Петров анатолий Александрович ультраструктурные и гистохимические особенности половой системы бескишечных турбеллярий (acoela) и их филогенетическое значение




Yüklə 399.63 Kb.
səhifə1/2
tarix21.04.2016
ölçüsü399.63 Kb.
  1   2
На правах рукописи
ПЕТРОВ Анатолий Александрович


УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ И ГИСТОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛОВОЙ СИСТЕМЫ БЕСКИШЕЧНЫХ ТУРБЕЛЛЯРИЙ (ACOELA) И ИХ ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Специальность: 03.00.08 – зоология




АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург

2007

Работа выполнена в Лаборатории эволюционной морфологии Зоологического института Российской Академии наук.




Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор Ю.В. Мамкаев




Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

А.Б. Шатров

доктор биологических наук,

Г.С. Слюсарев




Ведущее учреждение: Российский государственный

педагогический университет

им. А.И. Герцена

Защита состоится 28 февраля 2007 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д 002 223.02 при Зоологическом институте РАН по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная 1, факс (812) 328-2941.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Зоологического института РАН.

Автореферат разослан «___» ___________ 2007 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета,

доктор биологических наук В.Г. Сиделева


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Трудно назвать другую группу среди низших беспозвоночных, столь же парадоксальную с точки зрения морфологии и физиологии, какой являются бескишечные турбеллярии (Acoela), мелкие морские червеобразные животные, населяющие различные прибрежные биотопы. Для этого отряда характерна уникальная организация пищеварительного аппарата, и почти столь же необычно строение их нервной системы и половых органов. По существу, бескишечные турбеллярии устроены проще, чем любые другие свободноживущие билатерии, причем простота их организации, скорее всего, отражает филогенетическую примитивность – молекулярные данные показывают, что Acoela являются сестринской группой для всех ныне живущих трехслойных животных (см. обзор в Baguñà & Ruitort 2004).

Простота организации бескишечных турбеллярий служит серьезным препятствием при установлении филогенетических связей в пределах группы, существенно ограничивая число признаков, которые могут быть использованы при построении таксономической системы. В этой ситуации органы половой системы, достигающие у Acoela сложности, необычной на фоне примитивности других систем, становятся незаменимыми (а иногда и единственными) источниками филогенетической информации. В то время как признаки мужских копулятивных органов широко используются в принятой сегодня системе (Dörjes, 1968), органы женского полового аппарата (бурсы и их наконечники) изучены мало и, по существу, остаются за пределами внимания исследователей. Наконечники бурс представляют собой сложные многоклеточные образования и, очевидно, что стандартные гистологические методики недостаточны для их всестороннего изучения. В этой ситуации неоценимую помощь могут оказать методы электронной микроскопии. К сожалению, в настоящее время существует лишь одна работа (Brüggemann 1985), в которой наконечники бурс рассматриваются на ультраструктурном уровне.

Особенности ультраструктуры спермиев активно используются систематиками при исследовании самых разных групп беспозвоночных. Недавно было показано их потенциальное значение и в систематике бескишечных турбеллярий (Raikova et al. 2001; Hooge et al. 2002). К сожалению, на текущий момент ультраструктура спермиев известна только для 32 видов Acoela и лишь примерно половина спермиев из этого списка исследована достаточно детально для того, чтобы на основе этой информации можно было делать таксономические или филогенетические выводы.

В целом, построение таксономической системы Acoela еще далеко от завершения, и комплексное исследование спермиев и женских половых органов, предпринятое в данной работе, может привести к существенному прогрессу в этом вопросе.



Цели и задачи исследования. Цель исследования – дать сравнительную и функциональную характеристику спермиев и наконечников бурс бескишечных турбеллярий и выявить таксономически значимые признаки.

В задачи работы входило:

  • выбрать представителей с неясным или спорным таксономическим положением;

  • провести ультраструктурное исследование спермиев;

  • выяснить функциональную роль элементов цитоскелета в локомоции спермиев;

  • провести комплексное (ультраструктурное и гистохимическое) исследование бурс и их склеротизированных придатков;

  • выяснить функциональную роль склеротизированных придатков бурс и вероятные пути их эволюции;

  • провести таксономическую оценку рассмотренных семейств Acoela.


