![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Сравнительно-анатомический и эмбриологичекий анализ ключевых стадий онтогенеза представителей разных групп Cnidaria, в дополнение к молекулярно-генетических исследованиям, необходим как для решения вопросов филогении Cnidaria, так и реконструкции общего предка всех Bilateria. На основании морфологических данных была выдвинута гипотеза, которая затем получила подтверждение на молекулярно-генетическом уровне, о том, что Кораллы (Anthozoa) в большей степени, чем остальные группы Стрекающих, сохранили черты общего предка Urbilateria. В пределах этой гипотезы группы, образующие ветвь Medusozoa (Сцифоидные, Кубомедузы, Ставромедузы и Гидроидные), рассматриваются как более измененные. Происхождение сложного жизненного цикла у Medusozoa представляет собой старый вопрос зоологии и биологии развития. Для ответа на него необходимо сопоставить план строения коралловых полипов и стадий жизненного цикла Medusozoa. Однако Scyphozoa, как одна из ключевых групп такого сравнения, мало охвачена филогенетическими и сравнительно-анатомическими исследованиями. Детальное изучение эмбрионального и раннего постэмбрионального развития (метаморфоза) Сцифоидных с разными вариантами жизненного цикла («метагенетическим» - с метаморфозом личинки в полип и со стробиляцией, и «прямым» - с прямой трансформацией личинки в медузу) представляет фундаментальный интерес для понимания филогении Стрекающих в целом. Исследование метаморфоза личинки-планулы позволит прояснить преемственность эмбриональных зародышевых листков с эпителиальными структурами первичного полипа Сцифоидных. Детальное описание развития и метаморфоза с учетом соответствующих литературных данных по основным группам Стрекающих (Кораллы и Гидроидные) позволbт уточнить филогенетические связи внутри Cnidaria, предложить гипотезу о путях эволюции раннего развития и метаморфоза в разных группах Стрекающих.
Analysis of the key ontogenetic stages of the different cnidarians based on comparative anatomy and embryology data in addition to molecular genetics investigations is essential both for resolving on Cnidaria phylogeny, and reconstruction of the common ancestor of Bilateria. The hypothesis based on morphological data and supported at the molecular-genetical level, states that anthozoans retain to a greater extent than other groups of Cnidaria the features of the common urbilaterian ancestor. According to this hypothesis the groups constituting the Medusozoa branch (Scyphozoa, Cubozoa, Staurozoa and Hydrozoa) considered to be more derived. Origin of the complex medusozoans life cycle is an old question in zoology and developmental biology. To answer it we need to compare the bauplan of anthozoan polyps with the medusozoan life cycle stages. But phylogeny and comparative anatomy of Scyphozoa, as one of the key groups for such comparison, is weekly studied. The detailed study of the embryonic and early post-embryonic development (metamorphosis) of scyphozoans with different variants of the life cycle (“metagenetic” - with larva metamorphosis into polyp, and “direct” - with direct larva transformation into young medusa) is of fundamental interest for Cnidaria phylogeny resolving. Investigation of the larva metamorphosis will clarify the continuity between the germ layers and epithelia structures of the scyphozoan primary polyp. New detailed description of the development and metamorphosis together with published data on main Cnidaria groups (Anthozoa and Hydrozoa) will clarify the phylogenetic relations within Cnidaria, and put forward the hypothesis on the evolution of the early development and metamorphosis in different groups of this phylum.
В результате выполнения проекта будут получены новые уникальные данные по ранним стадиям развития четырех видов Сцифоидных. Эти данные будут содержать детальное и полное описание процессов развития и метаморфоза на морфологическом, клеточном и ультраструктурном уровнях. Анализ полученных данных позволит провести сравнение ранних стадий развития Сцифоидных с разными вариантами жизненного цикла: с метаморфозом личиник в первичный полип, и с прямой трансформацией личинки в медузу. Это позволит сопоставить разные варианты жизненных циклов Сцифоидных и ответить на вопрос о возможном «сходстве» процессов формообразования при метаморфозе личинки в полип и при прямом развитии в медузу.
Коллектив обладает необходимыми навыками и опытом проведения работ, заявленных в проекте. Отработаны основные методики содержания и длительного наблюдения эмбрионального и раннего пост-эмбрионального развития в контролируемых условиях с регистрацией методом цейтраферной микро-видеосъемки. Отработаны и адаптированы основные методы фиксации материала для гистологического и ультраструктурного анализа. Широко применяются иммуно-цитохимическеи методы визуализации с применением конфокальной сканирующей микроскопии. В последние годы проводятся исследования процессов развития, метаморфоза и формообразования у представителей Стрекающих. Начато детально Методами световой и электронной микроскопии проведено исследование отдельных этапов эмбрионального развития и метаморфоза Aurelia aurita. Получены первые интересные данные об особенностях метаморфоза личинки в первичный полип у A. aurita (Майорова et al., 2012). Методами иммуно-цитохимии и конфокальной сканирующей микроскопии изучена организация нервной системы личинок A. aurita и Cyanea capillata. Исследования сцифистом A. aurita и C. capillata с применением электронной сканирующей и конфокальной микроскопии позволили выявить наличие стрекательных клеток в гастродерме полипов. Ранее такие же данные были получены при изучении анатомии полипов коронатных медуз (Саидов, 2012). Применение иммуно-цитохимических методов и конфокальной сканирующей микроскорпии позволили обнаружить различия в клеточной организации планул C. capillata и С. tzetlinii. Молекулярно-генетическими методами подтверждена видовая принадлежность беломорской A. aurita. Отработаны методы проведения анализа и имеются работающие праймеры, что позволит быстро и однозначно подтвердить видовую принадлежность отобранных экземпляров Cyanea молекулярно-генетическими методами.
Сравнительно-анатомический и сравнительно-эмбриологический анализы полученныхданных и данных из литературных источников помогут ответить на вопрос о гомологии полипов Сцифоидных полипам Кораллов и Гидроидных. Это принципиально улучшит понимание филогенетических взаимоотношений в типе Стрекающих и эволюции сложного жизненного цикла у Medusozoa. Полученные новые данные приблизят нас к пониманию особенностей организации общего предка Стрекающих и Билатерий. Кроме того, детальный анализ метаморфоза и формирования плана организации полипов и медуз (при прямом развитии) у Сцифоидных позволят выдвинуть предположения о принципах формирования симметрии полипоидной и медузоидной стадий. Полученные данные будут использованы в лекционных курсах, читаемых на биологическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2019 г.-25 декабря 2019 г. | Развитие и метаморфоз Scyphozoa - ключ к пониманию жизненного цикла Cnidaria |
Результаты этапа: 1. Проведено детальное комплексное изучение эмбрионального и раннего пост-эмбрионального развития сцифоидного Aurelia aurita из Белого моря методами световой, электронной микроскопии, и с применением методов иммуноцитохимии и конфокальной микроскопии. Показано, что деления дробления полные, не всегда равные, теряют синхронность очень рано – начиная с 3-4 деления дробления. Бластула с обширной бластоцелью. Эпителизация в бластуле начинается рано, начиная со стадии 32 бластомеров. Гаструляция в целом происходит по типу инвагинации. Основная часть эндодермы гаструлы формируется из относительно небольшого числа клеток, составляющих крышу архентерона. Гаструла с хорошо выраженной гастральной полостью. Сравнительный анализ позволяет предположить, что гаструляции у A. aurita в значительной степени напоминает гаструляцию, описанную у Nematostella vectensis, представителя кораллов. На эмбриональных стадиях пролиферация клеток распределена относительно равномерно по развивающемуся зародышу. Снижение интенсивности клеточных делений выявляется в местах, связанных с активными движениями клеток и пластов в процессе гаструляции. Начиная с ранних эмбриональных стадий развития