Cnidosacul la Cladobranchia
Comparative anatomy of the cnidosac
Până la prezentul studiu, au fost făcute numeroase presupuneri cu privire la uniformitatea morfologiei cnidosacului printre cladobranhii care adăpostesc cleptocnide . Edmunds, în special, oferă desene care sunt remarcabil de consistente între speciile de Fionidae, Favorinidae, Facelinidae și Aeolidiidae, deși descrierile cnidosacului nu au fost scopul principal al acelei publicații. Toate speciile ilustrate în lucrarea respectivă posedă o intrare clară care leagă glanda digestivă de cnidosac (deși în unele cazuri este descrisă o ușoară alungire a intrării, asemănătoare unui canal) și o ieșire distinctă la vârful cerului care leagă cnidosacul de exterior. În plus, toate cnidosacurile sunt reprezentate ca având cleptocnide, iar modul în care este prezentată musculatura este, de asemenea, foarte uniform. Cel mai detaliat studiu despre cnidosacurile aeolidelor, până în prezent, a fost scris de Kälker și Schmekel , dar nu a descris suficient de bine variația care poate fi găsită în această structură la cele aproximativ 600 de specii de aeide. În plus, lucrările privind structurile asemănătoare cnidosacului la Hancockia spp. au început abia recent .
În acest studiu, am constatat că lungimea, dimensiunea și structura intrării în cnidosac variază mai mult decât se așteptau pe baza lucrărilor anterioare, la fel ca și structura ieșirii, sau cnidoporul, musculatura care înconjoară cnidosacul, precum și poziția și orientarea cleptocnidelor . Este important de remarcat faptul că, deși oferim o eșantionare largă de taxoni a caracterelor morfologice ale cnidosacului, pentru multe specii a fost disponibil doar un singur specimen pentru analiză. Ca atare, observațiile privind absența în anumite cazuri trebuie luate cu precauție. Discutăm acești taxoni în special mai jos.
Lucrările anterioare prezintă doar o intrare scurtă și simplă în cnidosac (adică o deschidere directă) , probabil din cauza selecției taxonilor care posedă această condiție pur și simplu din întâmplare. Lucrarea noastră sugerează că aceasta este cea mai comună tranziție între glanda digestivă și cnidosac. Cu toate acestea, Hancock și Embleton menționează prezența unui canal ciliat la Aeolidia (= Eolis) papillosa, iar Herdman și Clubb notează prezența unui „canal de legătură lung și curbat” la ceea ce este acum Facelina bostoniensis (= Facelina drummondi). Câțiva taxoni posedă un canal ciliat, inclusiv Aeolidia papillosa, Cerberilla amboinensis, Cratena peregrina, Pteraeolidia ianthina și Paraflabellina ischitana . Acești taxoni nu sunt strâns înrudiți și, prin urmare, canalul nu este omolog în rândul taxonilor care îl posedă, sugerând o explicație funcțională pentru prezența sa. Inițial, am suspectat că prezența acestui canal alungit era legată de dimensiunea cleptocenozelor, deoarece A. papillosa, C. amboinensis și P. ianthina sechestrează cleptocenoze mai mari (> 20 μm în lungime). Cu toate acestea, acest lucru nu este susținut de C. peregrina și P. ischitana, deoarece aceste specii sechestrează nematociste mai mici. În aceste cazuri, canalul ciliat poate fi o relicvă a unei schimbări ancestrale în dietă, dar posibila semnificație funcțională a canalului ciliat rămâne speculativă.
În mod similar, nu există un model consistent între taxonii care posedă o zonă de proliferare față de cei care nu o au. Singura excepție este absența unei zone de proliferare la taxonii care nu sechestrează nematocistele din genul Phyllodesmium. Singura specie din Phyllodesmium la care am identificat o zonă de proliferare este P. jakobsenae, care este singura specie de Phyllodesmium despre care se știe că adăpostește cleptocnide. Încă nu este clar de ce unii taxoni par să aibă o zonă de proliferare, în timp ce alții nu, dar bănuim că, într-un număr mic de cazuri, artefactele de secționare a unor eșantioane au dus la distrugerea acestei regiuni (probabil din cauza dificultăților de conservare), ceea ce duce la fragmente de membrană și cleptocnide care plutesc liber în interiorul cnidosacurilor unor specii a (de exemplu, Cratena peregrina; Fig. 4d). Pentru a aborda acest aspect, ar trebui cercetați mai mulți indivizi din aceste specii. Absența aparentă a unei zone de proliferare se poate datora, de asemenea, diferențelor în ceea ce privește stadiul de creștere al indivizilor investigați sau al ceratiilor, în cazul în care unii dintre aceștia se aflau în proces de regenerare, dar nu am găsit dovezi care să susțină în mod explicit niciuna dintre aceste ipoteze. Mai mult, cel puțin un studiu anterior a menționat prezența acestei regiuni , dar nu a fost discutată în detaliu. Această regiune este locul în care nematocitele sunt preluate de cnidofage înainte de a migra spre capătul distal al cnidosacului. Cu toate acestea, întinderea exactă a zonei de proliferare rămâne neclară. La unele specii, aceasta pare să fie limitată la cnidosac (de exemplu, Pteraeolidia ianthina; Fig. 4a), dar la altele această zonă pare să se extindă în părțile adiacente ale glandei digestive (de exemplu, Dondice occidentalis; Fig. 4b). La majoritatea taxonilor care sechestrează nematocistele, am găsit doar ieșiri foarte simple din cnidosac, care în unele cazuri este acoperit de un epiteliu subțire. Acest înveliș conține celule similare cu cel al epidermei cerata, care este alcătuit din celule columnare alungite cu ceea ce par a fi numeroase vacuole specializate. Ieșirile simple sunt cele mai frecvente, atât în studiul nostru, cât și, se pare, în altele . Cu toate acestea, la câțiva taxoni selectați în cadrul Aeolidiidae, inclusiv Aeolidia papillosa, Anteaeolidiella chromosoma și Cerberilla amboinensis, este prezent un cnidopor complex (Fig. 4c). Acesta poartă o căptușeală epitelială care pare continuă cu cea a epidermei. Această structură a fost identificată anterior , dar a fost considerată pur și simplu o zonă de celule nediferențiate despre care se credea că servește drept rezervă pentru cnidofagele pierdute. Cu toate acestea, datorită localizării la capătul distal al cnidosacului și ca parte a cnidoporului, bănuim că nu este cazul. În schimb, presupunem că acest strat celular este o adaptare specială pentru eliberarea nematocitelor excepțional de lungi și înguste sechestrate din anemone (până la 50-60 μm în lungime, dar < 5 μm în lățime). Termenul de cnidopor a fost folosit anterior în mod necritic pentru a se referi la toate ieșirile din cnidosac , dar acum redefinim aici termenul de cnidopor pentru a ne referi la structura găsită până acum doar la Aeolidiidae.
Deși musculatura care înconjoară cnidosacul variază, de asemenea, între Aeolidida, semnificația acestei variații este neclară. Musculatura din jurul cnidosacului este foarte subțire sau lipsește în totalitate doar la câteva specii, inclusiv la Embletonia gracilis, Embletonia pulchra și Bulbaeolidia alba. Atunci când este prezentă, grosimea mușchiului variază de la o specie la alta, variind de la ceea ce pare a fi un singur strat la mai multe straturi. Această variație a grosimii musculaturii este ilustrată într-un studiu anterior , deși nu atât de precis cum indicăm noi aici (tabelul 3). Nu există o explicație evolutivă evidentă pentru variația grosimii mușchilor sau a numărului de straturi musculare între taxoni , dar un strat muscular mai gros ar duce probabil la o expulzare mai puternică a cleptocnidelor. Creșterea musculaturii ar putea fi asociată cu presiunea de prădare, dimensiunea cleptocnidelor încorporate sau stadiul de dezvoltare. Încorporarea unor indivizi suplimentari de la fiecare specie și în diferite stadii de dezvoltare, precum și măsurători ale mărimii cleptocnidelor și ale grosimii mușchilor ar fi benefice pentru evaluarea acestor ipoteze.
