisek egyikét sem. Továbbá legalább egy korábbi tanulmány megemlítette e régió jelenlétét, de nem tárgyalta részletesen. Ez az a régió, ahol a nematocisztákat a cnidofágok felveszik, mielőtt a cnidosac disztális vége felé vándorolnának. A proliferációs zóna pontos kiterjedése azonban továbbra is tisztázatlan. Egyes fajoknál úgy tűnik, hogy csak a cnidosacra korlátozódik (pl. Pteraeolidia ianthina; 4a. ábra), más fajoknál azonban úgy tűnik, hogy ez a zóna az emésztőmirigy szomszédos részeire is kiterjed (pl. Dondice occidentalis; 4b. ábra). A nematocisztákat szekvenáló taxonok többségénél csak nagyon egyszerű kijáratokat találtunk a cnidosacból, amelyet néhány esetben vékony hám borít. Ez a borítás a cerata epidermiszéhez hasonló sejteket tartalmaz, amely hosszúkás oszlopos sejtekből áll, amelyekben számos, úgy tűnik, specializált vakuolum található. Az egyszerű kilépések a leggyakoribbak, mind a mi vizsgálatunkban, mind látszólag másokban . Az Aeolidiidae-n belül azonban néhány kiválasztott taxonban, köztük az Aeolidia papillosa, az Anteaeolidiella chromosoma és a Cerberilla amboinensis esetében komplex cnidopórus van jelen (4c. ábra). Olyan hámbélést hordoz, amely folyamatosnak tűnik az epidermiszével. Ezt a struktúrát már korábban is azonosították, de egyszerűen differenciálatlan sejtek zónájának tekintették, amelyről úgy vélték, hogy az elveszett cnidofágok tartalékaként szolgál. A cnidosac disztális végén és a cnidopórus részeként való elhelyezkedése miatt azonban azt gyanítjuk, hogy ez nem így van. Ehelyett azt feltételezzük, hogy ez a sejtréteg egy speciális adaptáció az anemonokból szekvenált, kivételesen hosszú és keskeny (akár 50-60 μm hosszúságú, de < 5 μm széles) nematociszták felszabadítására. A cnidopórus kifejezést korábban kritikátlanul használták a cnidosac összes kijáratára , de mi most itt újra definiáljuk a cnidopórus kifejezést, hogy az eddig csak az Aeolidiidae-ban talált szerkezetre utaljon.
Bár a cnidosacot körülvevő izomzat is változik az Aeolidida-ban, ennek a változatosságnak a jelentősége nem világos. A cnidosac körüli izomzat nagyon vékony vagy teljesen hiányzik csak néhány fajnál, köztük az Embletonia gracilis, az Embletonia pulchra és a Bulbaeolidia alba esetében. Ha jelen van, az izom vastagsága fajonként változik, a látszólag egytől több rétegig terjed. Az izomzat vastagságának ezt a változatosságát egy korábbi tanulmány is szemlélteti , bár nem olyan pontosan, mint ahogyan azt itt jelezzük (3. táblázat). Nincs nyilvánvaló evolúciós magyarázat az izomvastagság vagy az izomrétegek számának taxononkénti változására , de egy vastagabb izomréteg valószínűleg a kleptocnidák erőteljesebb kilökődését eredményezné. A nagyobb izomzat összefügghet a ragadozói nyomással, a beépített kleptocnidák méretével vagy a fejlődési stádiummal. További egyedek bevonása minden fajból és a fejlődés különböző szakaszaiban, valamint a kleptocnidák méretének és az izomvastagságnak a mérése hasznos lenne e hipotézisek értékeléséhez.