A. aurita, важную роль играет апоптоз, с помощью которого в развивающемся зародыше происходит элиминацией дефектных клеток. У компетентной личинки-планулы эндодерма подразделяется на три отдела – передний, средний и задний, которые отличаются на гистологическом и цитологическом уровнях. Детальный анализ оседания и метаморфоза личинки в первичный полип позволил выявить следующие закономерности: (1) подтверждено, что в процессе метаморфоза манубриум (ротовой конус) первичного полипа формируется на основе инвагинации эпидермального пласта; в результате - и внутренняя выстилки манубриума имеют эктодермальное происхождение; следовательно, манубриум первичного полипа у A. aurita можно гомологизировать с глоткой у кораллов; (2) в формировании первых щупалец первичного полипа принимают участие разные отделы эндодермы личинки: первая пара щупалец формируется на основе заднего отдела эндодермы личинки; вторая пара щупалец – на основе среднего отдела эндодермы личинки; передний отдел эндодермы личинки дает начало гастродерме ножки первичного полипа; (3) в формировании гастродермы чашечки первичного полипа принимает участие эндодерма двух отделов личинки, при этом производные соответствующих отделов чередуются по окружности. Анализ метаморфоза личинки-планулы в первичный полип позволяет высказать предположение о механизмах определения 4-х лучевой симметрии сцифополипов и определении мест закладки септ, основанное на гипотезе Беркина и Херманна (Berking, Herrmann, 2006). 2. Начаты работы по сравнительному анализу эмбрионального и раннего пост-эмбрионального развития сцифоидных, относящихся к роду Cyanea: C. capillata и C. tzetlinii. Вид C. tzetlinii был описан в 2015 году в Белом море, и морфологически очень слабо отличается от C. capillata. Как показали предварительные исследования, общие закономерности развития близких видов C. capillata и C. tzetlinii сходны у обоих видов и с таковыми, описанными нами для A. aurita. Основные обнаруженные особенности заключаются в следующем: (1) дробление преимущественно равное и сохраняет синхронность до 5-6 циклов деления; (2) в первых делениях цитотомия несколько отстает от кариотомии и бластомеры длительное время остаются соединенными цитоплазматическими мостиками; (3) гаструляция протекает по типу инвагинации; сформированная гаструла напоминает «паренхимулу» из-за практически полного исчезновения гастральной полости; (4) апикальный орган компетентной планулы выражен слабо; (5) на заднем конце планулы C. tzetlinii выявляется группа из 3-5 эктодермальных клеток, показывающая четкую серотонин-положительную активность и имеющие характерную ультраструктуру, свидетельствующую об их секреторной природе; у планул C. capillata такие клетки отсутствуют; (6) Оседание и метаморфоз планул обоих видов р. Cyanea в целом осуществляется так же, как и у A. aurita. Полученные предварительные данные позволят сконцентрировать усилия на детальном изучении критических для целей проекта стадиях развития и метаморфоза представителей р. Cyanea. 3. Завершена отработка и модификация методик анализа динамики пролиферации и апоптоза у представителей сцифоидных иммуноцитохимическими методами с последующим анализом с применением конфокальной микроскопии. Модифицированы и опробованы методы фиксации представителей сцифоидных из других регионов Мирового океана для ультраструктурных и иммуноцитохимических исследований. | ||
2 | 1 января 2020 г.-26 декабря 2020 г. | Развитие и метаморфоз Scyphozoa - ключ к пониманию жизненного цикла Cnidaria |
