El cnidosaco en Cladobranchia
Anatomía comparativa del cnidosaco
Antes del presente estudio, se han hecho numerosas suposiciones sobre la uniformidad de la morfología del cnidosaco entre los cladobranquios que albergan cleptocnios . Edmunds, en particular, proporciona dibujos que son notablemente consistentes entre las especies de Fionidae, Favorinidae, Facelinidae y Aeolidiidae, aunque las descripciones de los cnidosacos no eran el objetivo principal de esa publicación. Todas las especies ilustradas en esa obra poseen una entrada clara que conecta la glándula digestiva con el cnidosaco (aunque en algunos casos se representa un ligero alargamiento de la entrada, similar a un canal) y una salida distinta en la punta de las ceras que conecta el cnidosaco con el exterior. Además, todos los cnidosacos se representan con cleptócnidos, y la forma de presentar la musculatura es también muy uniforme. El estudio más detallado sobre los cnidosacs de los eólidos, hasta ahora, fue escrito por Kälker y Schmekel , pero no describía suficientemente la variación que puede encontrarse en esta estructura a través de las aproximadamente 600 especies de eólidos . Además, los trabajos sobre las estructuras similares al cnidosaco en Hancockia spp. comenzaron recientemente.
En este estudio, encontramos que la longitud, el tamaño y la estructura de la entrada al cnidosaco varían más de lo esperado según los trabajos anteriores, al igual que la estructura de la salida, o cnidoporo, la musculatura que rodea al cnidosaco, y la posición y orientación de los cleptocnidos . Es importante señalar que, aunque proporcionamos un amplio muestreo por taxones de los caracteres morfológicos del cnidosaco, para muchas especies sólo se disponía de un espécimen para su análisis. Por ello, las observaciones de ausencia en algunos casos deben tomarse con precaución. Discutimos esos taxones en particular a continuación.
Trabajos anteriores presentan sólo una entrada corta y simple al cnidosaco (es decir, una apertura directa) , probablemente debido a la selección de taxones que poseen esta condición simplemente por casualidad. Nuestro trabajo sugiere que ésta es la transición más común entre la glándula digestiva y el cnidosaco. Sin embargo, Hancock y Embleton mencionan la presencia de un canal ciliado en Aeolidia (= Eolis) papillosa y Herdman y Clubb señalan la presencia de un «conducto de conexión largo y curvado» en la actual Facelina bostoniensis (= Facelina drummondi). Unos pocos taxones poseen un canal ciliado, incluyendo Aeolidia papillosa, Cerberilla amboinensis, Cratena peregrina, Pteraeolidia ianthina y Paraflabellina ischitana . Estos taxones no están estrechamente relacionados, por lo que el canal no es homólogo entre los taxones que lo poseen, lo que sugiere una explicación funcional para su presencia. Inicialmente sospechamos que la presencia de este canal alargado estaba relacionada con el tamaño de los cleptócnidos, ya que A. papillosa, C. amboinensis y P. ianthina secuestran cleptócnidos más grandes (> 20 μm de longitud). Sin embargo, esto no es apoyado por C. peregrina y P. ischitana, ya que estas especies secuestran nematocistos más pequeños. En estos casos, el canal ciliado puede ser una reliquia de un cambio ancestral en la dieta, pero el posible significado funcional del canal ciliado sigue siendo especulativo.
De manera similar, no hay un patrón consistente entre los taxones que poseen una zona de proliferación frente a los que no. La única excepción es la ausencia de una zona de proliferación en los taxones que no secuestran nematocistos del género Phyllodesmium. La única especie dentro de Phyllodesmium en la que identificamos una zona de proliferación es P. jakobsenae, que es la única especie de Phyllodesmium de la que se sabe que alberga cleptocnios. Todavía no está claro por qué algunos taxones parecen tener una zona de proliferación mientras que otros no, pero sospechamos que en un pequeño número de casos los artefactos del seccionamiento de algunas muestras han llevado a la destrucción de esta región (probablemente debido a las dificultades de preservación), lo que lleva a fragmentos de membrana y cleptocnuros que flotan libremente dentro de los cnidosacos de algunas especies a (por ejemplo, Cratena peregrina; Fig. 4d). Para abordar este punto, deberían investigarse más individuos de estas especies. La aparente ausencia de una zona de proliferación también puede deberse a diferencias en el estado de crecimiento de los individuos investigados, o de los cerata si