A cnidofágok differenciálódása egy funkcionális, aktív sejtből a kleptocnidák “tartályává vagy éléskamrájává” a cnidosac csúcsán tükrözi a kleptocnidák érését a protonszállításon keresztül, amelyek éretlenek és nem funkcionálisak, amikor először szekvenálódnak . Az érés után úgy tűnik, hogy a sejtek a sejtkomplexitás csökkenése miatt nem működnek tovább. Korábbi munkások megpróbáltak foglalkozni a knidofág membránjának eredetével , és nemrégiben arra a következtetésre jutottak, hogy az egy fagoszóma, egy speciális, a sejtmembránból kialakított vezikulum . A cnidofágokon belül a kleptocnidák száma a taxonokon belül és a taxonok között is változhat. Úgy tűnik, hogy ez összefügg a kleptocnidák méretével; egy adott cnidofágon belül általában kevesebb a nagy kleptocnidák száma (> 20 μm hosszúságú), mint a kisebb kleptocnidákkal (általában 10 μm vagy annál kisebb) rendelkező kleptocnidáké. Erre példa a Pteraeolidia ianthina (4a. ábra), amely több méretosztályba tartozó nematocisztákat szekvenál.
Az általános témától való eltérések
A jelen tanulmányban vizsgált morfológiai karakterek meglehetősen változatosnak tűnnek a családokon belül, de a legtöbb cnidoszkóp általában egy, az Aeolididák között konzervált témában változik. Vannak azonban még olyanok, amelyek bizonyos cnidosac struktúrákat elvesztettek, vagy teljesen elvesztették a cnidosacot. Feltételezhetjük, hogy a cnidosaccok elveszítik a kapcsolatot az emésztőmiriggyel vagy a cnidosacot körülvevő izomzattal, amikor nincsenek nematociszták szekvenálva. Például a Phyllodesmium nemzetséghez tartozó fajok (a P. jakobsenae kivételével) olyan izmokhoz kötött cnidosaccal rendelkeznek, amelyeken látszólag nincsenek kleptocnidák, de nincsenek nyilvánvaló bejáratok az emésztőrendszeri divertikulumba vagy kijáratok a külső környezetbe. Ezek a fajok inkább a védekezéshez szükséges vegyi anyagokat kötik meg, és így nem feltétlenül van szükségük strukturált bejáratra. Ilyen módon a Phyllodesmiumban található cnidosacsok hasonlóak lehetnek a Charcotiidae-ban található köpenybőr-képződményekhez, amelyeknek nincs kijáratuk, de összenyomáskor felszabadítják a tartalmukat. A Favorinus nemzetségbe tartozó fajoknál azonban a cnidosac általános szerkezete (beleértve az emésztőmirigyből nyíló nyílást és a cnidosac körüli izmokat) ugyanaz marad, de nincsenek kleptocnidák, mivel ezek a fajok előszeretettel táplálkoznak más csigák petéivel . Bár lehetséges, hogy a kleptocnidák hiánya a Phyllodesmium és a Favorinus feltételezett hajlamából ered, hogy a rögzítési folyamat során nematocisztákat bocsátanak ki, szerintünk ez valószínűtlen. Egyrészt úgy tűnik, hogy a Phyllodesmium tagjai ép hámmal rendelkeznek, ahol a kleptocnidák kilökődésére lehetett volna számítani. Ha a kleptocnidák a rögzítés során kilökődnének, akkor a cerák a csúcson lévő nyílással rögzülnének. Ezenkívül a kleptocnidák hiánya különösen a Phyllodesmiumban szintén jól dokumentált (a P. jakobsenae kivételével) . A Favorinusban lehetséges, hogy ez a helyzet, tekintettel a cerata csúcsán lévő nyitott hámra (pl. 2c. ábra), de a kleptocnidák hiánya összhangban van e nemzetség tagjainak a csigatojásokat fogyasztó szokásával.