Научная новизна работы. Проведен анализ ультраструктурной организации спермиев у 11 представителей бескишечных турбеллярий. Кроме четырех типов ацельных спермиев, уже описанных другими авторами, выявлены два новых типа с промежуточными характеристиками микротрубочкого цитоскелета. Впервые описаны цитоплазматические микротрубочки у спермиев сем. Mecynostomidae. Обосновано положение о функциональной взаимосвязи между двигательным аппаратом спермия (аксонемами) и его цитоскелетом. Рассмотрены особенности эволюции спермиев в пределах отряда, представлена эволюционная схема, обобщающая молекулярные и ультраструктурные данные.

Проведено первое детальное сравнительно-анатомическое исследование бурс и их склеротизированных придатков. Впервые применен комплексный подход к изучению строения наконечников с использованием электронной микроскопии и гистохимических методов (окраска фаллоидином). Органы женской половой системы были исследованы у 7 представителей Acoela. Выявлена высокая морфологическая изменчивость наконечников бурс. Одновременно в работе были обнаружены также и общие признаки, характеризующие все исследованные склеротизированные придатки. В частности, показано, что наконечники, также как и стенка бурсы, во всех случаях состоят из специализированных уплощенных клеток, расположенных концентрическими слоями. В целом выделено четыре основных типа склеротизированных придатков. Установлено, что так называемые клеточные колпачки представляют собой специализированную форму наконечников. Приводятся новые данные о функциональной роли наконечников и об их участии в оплодотворении. В качестве обобщения представлена картина формирования вооружения и опорных структур в разных группах низших билатерий: показано, что во многих случаях эти структуры являются дериватами элементов цитоскелета, в состав которых входят актиновые микрофиламенты.



Теоретическое и практическое значение. Данные по ультраструктуре спермиев могут послужить хорошей теоретической основой для установления таксономических групп ранга семейства и надсемейства, как было показано на примере конволютид и изодиаметрид. Эти результаты также важны для понимания закономерностей эволюции спермиев как в пределах Acoela, так и в других группах беспозвоночных. Техника фаллоидиновой окраски может в дальнейшем быть использована для уточнения морфологических данных по наконечникам бурс, так как она предоставляет исключительно точную информацию по распределению актиновых микрофиламентов в клетках и не требует сложного оборудования и больших затрат времени. Новые данные по морфологии спермиев и наконечников бурс могут найти свое отражение в учебниках и монографиях по бескишечным турбелляриям.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 5 на английском языке.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на Международных конференциях: Twelfth International Meiofauna Conference (TWIMCO) (Равенна, 2004 г.), Society of Integrative and Comparative Biology (SICB) Annual Meetings (Новый Орлеан, 2004 г. и Сан Диего, 2005 гг.), а также на Отчетной сессии Зоологического ин-та РАН (Санкт-Петербург, 2006 г.)

Структура и объем работы. Основной текст диссертации изложен на 152 страницах, состоит из введения, 4 глав, общего заключения, выводов и списка литературы. Список литературы содержит 25 отечественных и 134 иностранных названий. Иллюстративный материал включает 51 рисунок и 2 таблицы.

Благодарности. Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность своим научным руководителям: проф. С. Тайлеру (S. Tyler) и проф. Ю.В. Мамкаеву. Австралийский материал (Daku woorimensis, Stomatricha hochbergi и Wulguru cuspidata) был любезно предоставлен д-ром Мэттью Хуги (Matthew Hooge). Беломорский материал Aphanostoma virescens был собран проф. Ю.В. Мамкаевым и д-ром О.И. Райковой. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 06-04-48053.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛОВОЙ СИСТЕМЫ БЕСКИШЕЧНЫХ ТУРБЕЛЛЯРИЙ
1.1. Общий обзор половой системы. В разделе приводится краткая характеристика половой системы Acoela – особое внимание уделяется мужским и женским копулятивным органам.

1.2. Ультраструктура спермиев. На светооптическом уровне спермии, принадлежащие разным группам Acoela, лишь незначительно отличаются друг от друга. Сперматозоиды бескишечных турбеллярий имеют нитевидную или лентовидную форму и неизменно несут две аксонемы, инкорпорированные в цитоплазму клетки. В спермиях бескишечных турбеллярий обычно можно различить три отдела. В проксимальном участке сперматозоида расположено удлиненное ядро. Далее следует промежуточный, или средний, отдел, включающий все крупные клеточные органеллы (митохондрии и цитоплазматические гранулы). Последний, дистальный, участок спермия образует узкий хвостовой отдел – в этот отдел заходят лишь аксонемы, прочие цитоплазматические органеллы в нем отсутствуют. В спермиях обнаруживаются два типа включений, отграниченных от цитоплазмы мембраной. Более крупные преломляющие гранулы хорошо видны при изучении мазков спермиев методами фазово-контрастной микроскопии, благодаря своим светопреломляющим свойствам. Так называемые плотные включения обычно мельче преломляющих гранул и на светомикроскопическом уровне, как правило, не просматриваются.