Diferențierea cnidofagelor dintr-o celulă funcțională și activă într-un „container sau cămară” de cleptocnide la vârful cnidosacului reflectă maturizarea cleptocnidelor prin transport de protoni, care sunt imature și nefuncționale atunci când sunt sechestrate pentru prima dată . După maturizare, celulele par să nu mai aibă nicio funcție din cauza reducerii complexității celulare. Lucrătorii anteriori au încercat să abordeze originea membranei cnidofagului , iar recent au ajuns la concluzia că aceasta este un fagosom, o veziculă specializată formată de membrana celulară . În cadrul cnidofagilor, numărul cleptocenozelor poate varia atât în interiorul taxonului, cât și între taxoni. Acest lucru pare să fie asociat cu dimensiunea cleptocnidelor; în cadrul unui anumit cnidofag, tind să existe mai puține cleptocnide mari (> 20 μm în lungime) în comparație cu cele cu cleptocnide mai mici (de obicei 10 μm sau mai puțin). Un exemplu poate fi găsit la Pteraeolidia ianthina (Fig. 4a), care sechestrează nematococide de mai multe clase de mărime.
Diferențe față de tema generală
Caracterele morfologice evaluate în acest studiu par a fi destul de variabile în cadrul familiilor, dar majoritatea cnidofagelor variază în general pe o temă care este conservată la nivelul Aeolidida. Cu toate acestea, există încă altele care au pierdut anumite structuri ale cnidosacului sau au pierdut cu totul cnidosacul. Se poate emite ipoteza că cnidosacurile pierd legătura cu glanda digestivă sau cu musculatura care înconjoară cnidosacul atunci când nu sunt sechestrate nematocite. De exemplu, speciile din genul Phyllodesmium (cu excepția lui P. jakobsenae) posedă cnidosacuri legate de mușchi care par a fi lipsite de cleptocnide, dar nu există intrări evidente în diverticulul digestiv sau ieșiri către mediul extern. Mai degrabă, aceste specii sechestrează substanțe chimice pentru apărare și, prin urmare, nu au neapărat nevoie de o intrare structurată. În acest fel, cnidosacurile din Phyllodesmium pot fi similare cu formațiunile dermice ale mantalei la Charcotiidae, care nu au o ieșire, dar eliberează conținutul atunci când sunt comprimate . Cu toate acestea, la speciile din genul Favorinus, structura generală a cnidosacului (inclusiv orificiul de la glanda digestivă și mușchii din jurul cnidosacului) rămâne aceeași, dar nu sunt prezente cleptocnide, din cauza înclinației acestor specii de a se hrăni cu ouăle altor gasteropode . Deși este posibil ca lipsa cleptocnidelor să provină dintr-o înclinație ipotetică la Phyllodesmium și Favorinus de a descărca nematociste în timpul procesului de fixare, sugerăm că acest lucru este puțin probabil. În primul rând, membrii din Phyllodesmium par să aibă un epiteliu intact în care s-ar fi putut aștepta ca cleptocnidele să fie ejectate. Dacă cleptocnidele ar fi fost ejectate în timpul fixării, cerasul ar fi fost fixat cu o deschidere în vârf. În plus, absența cleptocnidelor, în special la Phyllodesmium, este, de asemenea, bine documentată (cu excepția lui P. jakobsenae). La Favorinus, este posibil ca acesta să fie cazul, având în vedere epiteliul deschis de la vârful cerata (de exemplu, Fig. 2c), dar absența cleptocnidelor este în concordanță cu obiceiul membrilor acestui gen de a mânca ouă de gasteropode.
Mai multe variații pe această temă se găsesc la Bulbaeolidia alba, Embletonia spp. și la speciile din cadrul genului Fiona. Bulbaeolidia alba are un sac la capătul distal al glandei digestive care conține doar ocazional zooxanthellae (Symbiodinium). În plus, nu am găsit nicio intrare sau ieșire evidentă către sau din sac, iar structura pare să fie înconjurată de câteva fibre musculare subțiri. Am emis ipoteza că lipsa cleptocnidelor se poate datora dimensiunilor foarte mici ale B. alba, care, prin urmare, ar putea avea o nevoie de apărare mai mică, dar chiar și taxoni mai mici din genurile Embletonia și Pseudovermis posedă cleptocnide. Alternativ, presupunem că lipsa de sechestrare poate fi legată de dimensiunea sau utilitatea nematocisturilor găsite în anemonele cu care se hrănește această specie. O a treia alternativă este că B. alba găzduiește în schimb alți compuși naturali în acest sac, fie de la prada sa, ca la Phyllodesmium, fie produși de novo. Din nou, este posibil ca lipsa cleptocnidelor la B. alba să fie un artefact al dimensiunii mici a eșantionului, dar, la fel ca în cazul Phyllodesmium, nu s-a putut găsi nicio dovadă de extrudare. Membrii Embletoniidae par să fi pierdut, din punct de vedere evolutiv, musculatura care înconjoară cnidosacul în întregime sau reprezintă o etapă intermediară în evoluția cnidosacului, după cum se discută în secțiunea de mai jos privind evoluția cnidosacului. De asemenea, la acești taxoni nu există o intrare sau o ieșire evidentă către și din cnidosac. În cele din urmă, unele specii de Fionidae din cadrul genului Fiona (acest studiu) au pierdut în întregime cnidosacurile, aparent pentru că speciile din acest gen preferă prada non-cnidariană .
Nematocistele sechestrate au fost găsite, de asemenea, într-o altă familie din cadrul Cladobranchia, Hancockiidae. La Hancockia californica observăm structuri foarte asemănătoare cu cnidosacurile (pe care le numim cnidosac-like), cu cleptocene adăpostite în celule asemănătoare cnidofagelor în mai mulți saci musculoși la vârful fiecărui ceras. Aceste structuri au fost găsite, de asemenea, la Hancockia uncinata și H. schoeferti , iar în unele cazuri structurile asemănătoare cnidosacurilor au fost găsite atât în cerata, cât și în învelișurile rinoforale. Inferențele de omologie cu privire la structurile găsite la Hancockiidae și cele de la Aeolidida sunt discutate în secțiunea următoare.
Filogenia Cladobranchia și evoluția cnidosacului
Inferențe filogenetice
Dat fiind faptul că o mare parte din datele moleculare incluse aici sunt derivate din studii publicate anterior, topologia dedusă în analiza noastră filogenetică (Figura 5) este în concordanță cu cea găsită în ambele studii filogenetice recente . Cu toate acestea, această lucrare extinde constatările anterioare prin includerea unor taxoni care nu au fost analizați în studiile filogenomice recente, și anume taxoni din genurile Phyllodesmium, Caloria, Pruvotfolia, Pteraeolidia, Cratena, Facelina, Glaucus, Calmella, Piseinotecus, Tergipes, Notaeolidia, Embletonia și Charcotia. Majoritatea acestora se încadrează în cladele la care ne-am aștepta pe baza lucrărilor moleculare anterioare: Phyllodesmium este strâns înrudit cu Dondice în cadrul cladei de facelinide care este soră cu Aeolidiidae; Caloria este susținută în cadrul celei de-a doua clade de facelinide și este strâns înrudită cu speciile de Pruvotfolia; Facelina, Glaucus și Cratena sunt strâns înrudite în cadrul celei de-a doua clade de facelinide; Calmella este strâns înrudită cu Flabellina și Paraflabellina; iar Tergipes se încadrează în ceea ce este acum Fionidae . Cu toate acestea, plasarea Pteraeolidia ca fiind strâns înrudită cu Palisa și Austraeolis în cadrul celei de-a doua clade de facelinide este o noutate pentru acest studiu, iar datele moleculare prezentate aici susțin poziția Charcotia în cadrul grupului înfrățit cu Aeolidida, așa cum a fost sugerat anterior de lucrările morfologice.
În ciuda adăugării tuturor datelor noi prezentate aici, pozițiile Notaeolidia și Embletonia rămân neclare . Sprijinul pentru pozițiile exacte ale acestor două genuri este slab, iar acești taxoni par să contribuie la valorile bootstrap scăzute de la baza Aeolidida. Acest lucru se poate datora atracției de ramură lungă între Notaeolidia și Flabellinopsis iodinea , precum și între Embletonia și Unidentia. Cu toate acestea, analizele morfologice susțin, de asemenea, cel puțin divergența anterioară a Notaeolidia în cadrul Aeolidida. Incertitudinea din jurul afinităților acestor patru taxoni are implicații pentru înțelegerea noastră a evoluției cnidosacului.
De asemenea, constatăm că analizele arborelui genetic individual (și analiza celor trei gene) sunt în concordanță cu analizele anterioare de secvență pe scară largă bazate pe PCR . Aceste topologii și probabilități posterioare susțin ideea că datele de secvențiere bazate pe PCR pentru genele utilizate (COI, 16S și 18S) oferă o anumită utilitate pentru a deduce divergențe recente, dar că datele de secvențiere de mare capacitate sunt necesare pentru a deduce divergențe mai profunde.
Evoluția cnidosacului
Sechestrarea nematocisturilor cnidariane a luat naștere de cel puțin două ori în cadrul Cladobranchia, pe baza filogeniei prezentate aici (Fig. 6). Acest rezultat indică, de asemenea, că speciile din cadrul Aeolidida care nu sechestrează nematocistele au pierdut această capacitate, ceea ce pare să se fi întâmplat de cel puțin trei ori. În plus, divergența timpurie a Embletoniidae în cadrul filogeniei Aeolididae este sugestivă; aceasta indică faptul că structura din cadrul Embletoniidae este un cnidosac și că lipsa musculaturii din jurul cnidosacului poate reprezenta o etapă intermediară în evoluția sechestrării cleptocenozelor. Cu toate acestea, este necesar un sprijin mai puternic pentru relațiile de la baza Aeolidida înainte de a se putea face alte deducții. Rezultatele noastre susțin, de asemenea, mai multe pierderi independente ale cnidosacului, inclusiv la membrii din Fiona și Tergipes. Acest lucru pare să se datoreze trecerii la Fiona la prădarea mai ales a crustaceelor. O tranziție a preferințelor de pradă de la hidroizi la alte tipuri de organisme poate, de asemenea, să fi dus la pierderea cnidosacului la unele specii de Tergipes .
Se presupune că prezența unui sac la capătul distal al glandei digestive își are originea înainte de capacitatea de a sechestra nematocistele (Figura 6; caseta gri), deși acest rezultat se bazează pe ipoteza că sacii terminali găsiți la Charcotiidae și Proctonotidae sunt omologi cu cei de la Aeolidida. Sprijinul pentru această ipoteză este foarte scăzut și, prin urmare, pare puțin probabil pe baza reconstrucției noastre. Cu toate acestea, se consideră că sacii terminali de la Charcotiidae și Proctonotidae funcționează ca structuri excretoare, iar unii au emis ipoteza că cnidosacul aeolid este o adaptare a acestui sac pentru apărare . Deși omologia rămâne incertă, reconstrucția noastră a stării ancestrale nu respinge complet această ipoteză de modificare, în care sacul distal a fost adaptat pentru a sechestra nematocistele. Mai multe date morfologice și moleculare de la specii suplimentare din clada Charcotiidae + Proctonotidae + Dironidae sunt necesare pentru a testa în continuare această ipoteză, deoarece această cladă nu este bine reprezentată în analiza noastră, ceea ce poate îngreuna inferențele evolutive.
Structurile asemănătoare cnidosacului din Hancockiidae par să fi evoluat independent de sacul distal atât la Aeolidida, cât și la clada sa soră. Acest lucru este susținut de analizele filogenetice prezentate aici, precum și de diferențele în procesul de sechestrare între Hancockia și speciile de aeolidi. De exemplu, se pare că speciile de Hancockia încapsulează nematocistele în lumenul tractului digestiv înainte de transport , spre deosebire de aeolidi.
.