A téma még több változatát találjuk a Bulbaeolidia alba, Embletonia spp. és a Fiona nemzetségen belüli fajoknál. A Bulbaeolidia alba emésztőmirigyének disztális végén egy zsák található, amely csak alkalmanként tartalmaz zooxanthellákat (Symbiodinium). Ezenkívül nem találtunk nyilvánvaló be- vagy kijáratot a zsákba, és úgy tűnik, hogy a szerkezetet néhány vékony izomrost veszi körül. Feltételeztük, hogy a kleptocnidák hiánya a B. alba nagyon kis méretéből adódhat, amely ezért alacsonyabb védelmi igénnyel rendelkezhet, de az Embletonia és a Pseudovermis nemzetségeken belül még a kisebb taxonok is rendelkeznek kleptocnidákkal. Alternatívaként feltételezzük, hogy a szekvencia hiánya összefügghet a nematociszták méretével vagy hasznosságával, amelyek azokban az anemónákban találhatók, amelyekkel ez a faj táplálkozik . Egy harmadik alternatíva az, hogy a B. alba ehelyett más természetes vegyületeket helyez el ebben a zsákban, akár a zsákmányából, mint a Phyllodesmiumban, akár de novo előállítva. Ismét lehetséges, hogy a kleptocnídok hiánya a B. alba esetében a kis mintaméret műhibája, de a Phyllodesmiumhoz hasonlóan nem találtunk bizonyítékot az extrúzióra. Úgy tűnik, hogy az Embletoniidae tagjai evolúciósan teljesen elvesztették a cnidosacot körülvevő izomzatot, vagy a cnidosac evolúciójának egy köztes lépcsőfokát képviselik, amint azt az alábbi, a cnidosac evolúciójára vonatkozó szakasz tárgyalja. Ezekben a taxonokban nincs nyilvánvaló be- és kijárat a cnidosacba, illetve a cnidosacból. Végül, a Fiona nemzetségen belül a Fionidae egyes fajai (ez a tanulmány) teljesen elvesztették a cnidocisztákat, feltehetően azért, mert a nemzetséghez tartozó fajok a nem hínáros zsákmányt részesítik előnyben.
A Cladobranchia egy másik családjában, a Hancockiidae családban is találtak elrejtett nematocisztákat. A Hancockia californica fajban a cnidosaciákhoz nagyon hasonló (általunk cnidosac-szerűnek nevezett) struktúrákat látunk, ahol a kleptocnidák cnidophag-szerű sejtekben vannak elhelyezve az egyes cerák csúcsán lévő többszörös izmos zsákokban. Ilyen struktúrákat találtak a Hancockia uncinata és a H. schoeferti esetében is, és néhány esetben cnidosac-szerű struktúrákat találtak mind a ceratákban, mind a rhinophorális hüvelyekben. A Hancockiidae-ban és az Aeolidida-ban talált struktúrákra vonatkozó homológiai következtetéseket a következő szakaszban tárgyaljuk.
Phylogeny of Cladobranchia and evolution of the cnidosac
Phylogenetic inferences
Mivel az itt szereplő molekuláris adatok nagy része korábban publikált tanulmányokból származik, a filogenetikai elemzésünkben levezetett topológia (5. ábra) összhangban van a két közelmúltbeli filogenomikai tanulmányban találtakkal . Ez a munka azonban kibővíti a korábbi eredményeket a közelmúltbeli filogenomikai tanulmányokban nem elemzett taxonok, nevezetesen a Phyllodesmium, Caloria, Pruvotfolia, Pteraeolidia, Cratena, Facelina, Glaucus, Calmella, Piseinotecus, Tergipes, Notaeolidia, Embletonia és Charcotia nemzetségek taxonjainak bevonásával. Ezek többsége azokba a kládokba tartozik, amelyekre a korábbi molekuláris munkák alapján számítanánk: A Phyllodesmium szoros rokonságban áll a Dondice-vel az Aeolidiidae testvérfajának facelinida-kládján belül; a Caloria a második facelinida-kládon belül támogatott, és szoros rokonságban áll a Pruvotfolia fajaival; a Facelina, Glaucus és Cratena szoros rokonságban áll a második facelinida-kládon belül; a Calmella szoros rokonságban áll a Flabellina és Paraflabellina fajokkal; a Tergipes pedig a mostani Fionidae családba tartozik. A Pteraeolidia elhelyezése a Palisa és Austraeolis szoros rokonságában a második facelinida kládon belül azonban újdonság ebben a tanulmányban, és az itt bemutatott molekuláris adatok alátámasztják a Charcotia helyét az Aeolidida testvércsoporton belül, ahogyan azt korábban a morfológiai munkák javasolták .