Ультраструктурные исследования выявили существенные вариации во внутренней организации спермиев. Это разнообразие в значительной степени определяется составом и расположением микротрубочек, как тех, что формируют аксонемы, так и тех, что лежат непосредственно в цитоплазме спермия. У большинства представителей Acoela аксонемы спермиев имеют конфигурацию (далее обозначаемую как 9+2), обычную для ресничек и жгутиков: девять дуплетов по периферии аксонемы и пара синглетов в центре (рис. 1а, б). Описаны еще два варианта организации аксонем (9+1 и 9+0): в первом случае редуцируется одна из центральных микротрубочек (рис. 1в), во втором – исчезают оба центральных синглета (рис. 1г).


Рис. 1. Типы спермиев бескишечных турбеллярий. а – аксонемы 9+2 и кортикальные микротрубочки; б – аксонемы 9+2 и аксиальные микротрубочки; в – аксонемы 9+1, конфигурация цитоплазматических микротрубочек неизвестна; г – аксонемы 9+0 и аксиальные микротрубочки.


У большинства исследованных спермиев с аксонемами 9+2 цитоплазматические микротрубочки располагаются в кортикальной области клетки и ориентированы более или менее параллельно продольной оси спермия (рис. 1а). У некоторых спермиев с аксонемами 9+2 и у всех спермиев с аксонемами 9+0 цитоплазматические микротрубочки расположены одной или несколькими группами ближе к центру клетки (аксиальные микротрубочки - рис. 2б, г). Спермии с аксонемами формулы 9+1 тоже, как правило, относят к этой группе (см., например, Raikova 2001), однако на самом деле цитоплазматические микротрубочки у этих спермиев неизвестны (рис. 2в).

1.3. Семенные сумки и их придатки. Женские копулятивные органы бескишечных турбеллярий имеют весьма разнообразное строение. Как правило, присутствует одна или несколько семенных сумок (бурс), чаще всего открывающихся на поверхность эпителизованным каналом (вагиной, или влагалищем) – бурсы служат резервуарами для хранения спермы партнера, прежде чем та поступит к оплодотворяемому яйцу.

У многих видов семенные сумки образуют придатки в форме жестких склеротизированных трубок (мундштуков, или наконечников, бурс). Принято считать, что наконечник представляет собой специализированный семенной канал (ductus spermaticus), служащий для подведения спермиев к оплодотворяемым яйцеклеткам.

Детали ультраструктуры наконечника известны лишь для одного вида бескишечных турбеллярий – Philocelis cellata (Brüggemann 1985, 1986). Наконечник образован склеротизированной трубкой, отходящей от стенки бурсы в направлении ооцитов, конусовидно сужаясь к своему дистальному концу. Основу трубки составляют дисковидные склеротизированные клетки, расположенные в ряд наподобие стопки тарелок. В центре каждая клетка пронизана отверстием, причем отверстия расположены друг над другом, образуя единый канал. Клеточные тела, содержащие уплощенные ядра, занимают периферию дисков, формируя расширенный внешний край. Внутренний край клеток, прилегающий к просвету канала, также образует шайбовидное расширение, причем цитоплазма этой центральной части заполнена плотным фибриллярным материалом, укрепляющим канал наконечника. Таким образом, каждая склеротизированная клетка имеет вздутые края по внешней и внутренней окружностям, между которыми цитоплазма сужена в тонкую пластинку. Промежуточные клетки расположены в пространствах, образованных тонкими участками дисков; эти клетки не содержат фибриллярного вещества и никогда не достигают просвета канала.

Для некоторых видов бескишечных турбеллярий было недавно показано, что фибриллярный материал, участвующий в склеротизации наконечников, представлен актиновыми филаментами (Hooge & Tyler 2001).