Результаты этапа: В соответствие с заявленными на 2020 год задачами были проведены работы и получены новые данные по следующим направлениям: 1. Завершено комплексное изучение эмбрионального развития Cyanea capillata и начато изучение эмбрионального развития C. tzetlinii. На основе прижизненных наблюдений проводили отбор и фиксацию ключевых стадий развития, которые в дальнейшем изучали методами световой, электронной микроскопии, и с применением методов иммуноцитохимии и конфокальной микроскопии. Развитие у данных видов происходит в плотно упакованных в слизь «пакетах» зародышей, которые вынашиваются в ротовых лопастях материнских особей вплоть до стадии компетентной планулы. Наличие плотной слизистой оболочки и «забота о потомстве» накладывают определенный отпечаток на эмбриональное развитие изученных видов р. Cyanea, которое, в результате, несколько отличается от изученного нами развития Aurelia aurita. Деления дробления полные, почти всегда равные всегда равные, сохраняющие синхронность примерно до 5-6 деления. Бластоцель различима уже на стадии 16 бластомеров. Гаструляции напоминает «классическую» гаструляцию – не происходит нарушения эпителиальной структуры стенок архентерона, как это было выявлено нами у A. aurita. Возможно, это связано с тем, что к началу гаструляции зародыш у представителей р. Cyanea более малоклеточный, и бластоцель имеет меньший диаметр. Гаструляция завершается замыканием бластопора. В процессе трансформации в компетентную планулу зародыш меняет форму и переходит к активному плаванию. Строение планул обоих видов р. Cyanea по большинству анатомических и ультраструктурных признаков сходно. Нами была выявлена необычная особенность строения планулы C. tzetlinii: в эктодерме заднего конца личинки имеется группа серотонин-эргических клеток, которые отличаются от остальных клеток эктодермы и на уровне ультратруктуры. У планул C. capillata таких структур выявить не удалось. Функциональное значение этих клеток остается неясным. 2. Проведено подробное ультраструктурное и анатомическое описание стадий метаморфоза A. aurita и C. capillata с акцентом на закладке и формировании септ первичного полипа. Закладка септ начинается с дифференцировки мышечного пучка в местах контактов двух разных компартментов гастродермы. Мышечный пучок является продолжением эпидермы ротового диска полипа. Сократительные элементы клеток мышечного пучка «врастают» в мезоглею и распространяются в направлении ножки полипа к ее основанию. В месте перехода мышечного пучка в эпидерму ротового диска образуется септальная воронка. Интересен тот факт, что сократительные элементы эпидермальных клеток ротового диска, оснований щупалец и мышечного пучка относятся к поперечно-исчеренному типу, в то время как в остальных частях тела полипа эпительально-мышечные клетки имеют сократительные отростки, относящиеся к гладкому типу. Внутри мышечного пучка септы проходит пучок отростков FMRF-амид-эргических нервных клеток. По мере роста полипа, который на начальных стадиях обеспечивается преимущественной пролиферацией клеток ротового диска, мышечный пучок в области ротового диска и чашечки смещается к центру полипа, «вытягивая» за собой складку гастродермы. По наружному краю этой складки от ротового диска начинает разрастаться внутренняя выстилка манубриума, которая имеет эктодермальное происхождение. В результате организация септ у сцифополипов соответствует таковой у кораллов, у которых по свободному краю мезентериев проходит книдо-гландулярный тракт эктодермального происхождения. Однако септы у сцифополипов отличаются от мезентериев коралловых полипов тем, что септы сцифополипов не плоские, а цилиндрические за счет сильного обводнения мезоглеи. 3. Сравнительный анализ эмбрионального и раннего пост-эмбрионального развития (метаморфоза) изученных видов сцифоидных показал значительное сходство морфогенетических процессов с таковыми у Nematostella – модельного объекта биологии развития и наиболее изученного представителя кораллов. Наблюдаемые различия связаны с размерами зародышей и характером развития. Крупные зародыши у Nematostella развиваются в свободном состоянии, более мелкие зародыши у сцифоидных развиваются под защитой материнского организма. В результате можно высказать предположение, что у изученных видов сцифоидных часть морфогенетических процессов (формирование эктодермальной глотки) в результате гетерохронии оказалась перенесенной на более поздние стадии – стадии метаморфоза после оседания. Кроме того, показано принципиальное сходство в анатомической организации полипов кораллов и сцифоидных. 