Az összes itt bemutatott új adat hozzáadása ellenére a Notaeolidia és az Embletonia helyzete továbbra sem világos . E két nemzetség pontos pozíciójának támogatása gyenge, és úgy tűnik, hogy ezek a taxonok hozzájárulnak az Aeolidida alapjának alacsony bootstrap-értékeihez. Ennek oka lehet a Notaeolidia és a Flabellinopsis iodinea , valamint az Embletonia és az Unidentia közötti hosszú ágak vonzása. A morfológiai elemzések azonban a Notaeolidia legalábbis korábbi divergenciáját is alátámasztják az Aeolididákon belül. Az e négy taxon rokonságát övező bizonytalanság hatással van a cnidosac evolúciójának megértésére.
Azt is megállapítottuk, hogy az egyes génfák elemzései (és a három gén elemzése) összhangban vannak a korábbi nagyszabású PCR-alapú szekvenciaelemzésekkel . Ezek a topológiák és a poszterior valószínűségek alátámasztják azt az elképzelést, hogy a PCR-alapú szekvenálási adatok a felhasznált génekre (COI, 16S és 18S) bizonyos hasznosságot nyújtanak a közelmúltbeli eltérések kikövetkeztetéséhez, de a mélyebb eltérések kikövetkeztetéséhez nagy áteresztőképességű szekvenálási adatokra van szükség.
Cnidosac evolúció
A cnidariák nematocisztáinak szekvenciája legalább kétszer alakult ki a Cladobranchia-n belül az itt bemutatott filogenetika alapján (6. ábra). Ez az eredmény azt is jelzi, hogy az Aeolidida fajokon belül azok a fajok, amelyek nem szekvenálják a nematocisztákat, elvesztették ezt a képességüket, ami a jelek szerint legalább háromszor történt meg. Emellett az Embletoniidae korai divergenciája az Aeolidák filogeniáján belül szuggesztív; ez arra utal, hogy az Embletoniidae-n belüli szerkezet egy cnidosac, és hogy a cnidosac körüli izomzat hiánya egy köztes lépést jelenthet a kleptocnidaszekvencia evolúciójában. A további következtetések levonása előtt azonban az Aeolidida bázisán lévő kapcsolatok erősebb alátámasztására van szükség. Eredményeink a cnidosac több független veszteségét is alátámasztják, többek között a Fiona és a Tergipes tagjainál. Úgy tűnik, hogy ez annak köszönhető, hogy a Fiona esetében átálltak a főként rákfélékkel való zsákmányszerzésre. A Tergipes egyes fajainál szintén a hidridákról más típusú élőlényekre való átállás vezethetett a cnidosacs elvesztéséhez.
Az emésztőmirigy disztális végén lévő zsák jelenléte feltételezhetően a nematociszták megkötésére való képesség előtt keletkezett (6. ábra; szürke doboz), bár ez az eredmény azon a feltételezésen alapul, hogy a Charcotiidae és Proctonotidae fajokban található terminális zsákok homológok az Aeolidida fajokban találhatóakkal. Ennek a hipotézisnek a támogatottsága nagyon alacsony, és így a rekonstrukciónk alapján valószínűtlennek tűnik. A Charcotiidae és Proctonotidae terminális zsákjait azonban úgy tekintik, hogy kiválasztó struktúraként funkcionálnak, és egyesek feltételezik, hogy az aeolidák cnidosac-ja ennek a zsáknak a védekezéshez való alkalmazkodása . Bár a homológia továbbra is bizonytalan, az ősi állapotrekonstrukciónk nem utasítja el teljesen ezt a módosítási hipotézist, amelyben a disztális zsákot a nematociszták szekvenálására adaptálták. További morfológiai és molekuláris adatokra van szükség a Charcotiidae + Proctonotidae + Dironidae klád további fajairól, hogy tovább teszteljük ezt a hipotézist, mivel ez a klád nem jól reprezentált az elemzésünkben, ami akadályozhatja az evolúciós következtetéseket.
A Hancockiidae cnidosac-szerű struktúrái úgy tűnik, hogy az Aeolidida és testvérkládjának distális zsákjától függetlenül fejlődtek ki. Ezt támasztják alá az itt bemutatott filogenetikai elemzések, valamint a Hancockia és az Aeolidák fajai közötti szekvenciális folyamatok közötti különbségek. Úgy tűnik például, hogy a Hancockia fajok a szállítás előtt a nematocisztákat az emésztőrendszer lumenébe zárják be, ellentétben az aeolidákkal.