1.4. Функциональная роль наконечников. Согласно мнению, которое разделяет сегодня большинство исследователей, наконечники используются в качестве каналов, по которым хранящаяся в семенных сумках сперма партнера поступает в область яичников, где осуществляется оплодотворение. Тем не менее, высказывались и другие гипотезы – предполагалось, что наконечники могут резорбировать избыточную сперму (Graff 1874; Costello & Costello 1968), прокалывать покровы партнера перед осеменением (Gardiner 1898), осуществлять сортировку, дозировку (Henley 1974; Богута 1971; Brüggemann 1985) или модификацию спермы (Богута 1971), принимать участие в наружно-внутреннем оплодотворении (Мамкаев, 1967).

1.5. Замечания по терминологии. В разделе приводится список ключевых терминов, используемых в диссертации.
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Использованные в работе животные (табл. 1) экстрагировались из грунта или с водорослей с помощью водных растворов хлористого или сернокислого магния изотонических морской воде (Sterrer 1971). Для исследования ультраструктуры материал фиксировался в 2,5%-ном растворе глутаральдегида на фосфатном буфере при температуре 4ºС. Далее животных постфиксировали в 1%-ном растворе OsO4 на фосфатном буфере с последующим проводкой через серию водных растворов ацетона повышающейся концентрации. В качестве заливочных смол использовалась смесь Аралдита с Эпоном (EMBed/Araldite). Полутонкие и ультратонкие срезы получали на ультратоме Sorval 2MT-B с использованием стеклянных и алмазных ножей. Полутонкие срезы (3-5 мкм толщиной) окрашивались раствором толуидинового синего. Контрастирование ультратонких срезов проводилось на сетках в водном растворе уранилацетата и цитрата свинца. Фиксация и проводка были ускорены посредством микроволнового излучения (на микроволновой печке Samsung – 7-секундное излучение при 650 Вт, разделенное 20-секундным интервалом: Giberson & Demaree 1995). Материал изучался на электронном микроскопе Philips CM10. Электронные микрофотографии были получены с помощью цифровой камеры (CCD Camera, BioScan, Gatan).

Животных, приготовленных для исследования посредством конфокальной лазерной микроскопии, фиксировали в растворе 4%-ного формалина и окрашивали снабженным флуоресцентной меткой фаллоидином (Alexa 488; Molecular probes, Eugene, OR) по Hooge (2001).

Для изготовления мазков спермиев и последующего их изучения методами контрастной микроскопии, животные придавливались покровным стеклом с постепенным увеличением давления, пока спермии не выходили наружу через разрыв в стенке тела.

Таблица 1. Исследованный материал




Вид

Место сбора


Isodiametridae Hooge & Tyler, 2005

Aphanostoma bruscai Hooge & Tyler 2003

Wadsworth Cove, Кастин, шт.

Мэн, США


Aphanostoma virescens Ørsted, 1845

Bamfield Marine Science

Centre, Бэмфилд, Канада; Orr

Cove, шт. Мэн, США; м.

Картеш, Белое море, РФ



Isodiametra pulchra (Smith & Bush, 1991)

Mt. Desert Island, шт. Мэн,

США


Praeconvoluta tigrina Hooge & Tyler, 2003

Reid State Park, шт. Мэн,

США


Pseudaphanostoma smithrii Hooge & Tyler, 2003

Reid State Park, шт. Мэн,

США


Convolutidae Graff, 1905

Wulguru cuspidata Winsor, 1988

Bribie Island, Квинслэнд,

Австралия


Dakuidae Hooge, 2003


Daku woorimensis Hooge, 2003

Stradbroke Island, Квинслэнд,

Австралия


Mecynostomidae Dörjes, 1968


Paedomecynostomum bruneum Dörjes, 1968

Reid State Park, шт. Мэн,

США


Pseudmecynostomum phoca Hooge & Tyler, 2003

Reid State Park, шт. Мэн,

США

Otocelididae Westblad, 1948


Notocelis gullmarensis (Westblad, 1946)

Mt. Desert Island, шт. Мэн,

США


Otocelis sandara Hooge & Tyler, 2003

Cobscook Bay, шт. Мэн, США

Philocelis brueggemanni Hooge & Tyler 2003

Cobscook Bay, шт. Мэн, США

Stomatricha hochbergi Hooge, 2003

Bribie Island, Квинслэнд,

Австралия


  1   2


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azrefs.org 2016
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə