Diversité morphologique de la formation des blastules et de la gastrulation chez les oursins temnopleuridés | Biology Open

DISCUSSION

Dans cette étude, les structures des blastules et des gastrules ont indiqué des caractéristiques spécifiques aux espèces parmi quatre temnopleuridés (Figs 1-4). La forme et la position (végétale ou latérale) des blastomères dans les blastules différaient selon les espèces. Les blastomères faiblement adjacents sur la paroi blastulaire de T. toreumaticus avaient une forme globulaire jusqu’au stade de la blastula ridée (Fig. 1). Chez T. toreumaticus, le nombre de cellules à l’éclosion n’est que de 500, alors qu’il est de 600-800 chez les autres espèces (Masuda, 1979). Comme le diamètre des blastules est similaire chez ces espèces (Kitazawa et al., 2010), nous suggérons qu’un nombre inférieur de clivages est à l’origine de la différence de forme et d’adhérence des cellules entre les blastomères au même stade de développement. La formation de blastomères plissés n’a été connue que chez une espèce à développement direct, l’oursin (Henry et al., 1991). Cependant, les embryons de T. toreumaticus, qui est une espèce à développement indirect, forment des blastules plissées (Kitazawa et al., 2009, 2010). En ce qui concerne les caractéristiques et les raisons de la formation de rides chez les espèces à développement direct, comme Heliocidaris erythrogramma, on considère que leurs embryons se développent dans l’espace périvitellin étroit et forment des rides en fonction du lignage cellulaire précoce, que leurs blastomères adhèrent faiblement et que leurs blastules ridées libèrent de petites gouttelettes lipidiques dans le blastocoele (Henry et al., 1991). Les résultats de la présente étude et des études précédentes (Kitazawa et al., 2009, 2010) coïncident avec le mécanisme des développeurs directs, sauf pour la libération des lipides. Cependant, il a été observé qu’il y avait quelques granules d’ECM au lieu de lipides dans le blastocoel des embryons de T. toreumaticus (Fig. 1B). Les embryons de cette espèce ont indiqué quelques caractéristiques différentes par rapport aux autres temnopleuridés et ces différences pourraient également être d’autres raisons pour la formation de blastules ridées.

Les blastules des temnopleuridés étudiés ont des blastomères avec différents types de structures pseudopodes (Figs 1-4). Chez T. toreumaticus, les blastomères autour des PMC présumés étendaient des pseudopodes vers eux (Fig. 1G,H). Immers (1961) a indiqué que chez les oursins la formation des projections filopodales des cellules du mésenchyme est soutenue par une matrice de polysaccharides sulfatés combinés à des protéines. Les différences de forme des structures pseudopodales chez les temnopleuridés peuvent être causées par des substances différentes dans la matrice. Récemment, Yaguchi et al. (2015) ont indiqué que l’adhésion entre les blastomères aux premiers clivages était très lâche, et que les blastomères avaient de nombreuses protubérances attachées à l’ECM externe et à la couche hyaline au niveau du sillon de clivage chez T. reevesii. De plus, il était difficile de diviser chaque blastomère des embryons de T. hardwickii et M. globulus au stade précoce du clivage à cause de l’ECM externe et de la couche hyaline (données non présentées). Cependant, dans nos observations des blastomères, l’espace entre les blastomères est devenu étroit et connecté par des structures complexes de type pseudopode (Fig. 2). Les blastomères autour des PMC présumés semblaient former des couches par des structures allongées de type pseudopode (Fig. 2I). Ces phénomènes indiquent que l’adhésion entre les blastomères passe de lâche à serrée. Des travaux futurs devraient analyser si les protubérances précoces forment les structures de type pseudopode au stade de la blastula.

La distribution des MCE était différente selon les espèces et la position (végétale ou latérale). La surface blastocoélique développe de nombreux types de MEC qui comprennent des mucopolysaccharides (Okazaki et Niijima, 1964), des glycoprotéines fibronectine et laminine (Spiegel et al., 1983 ; Benson et al., 1999), et du collagène (Kefalides et al., 1979 ; Crise-Benson et Benson, 1979). En outre, dans la lame basale, la distribution de la fibronectine et de la laminine diffère selon les espèces (Spiegel et al., 1983 ; Katow et al., 1982). La surface blastocoelique de la plaque végétale de T. toreumaticus avait une structure semblable à un trou dans l’ECM (Fig. 1G,H). Ceci était absent dans les autres espèces (Figs 2-4). Chez Lytechinus variegatus, les surfaces blastocoeliques étaient couvertes d’une fine lamina basale composée de matériaux fibreux et non fibreux avant l’invasion du PMC, puis une ECM en forme de toile s’est formée au niveau de l’hémisphère animal (Galileo et Morrill, 1985). Galileo et Morrill (1985) ont constaté que les blastomères, avant l’éclosion sur la paroi du blastocoel, étaient entrelacés et présentaient un maillage disparate d’ECM. Ils étaient reliés les uns aux autres par de minces processus cellulaires perpendiculaires à l’axe animal-végétal. En outre, la paroi du blastocoel autour de l’hémisphère animal présentait un trou sans ECM. Récemment, il a été signalé que les PMC présumés perdent la distribution de laminine liée au sous-circuit du réseau de régulation des gènes pour le remodelage de la lamina basale qui inclut tbr, dri et hex par knockdown de ces gènes (Saunders et McClay, 2014). Par conséquent, nous suggérons que la structure en forme de trou observée chez T. toreumaticus peut être formée de laminine ajoutée par ces gènes, et que les embryons des temnopleuridés dans notre étude peuvent avoir une quantité et une distribution différentes de laminine. L’examen des photographies publiées par Amemiya (1989) de Hemicentrotus pulcherrimus et Pseudocentrotus depressus a révélé que les blastomères du côté animal s’allongent vers le pôle végétal. Cependant, les embryons n’ont pas formé de trou végétal dans l’ECM. De plus, Amemiya (1989) a rapporté que la formation du PMC est causée par l’accumulation de fibrilles de la lamina basale. Ce rapport soutient nos résultats que le trou ECM de T. toreumaticus peut attacher les PMCs à la plaque végétal. Le fixateur utilisé dans notre étude était très similaire à la méthode sans ions calcium d’Amemiya (1989). Par conséquent, nos résultats peuvent indiquer qu’il y a des différences dans la distribution d’un ECM dépendant du calcium parmi les espèces et que T. toreumaticus a beaucoup d’ECM dépendant du calcium ou d’ECM indépendant du calcium.

Dans M. globulus, chaque blastomère de la blastula est devenu situé près de la surface avec des structures de filaments autour du huitième clivage. Une structure en feuille de mucopolysaccharides sur la surface blastocoelique a été identifiée pour le mouvement des SMCs sur ces structures (Endo et Uno, 1960). Dans notre étude, nous n’avons pas identifié de structures filamenteuses bien développées dans les blastules de M. globulus mais nous avons observé quelques ECMs sur la surface blastocoelique (Fig. 4E). Endo (1966) a rapporté que chez Mespilia, lorsque les PMCs entrent, ils se débarrassent de leur cytoplasme apical tout en restant attachés par des desmosomes aux cellules voisines. Par contre, chez Arbacia (Gibbins et al., 1969) et Lytechinus pictus (Katow et Solursh, 1980), les desmosomes disparaissent des PMCs. Par conséquent, l’analyse de l’ultrastructure de la paroi blastulaire chez ces temnopleuridés est nécessaire à l’avenir.

L’ECM est important pour les mouvements cellulaires, tels que la migration des PMC pour la différenciation des PMC, la modulation de la polarité des cellules épithéliales et la gastrulation (Solursh et Lane, 1988 ; Katow et al, 1982 ; Fink et McClay, 1985 ; Amemiya, 1989 ; Adelson et Humphreys, 1988 ; Ingersoll et Ettensohn, 1994 ; Berg et al., 1996). Chez L. pictus, les PMCs ont six types de processus cellulaires, dépendant d’un composant spécifique du substrat de la lame basale, qui sont impliqués dans le comportement migratoire des cellules (Katow et Solursh, 1981). Dans notre étude, les PMC de T. reevesii, T. hardwickii et M. globulus ont pénétré séparément. Nous suggérons que chez T. toreumaticus, l’ingression en masse des PMC peut être causée par la distribution interne de l’ECM au niveau de la plaque végétale. Nous avons également observé une sorte de structures de processus (Figs 1-4) et suggérons que ces structures peuvent causer le mouvement des cellules.

La gastrulation chez T. reevesii, et T. hardwickii et M. globulus se fait par invagination par étapes avec une période de retard (Figs 2-5). Cela signifie que les mécanismes de la gastrulation chez ces temnopleuridés peuvent être différents de ceux de T. toreumaticus avec une invagination continue. Bien que le moment de l’initiation de l’invagination chez T. toreumaticus et M. globulus dans notre étude était différent de celui rapporté par Takata et Kominami (2004), cela suggère que les différences entre les lots d’embryons ou l’emplacement géographique (région de Yamaguchi dans la présente étude ; régions de Kouchi et Ehime dans Takata et Kominami, 2004) de la même espèce peuvent causer des vitesses de développement différentes des embryons.

