The cnidosac in Cladobranchia
Comparative anatomy of the cnidosac
Przed niniejszymi badaniami poczyniono wiele założeń dotyczących jednolitości morfologii cnidosac wśród Cladobranchia, które są siedliskiem kleptoknidów. Edmunds w szczególności przedstawia rysunki, które są niezwykle spójne w obrębie gatunków Fionidae, Favorinidae, Facelinidae i Aeolidiidae, choć opisy cnidosac nie były głównym celem tej publikacji. Wszystkie gatunki zilustrowane w tej pracy posiadają wyraźne wejście łączące gruczoł trawienny z cnidosakiem (choć w niektórych przypadkach ukazane jest lekkie wydłużenie wejścia, podobne do kanału) oraz wyraźne wyjście na końcu cery, łączące cnidosak z otoczeniem. Dodatkowo, wszystkie cnidosaki są przedstawiane jako posiadające kleptoknidy, a sposób przedstawienia muskulatury jest również bardzo jednolity. Najbardziej szczegółowa praca na temat cnidosacs aeolidów, jak do tej pory, została napisana przez Kälkera i Schmekela, ale nie opisała ona wystarczająco zróżnicowania, jakie można znaleźć w tej strukturze wśród około 600 gatunków aeolidów. Ponadto, prace nad strukturami podobnymi do cnidosac u Hancockia spp. rozpoczęły się dopiero niedawno .
W tym badaniu stwierdzamy, że długość, rozmiar i struktura wejścia do cnidosac różni się bardziej niż oczekiwano na podstawie wcześniejszych prac, podobnie jak struktura wyjścia, czyli cnidoporu, muskulatura otaczająca cnidosac oraz pozycja i orientacja kleptoknidów . Należy zauważyć, że mimo iż przedstawiamy szeroką próbę taksonów pod względem cech morfologicznych cnidosac, dla wielu gatunków tylko jeden okaz był dostępny do analizy. Jako takie, obserwacje braku w niektórych przypadkach powinny być traktowane z ostrożnością. Omawiamy te taksony w szczególności poniżej.
Poprzednie prace przedstawiają tylko krótkie i proste wejście do cnidosac (tj. bezpośredni otwór), prawdopodobnie z powodu selekcji taksonów, które posiadają ten warunek po prostu przez przypadek. Nasza praca sugeruje, że jest to najczęstsze przejście między gruczołem trawiennym a cnidosac. Jednakże Hancock i Embleton wspominają o obecności kanału z rzęsek u Aeolidia (= Eolis) papillosa, a Herdman i Clubb odnotowują obecność „długiego, zakrzywionego przewodu łączącego” u dzisiejszego Facelina bostoniensis (= Facelina drummondi). Kilka taksonów posiada ciliated kanał, w tym Aeolidia papillosa, Cerberilla amboinensis, Cratena peregrina, Pteraeolidia ianthina i Paraflabellina ischitana . Taksony te nie są blisko spokrewnione, a zatem kanał ten nie jest homologiczny wśród taksonów, które go posiadają, co sugeruje funkcjonalne wyjaśnienie jego obecności. Początkowo podejrzewaliśmy, że obecność tego wydłużonego kanału związana jest z wielkością kleptoknidów, jako że A. papillosa, C. amboinensis i P. ianthina sekwestrują większe kleptoknidy (> 20 μm długości). Nie potwierdzają tego jednak C. peregrina i P. ischitana, gdyż gatunki te sekwestrują mniejsze nematocysty. W tych przypadkach, kanał rzęskowy może być reliktem zmiany diety u przodków, ale możliwe znaczenie funkcjonalne kanału rzęskowego pozostaje spekulatywne.