alguno estaba en proceso de regeneración, pero no encontramos ninguna evidencia que apoye explícitamente ninguna de estas hipótesis. Además, al menos un estudio anterior mencionó la presencia de esta región, pero no se discutió en detalle. En esta región es donde los nematocistos son captados por los cnidófagos antes de que migren hacia el extremo distal del cnidosaco. Sin embargo, la extensión exacta de la zona de proliferación sigue sin estar clara. En algunas especies, parece estar restringida al cnidosaco (por ejemplo, Pteraeolidia ianthina; Fig. 4a), pero en otras esta zona parece extenderse a las partes adyacentes de la glándula digestiva (por ejemplo, Dondice occidentalis; Fig. 4b). En la mayoría de los taxones que secuestran nematocistos, sólo encontramos salidas muy simples del cnidosaco, que en algunos casos está cubierto por un fino epitelio. Este revestimiento contiene células similares a las de la epidermis de la cerata, que está compuesta por células columnares alargadas con lo que parecen ser muchas vacuolas especializadas. Las salidas simples son las más comunes, tanto en nuestro estudio como aparentemente en otros. Sin embargo, en unos pocos taxones seleccionados dentro de Aeolidiidae, incluyendo Aeolidia papillosa, Anteaeolidiella chromosoma y Cerberilla amboinensis, está presente un cnidoporo complejo (Fig. 4c). Lleva un revestimiento epitelial que parece continuo con el de la epidermis. Esta estructura ha sido identificada anteriormente, pero se consideraba simplemente una zona de células indiferenciadas que se creía que servía de reserva para los cnidoporos perdidos. Sin embargo, debido a su ubicación en el extremo distal del cnidosaco, y como parte del cnidoporo, sospechamos que éste no es el caso. En su lugar, planteamos la hipótesis de que esta capa celular es una adaptación especial para liberar los nematocistos excepcionalmente largos y estrechos secuestrados de las anémonas (hasta 50-60 μm de longitud, pero < 5 μm de anchura). El término cnidoporo se ha utilizado anteriormente de forma acrítica para referirse a todas las salidas del cnidosaco , pero ahora redefinimos aquí el término cnidoporo para referirnos a la estructura que hasta ahora sólo se ha encontrado en Aeolidiidae.
Aunque la musculatura que rodea el cnidosaco también varía a lo largo de Aeolidida, el significado de esta variación no está claro. La musculatura que rodea el cnidosaco es muy fina o no existe en absoluto en unas pocas especies, como Embletonia gracilis, Embletonia pulchra y Bulbaeolidia alba. Cuando está presente, el grosor del músculo varía según la especie, desde lo que parece ser una a múltiples capas. Esta variación en el grosor de la musculatura se ilustra en un estudio anterior, aunque no con la precisión que indicamos aquí (Tabla 3). No hay una explicación evolutiva obvia para la variación en el grosor de la musculatura o el número de capas musculares entre los taxones , pero una capa muscular más gruesa probablemente daría lugar a una expulsión más contundente de los cleptócnidos. El aumento de la musculatura podría estar asociado a la presión de depredación, al tamaño de los cleptócnidos incorporados o al estado de desarrollo. La incorporación de individuos adicionales de cada especie, y en diferentes etapas de desarrollo, así como las mediciones del tamaño de los cleptocnidos y del grosor del músculo serían beneficiosas para evaluar estas hipótesis.
La diferenciación de los cnidófagos de una célula funcional y activa en un «contenedor o despensa» de cleptocnidos en la punta del cnidosaco refleja la maduración de los cleptocnidos mediante el transporte de protones, que son inmaduros y no funcionales cuando se secuestran por primera vez . Después de la maduración, las células parecen no tener ningún otro funcionamiento debido a la reducción de la complejidad celular. Trabajadores anteriores han intentado abordar el origen de la membrana del cnidófago , y recientemente han concluido que se trata de un fagosoma, una vesícula especializada formada por la membrana celular . Dentro de los cnidófagos, el número de cleptócnidos puede variar tanto dentro como entre los taxones. Esto parece estar asociado con el tamaño de los cleptócnidos; tiende a haber menos cleptócnidos grandes (> 20 μm de longitud) dentro de un determinado cnidófago en comparación con los que tienen cleptócnidos más pequeños (normalmente 10 μm o menos). Un ejemplo puede encontrarse en Pteraeolidia ianthina (Fig. 4a), que secuestra nematocistos de múltiples clases de tamaño.
Divergencias respecto al tema general
Los caracteres morfológicos evaluados en este estudio parecen ser bastante variables dentro de las familias, pero la mayoría de los cnidosacos varían en general respecto a un tema que se conserva en todo Aeolidida. Sin embargo, hay otras que han perdido estructuras particulares de cnidosac o han perdido el cnidosac por completo. Se podría plantear la hipótesis de que los cnidosacos pierden la conexión con la glándula digestiva o la musculatura que rodea al cnidosaco cuando no hay nematocistos secuestrados. Por ejemplo, las especies del género Phyllodesmium (excepto P. jakobsenae) poseen cnidosacos ligados a la musculatura que parecen estar desprovistos de cleptocnios, pero no hay entradas evidentes al divertículo digestivo ni salidas al medio externo. Más bien, estas especies secuestran sustancias químicas para la defensa , y por lo tanto no requieren necesariamente una entrada estructurada. En este sentido, los cnidosacos de Phyllodesmium pueden ser similares a las formaciones dérmicas del manto de Charcotiidae, que carecen de salida pero liberan el contenido cuando se comprimen . Sin embargo, en las especies del género Favorinus, la estructura general del cnidosaco (incluida la abertura de la glándula digestiva y los músculos que rodean el cnidosaco) sigue siendo la misma, pero no hay cleptócnidos debido a la predilección de estas especies por alimentarse de los huevos de otros gasterópodos . Aunque es posible que la falta de cleptocnides se deba a una hipotética proclividad de Phyllodesmium y Favorinus a descargar nematocistos durante el proceso de fijación, sugerimos que esto es poco probable. Por un lado, los miembros de Phyllodesmium parecen tener un epitelio intacto donde cabría esperar que los cleptocnios fueran expulsados. Si los cleptocnuros fueran expulsados durante la fijación, las ceras se fijarían con una abertura en la punta. Además, la ausencia de cleptocnides en Phyllodesmium en particular también está bien documentada (con la excepción de P. jakobsenae) . En Favorinus, es posible que este sea el caso, dado el epitelio abierto en la punta de la cerata (por ejemplo, Fig. 2c), pero la ausencia de cleptocnides es consistente con el hábito de los miembros de este género de comer huevos de gasterópodos.
Se encuentran aún más variaciones sobre este tema en Bulbaeolidia alba, Embletonia spp. y especies dentro del género Fiona. Bulbaeolidia alba tiene un saco en el extremo distal de la glándula digestiva que contiene sólo ocasionalmente zooxantelas (Symbiodinium). Además, no pudimos encontrar ninguna entrada o salida obvia hacia o desde el saco, y la estructura parece estar rodeada por unas pocas y delgadas fibras musculares. Nuestra hipótesis es que la falta de cleptócnidos puede deberse al tamaño tan pequeño de B. alba, que por lo tanto podría poseer un requisito de defensa menor, pero incluso taxones más pequeños dentro de los géneros Embletonia y Pseudovermis poseen cleptócnidos. Otra hipótesis es que la falta de secuestro puede estar relacionada con el tamaño o la utilidad de los nematocistos que se encuentran dentro de las anémonas de las que se alimenta esta especie. Una tercera alternativa es que B. alba aloje en su lugar otros compuestos naturales dentro de este saco, ya sea de sus presas como en Phyllodesmium o producidos de novo. Una vez más, es posible que la falta de cleptócnidos en B. alba sea un artefacto del pequeño tamaño de la muestra, pero al igual que en Phyllodesmium, no se pudo encontrar ninguna evidencia de extrusión. Los miembros de Embletoniidae parecen haber perdido evolutivamente la musculatura que rodea al cnidosaco por completo o representan un paso intermedio en la evolución del cnidosaco, como se discute en la sección de evolución del cnidosaco más adelante. Tampoco hay una entrada o salida obvia hacia y desde el cnidosaco en estos taxones. Finalmente, algunas especies de Fionidae dentro del género Fiona (este estudio) han perdido los cnidosacos por completo, aparentemente porque las especies de este género prefieren presas no nidarias.
También se han encontrado nematocistos secuestrados en otra familia dentro de Cladobranchia, Hancockiidae. En Hancockia californica se observan estructuras muy similares a los cnidosacos (que denominamos cnidosacos), con cleptocnios alojados en células similares a las de los cnidófagos en múltiples sacos musculares en la punta de cada ceras. Estas estructuras también se han encontrado en Hancockia uncinata y H. schoeferti , y en algunos casos se han encontrado estructuras similares a los cnidosacos tanto en las ceratas como en las vainas rinóforas. Las inferencias de homología respecto a las estructuras encontradas en Hancockiidae y las de Aeolidida se discuten en la siguiente sección.
Filogenia de Cladobranchia y evolución del cnidosaco
Inferencias filogenéticas
Dado que gran parte de los datos moleculares incluidos aquí se derivan de estudios previamente publicados, la topología inferida en nuestro análisis filogenético (Figura 5) es consistente con la encontrada en ambos estudios filogenómicos recientes . Sin embargo, este trabajo amplía los resultados anteriores al incluir taxones no analizados en los estudios filogenómicos recientes, a saber, taxones de los géneros Phyllodesmium, Caloria, Pruvotfolia, Pteraeolidia, Cratena, Facelina, Glaucus, Calmella, Piseinotecus, Tergipes, Notaeolidia, Embletonia y Charcotia. La mayoría de ellas se encuentran dentro de los clados que cabría esperar sobre la base de trabajos moleculares anteriores: Phyllodesmium está estrechamente relacionado con Dondice dentro del clado de facelínidos que es hermano de Aeolidiidae ; Caloria está apoyada dentro del segundo clado de facelínidos y está estrechamente relacionada con especies de Pruvotfolia ; Facelina, Glaucus y Cratena están estrechamente relacionados dentro del segundo clado de facelínidos ; Calmella está estrechamente relacionada con Flabellina y Paraflabellina ; y Tergipes cae dentro de lo que ahora es Fionidae . Sin embargo, la colocación de Pteraeolidia como estrechamente relacionada con Palisa y Austraeolis dentro del segundo clado de facelínidos es nueva en este estudio, y los datos moleculares presentados aquí apoyan la posición de Charcotia dentro del grupo hermano de Aeolidida, como se sugirió previamente por el trabajo morfológico.
A pesar de la adición de todos los nuevos datos presentados aquí, las posiciones de Notaeolidia y Embletonia siguen sin estar claras . El apoyo a las posiciones exactas de estos dos géneros es pobre, y estos taxones parecen contribuir a los bajos valores de bootstrap en la base de Aeolidida. Esto puede deberse a la atracción de ramas largas entre Notaeolidia y Flabellinopsis iodinea , y entre Embletonia y Unidentia. Sin embargo, los análisis morfológicos también apoyan al menos la divergencia más temprana de Notaeolidia dentro de Aeolidida . La incertidumbre que rodea a las afinidades de estos cuatro taxones tiene implicaciones para nuestra comprensión de la evolución de los cnidosac.
También encontramos que los análisis del árbol de genes individuales (y el análisis de los tres genes) son consistentes con los análisis previos de secuencias a gran escala basados en PCR . Estas topologías y probabilidades posteriores apoyan la idea de que los datos de secuenciación basados en PCR para los genes utilizados (COI, 16S y 18S) proporcionan cierta utilidad para inferir divergencias recientes, pero que los datos de secuenciación de alto rendimiento son necesarios para inferir divergencias más profundas.
Evolución de los cnidosac
El secuestro de los nematocistos de los cnidarios se ha originado al menos dos veces dentro de Cladobranchia según la filogenia presentada aquí (Fig. 6). Este resultado también indica que las especies dentro de Aeolidida que no secuestran nematocistos han perdido esta capacidad, lo que parece haber ocurrido al menos tres veces. Además, la temprana divergencia de Embletoniidae dentro de la filogenia de Aeolidida es sugerente; indica que la estructura dentro de Embletoniidae es un cnidosaco, y que la falta de musculatura alrededor del cnidosaco puede representar un paso intermedio en la evolución del secuestro de cleptocnios. Sin embargo, es necesario un mayor apoyo a las relaciones en la base de Aeolidida antes de poder hacer más inferencias. Nuestros resultados también apoyan varias pérdidas independientes del cnidosaco, incluso en miembros de Fiona y Tergipes. Esto parece deberse a un cambio en la depredación de crustáceos en Fiona. Una transición de preferencia de presa de los hidroides a otros tipos de organismos también puede haber llevado a la pérdida de cnidosacs en algunas especies de Tergipes .
La presencia de un saco en el extremo distal de la glándula digestiva tiene la hipótesis de que se originó antes de la capacidad de secuestrar nematocistos (Figura 6; recuadro gris), aunque este resultado se basa en la hipótesis de que los sacos terminales encontrados en Charcotiidae y Proctonotidae son homólogos a los de Aeolidida. El apoyo a esta hipótesis es muy escaso y, por tanto, parece poco probable según nuestra reconstrucción. Sin embargo, se considera que los sacos terminales de Charcotiidae y Proctonotidae funcionan como estructuras excretoras, y algunos han planteado la hipótesis de que el cnidosaco de Aeolidida es una adaptación de este saco para la defensa . Aunque la homología sigue siendo incierta, nuestra reconstrucción del estado ancestral no rechaza completamente esta hipótesis de modificación, en la que el saco distal fue exaptado para secuestrar nematocistos. Se necesitan más datos morfológicos y moleculares de otras especies del clado Charcotiidae + Proctonotidae + Dironidae para seguir comprobando esta hipótesis, ya que este clado no está bien representado en nuestro análisis, lo que puede dificultar las inferencias evolutivas.
Las estructuras similares a los cnidosacos en Hancockiidae parecen haber evolucionado independientemente del saco distal tanto en Aeolidida como en su clado hermano. Esto es apoyado por los análisis filogenéticos presentados aquí, así como por las diferencias en el proceso de secuestro entre Hancockia y las especies de eólidos. Por ejemplo, parece que las especies de Hancockia encapsulan los nematocistos en el lumen del tracto digestivo antes del transporte, a diferencia de los eólidos.