Развитие и метаморфоз Scyphozoa - ключ к пониманию жизненного цикла CnidariaНИР

Scyphozoa development and metamorphosis as a key to understanding of the Cnidaria life cycle

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# 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.

Прикрепленные к НИР результаты

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".