Podobnie, nie ma spójnego wzorca wśród taksonów, które posiadają strefę proliferacji w porównaniu z tymi, które jej nie posiadają. Jedynym wyjątkiem jest brak strefy proliferacji u taksonów, które nie sekwestrują nematocyst z rodzaju Phyllodesmium. Jedynym gatunkiem z rodzaju Phyllodesmium, u którego zidentyfikowaliśmy strefę proliferacji jest P. jakobsenae, który jest jedynym gatunkiem Phyllodesmium, o którym wiadomo, że jest siedliskiem kleptoknid. Wciąż nie jest jasne, dlaczego niektóre taksony wydają się mieć strefę proliferacji, podczas gdy inne nie, ale podejrzewamy, że w niewielkiej liczbie przypadków artefakty sekcjonowania niektórych próbek doprowadziły do zniszczenia tego regionu (prawdopodobnie z powodu trudności w konserwacji), co prowadzi do powstania fragmentów błon i swobodnie pływających kleptoknidów w obrębie cnidosacs niektórych gatunków (np. Cratena peregrina; Fig. 4d). W celu wyjaśnienia tej kwestii należy przebadać więcej osobników z tych gatunków. Widoczny brak strefy proliferacji może być również spowodowany różnicami w fazie wzrostu badanych osobników lub ceraty, jeśli któraś z nich była w trakcie regeneracji, ale nie znaleźliśmy dowodów, które jednoznacznie potwierdzałyby którąkolwiek z tych hipotez. Ponadto, co najmniej jedno z wcześniejszych badań wspominało o obecności tego regionu, ale nie został on szczegółowo omówiony. Region ten jest miejscem, gdzie nematocysty są pobierane przez knidofagi przed ich migracją w kierunku dystalnego końca knidosaka. Jednakże dokładny zasięg strefy proliferacji pozostaje niejasny. U niektórych gatunków wydaje się ona ograniczona do cnidosac (np. Pteraeolidia ianthina; ryc. 4a), ale u innych strefa ta wydaje się rozciągać na przyległe części gruczołu pokarmowego (np. Dondice occidentalis; ryc. 4b). U większości taksonów, które sekwestrują nematocysty, znaleźliśmy jedynie bardzo proste wyjścia z cnidosac, które w niektórych przypadkach pokryte są cienkim nabłonkiem. Pokrycie to zawiera komórki podobne do epidermy ceraty, która składa się z wydłużonych kolumnowych komórek z wieloma wyspecjalizowanymi wakuolami. Proste wyjścia są najczęstsze, zarówno w naszym badaniu, jak i, jak się wydaje, w innych. Jednak u kilku wybranych taksonów z rodziny Aeolidiidae, w tym Aeolidia papillosa, Anteaeolidiella chromosoma i Cerberilla amboinensis, występuje złożony cnidopor (ryc. 4c). Jest on wyścielony nabłonkiem, który wydaje się być ciągły z naskórkiem. Struktura ta została zidentyfikowana już wcześniej, ale była uważana po prostu za strefę niezróżnicowanych komórek, które miały służyć jako rezerwa dla utraconych knidofagów. Jednakże, ze względu na lokalizację na dystalnym końcu cnidosac i jako część cnidoporu, podejrzewamy, że tak nie jest. Zamiast tego, stawiamy hipotezę, że ta warstwa komórek jest specjalnym przystosowaniem do uwalniania wyjątkowo długich i wąskich nematocyst sekwestrowanych z ukwiałów (do 50-60 μm długości, ale < 5 μm szerokości). Termin cnidopore był wcześniej bezkrytycznie używany w odniesieniu do wszystkich wyjść z cnidosac , ale teraz ponownie definiujemy termin cnidopore tutaj w odniesieniu do struktury dotychczas tylko znalezione w Aeolidiidae.
Although musculature otaczające cnidosac również różni się w całej Aeolidida, znaczenie tego zróżnicowania jest niejasne. Muskulatura wokół cnidosac jest bardzo cienka lub brak jej całkowicie tylko u kilku gatunków, w tym Embletonia gracilis, Embletonia pulchra i Bulbaeolidia alba. Grubość mięśni, jeśli są obecne, różni się w zależności od gatunku, od takiej, która wydaje się być jedną do wielu warstw. To zróżnicowanie w grubości muskulatury zostało zilustrowane w jednym z wcześniejszych badań, choć nie tak dokładnie jak tutaj (Tabela 3). Nie ma oczywistego wytłumaczenia ewolucyjnego dla zróżnicowania grubości mięśni lub liczby ich warstw u różnych taksonów, ale grubsza warstwa mięśniowa prawdopodobnie spowodowałaby silniejsze wydalenie kleptoknidów. Zwiększona muskulatura może być związana z presją drapieżników, wielkością inkorporowanych kleptoknidów lub stadium rozwojowym. Włączenie dodatkowych osobników z każdego gatunku i na różnych etapach rozwoju, jak również pomiary wielkości kleptoknidów i grubości mięśni byłyby korzystne dla oceny tych hipotez.
Różnicowanie knidofagów z funkcjonalnej, aktywnej komórki w „pojemnik lub spiżarnię” kleptoknidów na czubku knidosaka odzwierciedla dojrzewanie kleptoknidów poprzez transport protonów, które są niedojrzałe i niefunkcjonalne, gdy są najpierw sekwestrowane. Po dojrzeniu, komórki wydają się nie mieć dalszego funkcjonowania z powodu zmniejszenia złożoności komórki. Wcześniejsi pracownicy próbowali ustalić pochodzenie błony knidofaga, a ostatnio doszli do wniosku, że jest to fagosom, wyspecjalizowany pęcherzyk utworzony przez błonę komórkową. W obrębie knidofagów liczba kleptoknidów może się różnić zarówno w obrębie jednego taksonu, jak i pomiędzy taksonami. Wydaje się, że jest to związane z wielkością kleptoknid; w obrębie danego knidofaga jest zwykle mniej dużych kleptoknid (> 20 μm długości) w porównaniu z tymi o mniejszych kleptoknidach (zwykle 10 μm lub mniej). Przykładem może być Pteraeolidia ianthina (ryc. 4a), która sekwestruje nematocysty wielu klas wielkości.
Odchylenia od ogólnego tematu
Ocenione w tym badaniu cechy morfologiczne wydają się być dość zmienne w obrębie rodzin, ale większość knidofagów generalnie różni się tematem, który jest zachowany u Aeolidida. Istnieją jednak jeszcze inne, które utraciły poszczególne struktury cnidosac lub całkowicie utraciły cnidosac. Można postawić hipotezę, że cnidosac traci połączenie z gruczołem trawiennym lub muskulaturą otaczającą cnidosac, gdy nie są sekwestrowane nematocysty. Na przykład, gatunki z rodzaju Phyllodesmium (z wyjątkiem P. jakobsenae) posiadają związane mięśniami cnidosaki, które wydają się być pozbawione kleptoknid, ale nie ma w nich oczywistych wejść do uchyłka trawiennego lub wyjść do środowiska zewnętrznego. Gatunki te raczej sekwestrują substancje chemiczne w celach obronnych, a więc niekoniecznie wymagają ustrukturyzowanego wejścia. W ten sposób cnidosacs u Phyllodesmium mogą być podobne do formacji skórnych płaszcza u Charcotiidae, które nie mają wyjścia, ale uwalniają zawartość po ściśnięciu. Jednakże u gatunków z rodzaju Favorinus ogólna struktura cnidosac (w tym otwór z gruczołu trawiennego i mięśnie wokół cnidosac) pozostaje taka sama, ale nie występują kleptoknidy ze względu na zamiłowanie tych gatunków do odżywiania się jajami innych ślimaków. Chociaż możliwe jest, że brak kleptoknid może wynikać z hipotetycznej skłonności Phyllodesmium i Favorinus do wypuszczania nematocyst podczas procesu wiązania, sugerujemy, że jest to mało prawdopodobne. Po pierwsze, członkowie Phyllodesmium wydają się mieć nienaruszony nabłonek, w którym można by się spodziewać, że kleptoknidy zostaną wyrzucone. Gdyby kleptoknidy zostały wyrzucone podczas utrwalania, ceras byłby utrwalony z otworem w końcówce. Ponadto, brak kleptoknidów u Phyllodesmium jest również dobrze udokumentowany (z wyjątkiem P. jakobsenae). U Favorinus jest to możliwe, biorąc pod uwagę otwarty nabłonek na końcu ceraty (np., Fig. 2c), ale brak kleptoknidów jest zgodny ze zwyczajem członków tego rodzaju jedzących jaja ślimaków.
Jeszcze więcej wariacji na ten temat znajduje się u Bulbaeolidia alba, Embletonia spp. i gatunków w obrębie rodzaju Fiona. Bulbaeolidia alba ma woreczek na dystalnym końcu gruczołu trawiennego, który zawiera tylko sporadyczne zooxanthellae (Symbiodinium). Ponadto nie udało nam się znaleźć żadnego oczywistego wejścia lub wyjścia do lub z woreczka, a struktura ta wydaje się być otoczona kilkoma cienkimi włóknami mięśniowymi. Wysunęliśmy hipotezę, że brak kleptoknidów może być spowodowany bardzo małym rozmiarem B. alba, która w związku z tym może mieć mniejsze wymagania obronne, ale nawet mniejsze taksony z rodzajów Embletonia i Pseudovermis posiadają kleptoknidy. Alternatywnie, stawiamy hipotezę, że brak sekwestracji może być związany z wielkością lub użytecznością nematocyst znajdujących się w ukwiałach, na których żeruje ten gatunek. Trzecią alternatywą jest to, że B. alba zamiast tego przechowuje w tym woreczku inne naturalne związki, pochodzące z jego ofiary, jak w przypadku Phyllodesmium, lub wytworzone de novo. Ponownie, możliwe jest, że brak kleptoknidów u B. alba jest artefaktem małej liczebności próbki, ale podobnie jak u Phyllodesmium, nie znaleziono dowodów na ekstruzję. Wydaje się, że przedstawiciele Embletoniidae ewolucyjnie całkowicie utracili muskulaturę otaczającą cnidosac lub reprezentują pośredni etap w ewolucji cnidosac, co omówiono w części poświęconej ewolucji cnidosac poniżej. Nie ma również oczywistego wejścia lub wyjścia do i z cnidosac u tych taksonów. Wreszcie, niektóre gatunki Fionidae z rodzaju Fiona (niniejsze opracowanie) całkowicie utraciły cnidosacs, rzekomo dlatego, że gatunki z tego rodzaju preferują nie-skorupiakowe ofiary.
Sekwestrowane nematocysty znaleziono również u jednej innej rodziny Cladobranchia, Hancockiidae. Widzimy struktury w Hancockia californica, które są bardzo podobne do cnidosacs (które nazywamy cnidosac-like), z kleptoknidami umieszczonymi w komórkach podobnych do cnidofagów w wielu muskularnych woreczkach na końcu każdego ceras. Struktury te znaleziono także u Hancockia uncinata i H. schoeferti , a w niektórych przypadkach struktury podobne do cnidosac znaleziono zarówno w ceratach, jak i w osłonkach nosa. Wnioski homologiczne dotyczące struktur znalezionych u Hancockiidae i tych u Aeolidida omówiono w następnej części.
Phylogenezy Cladobranchia i ewolucja cnidosac
Wnioski filogenetyczne
Zważywszy, że znaczna część danych molekularnych zawartych w niniejszej pracy pochodzi z wcześniej opublikowanych badań, topologia wywnioskowana w naszej analizie filogenetycznej (Ryc. 5) jest zgodna z tą znalezioną w obu ostatnich badaniach filogenomicznych. Jednakże, niniejsza praca rozszerza poprzednie ustalenia poprzez włączenie taksonów nie analizowanych w ostatnich badaniach filogenomicznych, mianowicie taksonów z rodzajów Phyllodesmium, Caloria, Pruvotfolia, Pteraeolidia, Cratena, Facelina, Glaucus, Calmella, Piseinotecus, Tergipes, Notaeolidia, Embletonia i Charcotia. Większość z nich należy do kladów, których można by się spodziewać na podstawie wcześniejszych badań molekularnych: Phyllodesmium jest blisko spokrewniona z Dondice w obrębie kladu facelinidów, który jest siostrzany do Aeolidiidae ; Caloria jest wspierana w obrębie drugiego kladu facelinidów i jest blisko spokrewniona z gatunkami Pruvotfolia ; Facelina, Glaucus i Cratena są blisko spokrewnione w obrębie drugiego kladu facelinidów ; Calmella jest blisko spokrewniona z Flabellina i Paraflabellina ; a Tergipes mieści się w tym, co jest obecnie Fionidae . Jednak umieszczenie Pteraeolidia jako blisko spokrewnionej z Palisa i Austraeolis w obrębie drugiego kladu facelinidów jest nowością w tym badaniu, a przedstawione tu dane molekularne wspierają pozycję Charcotia w grupie siostrzanej do Aeolidida, co sugerowały wcześniej prace morfologiczne.
Pomimo dodania wszystkich nowych danych przedstawionych tutaj, pozycje Notaeolidia i Embletonia pozostają niejasne. Support for the exact positions of these two genera is poor, and these taxa appear to contribute to the low bootstrap values at the base of Aeolidida. Może to być spowodowane przyciąganiem długich gałęzi między Notaeolidia i Flabellinopsis iodinea oraz między Embletonia i Unidentia. Jednak analizy morfologiczne również potwierdzają co najmniej wcześniejszą dywergencję Notaeolidia w obrębie Aeolidida . Niepewność dotycząca pokrewieństwa tych czterech taksonów ma implikacje dla naszego zrozumienia ewolucji cnidosac.
Odkryliśmy również, że indywidualne analizy drzew genowych (oraz analiza trzech genów) są zgodne z wcześniejszymi analizami sekwencji opartymi na PCR na dużą skalę. Te topologie i prawdopodobieństwa potomne wspierają ideę, że dane sekwencjonowania opartego na PCR dla użytych genów (COI, 16S i 18S) zapewniają pewną użyteczność dla wnioskowania o ostatnich dywergencjach, ale że dane sekwencjonowania o wysokiej wydajności są niezbędne do wnioskowania o głębszych dywergencjach.
Ewolucja nematocyst
W oparciu o przedstawioną filogenezę (ryc. 6) sekwestracja nematocyst u cnidiów powstała co najmniej dwukrotnie w obrębie Cladobranchia. Wynik ten wskazuje również, że gatunki należące do Aeolidida, które nie sekwestrują nematocyst, utraciły tę zdolność, co, jak się wydaje, miało miejsce co najmniej trzykrotnie. Ponadto, wczesna dywergencja Embletoniidae w obrębie filogenezy aeolidów jest sugestywna; wskazuje, że strukturą występującą u Embletoniidae jest cnidosac, a brak muskulatury wokół cnidosac może stanowić pośredni krok w ewolucji sekwestracji kleptoknid. Jednak zanim będzie można wyciągnąć dalsze wnioski, konieczne jest silniejsze wsparcie dla relacji u podstawy Aeolidida. Nasze wyniki potwierdzają również kilka niezależnych przypadków utraty cnidosac, w tym u przedstawicieli Fiona i Tergipes. Wydaje się to być spowodowane przestawieniem się u Fiona na żerowanie głównie na skorupiakach. Przejście z hydroidów na inne rodzaje organizmów mogło również doprowadzić do utraty cnidosac u niektórych gatunków Tergipes.
Przewiduje się, że obecność woreczka na dystalnym końcu gruczołu trawiennego powstała przed uzyskaniem zdolności do sekwestracji nematocyst (ryc. 6; szara ramka), choć wynik ten opiera się na hipotezie, że końcowe woreczki występujące u Charcotiidae i Proctonotidae są homologiczne do tych występujących u Aeolidida. Wsparcie dla tej hipotezy jest bardzo niskie, a zatem na podstawie naszej rekonstrukcji wydaje się mało prawdopodobne. Jednakże uważa się, że worki końcowe Charcotiidae i Proctonotidae funkcjonują jako struktury wydalnicze, a niektórzy wysunęli hipotezę, że aeolidowy cnidosac jest adaptacją tego worka do obrony. Chociaż homologia pozostaje niepewna, nasza rekonstrukcja stanu przodków nie odrzuca całkowicie tej hipotezy modyfikacji, w której worek dystalny został przystosowany do sekwestracji nematocyst. Więcej danych morfologicznych i molekularnych od dodatkowych gatunków z kladu Charcotiidae + Proctonotidae + Dironidae jest niezbędnych do dalszego testowania tej hipotezy, jako że klad ten nie jest dobrze reprezentowany w naszej analizie, co może utrudniać wnioskowanie ewolucyjne.
Knidosakopodobne struktury u Hancockiidae wydają się ewoluować niezależnie od dystalnego woreczka zarówno u Aeolidida, jak i jego siostrzanego kladu. Przemawiają za tym przedstawione tu analizy filogenetyczne, jak również różnice w procesie sekwestracji między Hancockia a gatunkami aeolidów. Na przykład, wydaje się, że gatunki Hancockia przed transportem zamykają nematocysty w świetle przewodu pokarmowego, w przeciwieństwie do aeolidów.