4. Продолжено изучение эмбрионального развития Pelagia noctiluca, представителя Сцифоидных с прямым развитием в толще воды: зародыш развивается напрямую в молодую медузу (эфиру), без стадии полипа. Несмотря на ограниченные возможности, было начато подробное описание стадий развития, с анатомическим и ультраструктурным изучением, от момента оплодотворения до начала формирования молодой эфиры. В результате деления формируется достаточно крупная многоклеточная бластула с обширным бластоцелем. Бластула совершает периодические пульсации. Гаструляция осуществляется «классической» интвагинацией (эпителиальный морфогенез) без нарушения целостности клеточного пласта. У гаструлы сохраняется обширный бластоцель, заполненный обводненной мезоглеей. Формирование лопастей эфиры начинается с закладки «карманов» на боках архентерона. Порядок закладки карманов архентерона соответствует порядку закладки щупалец у первичных полипов изученных ранее сцифоидных. | ||
3 | 1 января 2021 г.-28 декабря 2021 г. | Развитие и метаморфоз Scyphozoa - ключ к пониманию жизненного цикла Cnidaria |
Результаты этапа: Стрекающие (Cnidaria) располагаются в основании древа Многоклеточных (Metazoa), и всестороннее исследование Стрекающих сможет помочь найти ответы на вопросы о том, на кого мог быть похож предок современных билатерально-симметричных животных и какие события привели к его появлению. Несмотря на достаточно простой общий план организации, Стрекающие представляют собой очень разнообразную группу многоклеточных животных. Это разнообразие включает как существенные анатомо-морфологические отличия, так и многообразие жизненных циклов. Более того, последние данные свидетельствуют о том, что генетические дистанции между основными группами Стрекающих сопоставимы с генетическими дистанциями между типами билатерально-симметричных животных. Поэтому вопрос об отношениях основных групп внутри типа Стрекающих является актуальным. В настоящем проекте была поставлена цель выявить сходства развития и плана организации полипоидной стадии Стрекающих на основе сравнительного анализа развития, метаморфоза и становления плана организации четырех видов Сцифоидных. Во всех основных непаразитических группах стрекающих (Anthozoa, Scyphozoa, Cubozoa, Hydrozoa) в базовом жизненном цикле имеется стадия полипа. У кораллов (Anthozoa) это единственная «взрослая» стадия, которая размножается половым и вегетативным путем. У Medusuzoa (Scyphozoa, Cubozoa и Hydrozoa) жизненный цикл проходит с чередованием поколений, и помимо бесполого поколения полипов имеется свободноплавающая медузодная стадия, размножающаяся половым путем. Несмотря на простоту базового плана организации, полипы кораллов, сцифоидны, кубозой и гидроидных существенно отличаются. Однако, отсутствие необходимых данных не позволяли сопоставить закономерности раннего развития в указанных групп, в том числе, ответить на вопрос: возможно ли выведение развития, в первую очередь, Сцифоидных из варианта развития Кораллов. Проведенные на основе современных подходов и методов световой и электронной микроскопии исследования эмбрионального и раннего постэмбрионального развития четырех видов стрекающих (Aurelia aurita, Cyanea capillata, C. tzetlinii – видов с метагенетическим жизненным циклом, и Pelagia noctiluca – вид сцифоидных с прямым развитием медузы из личинки планулы) позволили сделать следующие заключения. 1. Анализ эмбрионального развития кораллов и сцифоидных выявил принципиальное сходство основных морфогенетических процессов в обеих группах. Начальные стадии дробления протекают единообразно, и свидетельствуют об общих закономерностях и тенденциях. Незначительные отличия у разных видов обеих групп стрекающих выявлены в процессе гаструляции. Эти отличия связаны с разной степенью участия трех основных процессов – инвагинации, эпителиально-мезенхимального перехода (ЭМП) и мезенхимально-эпителиальной трансформации (МЭТ). Существенно отличие гаструляции у гидроидных связано с потерей инвагинации как морфогенетического процесса; в результате гаструляция осуществляется с участием только ЭМП и МЭТ. 2. У кораллов гаструляция завершается формированием личинки со ртом и эктодермальной глоткой. У сцифоидных с метагенетическим жизненным циклом при завершении гаструляции происходит выворачиванием «презумптивной глотки» (губы бластопора), и личинка-гаструла лишена рта. У сцифоидных с прямым развитием (P. noctiluca) у личинки сохраняется ротовое отверстие и гомолог глотки кораллов (губа бластопора), однако по завершении гаструляции выстилка гастральной полости (энтодерма) не соприкасается с эктодермой. У гидроидных гаструляция осуществляется без формирования бластопора. 3. У кораллов развитие личинки протекает без метаморфоза – «прямое развитие» в первичный полип. У сцифоидных с прямым развитием также происходит постепенная трансформация гаструлы в эфиру (личинку медузы) за счет разрастания энтодермы и формирования ею боковых карманов, инициирующих развитие зачатков лопастей эфиры. У сцифоидных с метагенетическим жизненным циклом личинка оседает, прикрепляется к субстрату и претерпевает метаморфоз в первичный полип. 4. Как показали наши исследования, метаморфоз планулы сцифоидных сопровождается инвагинацией эпидермы (соответствующей участку эктодермы бывшей губы бластопора гаструлы) на оральном полюсе личинки, что приводит к формированию рта и гомолога глотки кораллов. Инвагинировавшая эпидерма формирует внутреннюю выстилку манубриума и ротового диска первичного полипа. 5. По предварительным данным (по кораллам необходимые подробные данные отсутствуют) в развитии мезентериев/септ у кораллов и сцифополипов наблюдаются сходные закономерности. Определение мест закладки мезентериев/септ можно объяснить, исходя из предложенной Беркиным с коллегой (Berking, 2007; Berking, Herrmann, 2007) модели: закладка мезентериев/септ происходит на границе между разными компартментами гастродермы (наследуются от личинки-планулы), что подтверждено нашими данными по сцифоидным. Общий план строения мезентериев у кораллов и септ у сцифополипов также оказался сходным: гастродермальная складка стенки тела с эпидермальной свободной частью. Однако мышечный тяж (ретрактор), проходящий в мезентерии/септе, имеет разное происхождение и разное расположение. 6. Анализ полученных в результате выполнения проекта данных позволяет утверждать, что закономерности эмбрионального и раннего постэмбрионального развития у представителей Anthozoa и Scyphozoa принципиально сходны, так же, как и организация самих полипоидных стадий. Формирование сцифополипов легко выводится из развития кораллов за счет незначительных изменений процессов развития, как следствие незначительного упрощения полипоидной стадии сцифоидных, в связи с частичным «подавлением» полипоидной стадии в этой группе Стрекающих. 7. Полученные нами данные позволяют высказать предварительные предположения о появлении медузоидной стадии у Стрекающих. Процесс стробиляции, в результате которого у сцифоидных происходит формирование и отделение личинок медуз (эфир), можно вывести из поперечного деления, часто встречающегося у коралловых полипов. С объяснением появления медузоидной стадии у гидроидных ситуация сложнее. По своей организации гидромедузы похожи на сцифомедуз, однако сложно соотнести процессы их формирования на морфологическом уровне (боковое почкование с формированием медузоидного узелка) с процессами стробиляции у сцифоидных. Вместе с тем, полученные в результате выполнения проекта данные по развитию сцифоидных позволяют определить ключевые моменты развития сцифо- и гидромедуз, на исследования которых необходимо направить основные усилия по сравнительному анализу регуляторных механизмов. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".