Les mécanismes d’invagination de l’archentéron de chaque espèce ont été considérés selon quatre facteurs : la poussée des cellules végétales dans le blastocoel par croissance cellulaire au niveau du pôle animal (Takata et Kominami, 2001), l’allongement des cellules formant l’archentéron, le réarrangement des cellules formant l’archentéron le long de l’axe animal-végétal et le durcissement du rudiment intestinal par les filopodes des SMCs ingérés dans le blastocoel depuis l’extrémité de l’archentéron (Ettensohn, 1985 ; Hardin, 1988 ; Dan et Okazaki, 1956 ; Gustafson et Kinnander, 1956 ; Tableau 2). Chez T. toreumaticus, le blastopore devient étroit à la fin de l’invagination (Fig. 7B). Le blastopore de Scaphechinus milabilis, qui a une invagination continue, devient étroit autour de la fin de l’invagination (Kominami et Masui, 1996). Par conséquent, nous suggérons que l’archentéron de T. toreumaticus peut également s’allonger par l’ingression continue des cellules autour du blastopore dans le blastocœle. Chez les oursins irréguliers à invagination continue, le diamètre de l’archentéron pendant l’invagination ne change pas, de sorte que le réarrangement cellulaire n’affecte pas l’allongement de l’archentéron (Kominami et Masui, 1996 ; Takata et Kominami, 2004). Cependant, nous avons observé que chez T. toreumaticus le diamètre de l’archentéron moyen et l’épaisseur de la paroi de l’archentéron diminuaient rapidement. Il est possible que le réarrangement et l’allongement des cellules de l’archentéron provoquent l’allongement de l’archentéron. Chez T. toreumaticus et les oursins irréguliers, les événements précoces du développement, y compris la pénétration des PMC, l’initiation de l’invagination de l’archentéron et la formation des SMC, commencent et se terminent à des stades relativement précoces. Ceci suggère que les événements de développement peuvent être accélérés et omis dans l’ensemble, et ensuite impliqués dans l’invagination continue de l’archentéron. Chez cette espèce, les SMCs et les filopodes allongés se sont formés vers la fin de l’invagination, ce qui signifie que les SMCs ne peuvent pas renforcer l’archentéron. Le degré final d’invagination est d’environ 94% (Fig. 5B) et les canaux de pores primaires de cette espèce ne maintiennent pas la largeur du corps (Kitazawa et al., 2014). Nous suggérons que l’invagination continue se produit par l’allongement de l’archentéron lui-même.

Dans T. reevesii, l’épaisseur de la paroi de l’archentéron a diminué après la période de décalage (Fig. 5C). Cela suggère que l’allongement des cellules entraîne l’allongement de l’archentéron. Le diamètre et l’épaisseur de la paroi de l’archentéron au milieu de l’archentéron ont diminué. Cela suggère qu’une autre diminution a été causée par le réarrangement des cellules dans l’archentéron (Fig. 8D,E). Il est possible que les SMCs provoquent l’allongement de l’archentéron en raison de la longue période de latence et de la période d’invagination secondaire chez cette espèce (Fig. 5C), et les SMCs ont formé des filopodes pendant l’invagination secondaire. Après l’initiation de l’invagination, l’épaisseur de l’extrémité de l’archentéron est devenue mince temporellement uniquement dans cette espèce (données non présentées).

Dans T. hardwickii, le diamètre du blastopore a diminué de la fin de la première invagination à l’initiation de l’invagination secondaire (Fig. 5D). Comme pour S. milabilis (Kominami et Masui, 1996), les résultats suggèrent que cette diminution de T. hardwickii peut être causée par la croissance au pôle animal poussant les cellules au pôle végétal causant l’allongement de l’archentéron. Le diamètre de l’archentéron moyen a diminué pendant la période de latence (Fig. 8F), en raison du réarrangement des cellules de l’archentéron le long de l’axe animal-végétal. L’épaisseur de la paroi de l’archentéron était constante (Fig. 8G), ce qui peut signifier que l’allongement de l’archentéron n’est pas causé par l’allongement des cellules, mais par leur réarrangement. Des SMCs avec des filopodes ont été observés pendant l’invagination secondaire, et il est possible que les SMCs provoquent l’allongement de l’archentéron. Cependant, l’invagination chez T. hardwickii se termine à environ 60% de la longueur totale de l’embryon et les SMCs n’ont été identifiés que vers la fin de l’invagination. Par conséquent, il est possible que les SMC avec filopodes ne provoquent pas l’allongement de l’archentéron mais durcissent l’extrémité de l’archentéron au niveau de la région orale présumée.

Dans M. globulus, les cellules de l’archentéron sont devenues minces de la fin de la période de latence à l’initiation de l’invagination secondaire (Fig. 8H,I). Takata et Kominami (2004) ont signalé que chez M. globulus, le réarrangement n’était pas remarquable. L’extrémité de l’archentéron ne s’est pas attachée à la plaque apicale, et les SMCs ne se sont pas dispersées dans le blastocœle. En outre, le nombre de cellules de l’archentéron n’a pas changé. Par conséquent, il est suggéré que l’allongement des cellules pour former l’archentéron provoque l’allongement de l’archentéron. Le diamètre du blastopore a diminué pendant l’invagination (Fig. 7E), ce qui signifie que la poussée des cellules végétales par la croissance des cellules animales peut provoquer l’allongement de l’archentéron chez cette espèce.

La formation des SMCs s’est produite en même temps chez les quatre temnopleuridés étudiés. Cependant, les trois espèces à invagination par étapes ont eu besoin d’une période d’invagination plus longue que les espèces à invagination continue et leur taux d’invagination final était d’environ 60 % (figure 5). Leurs SMCs ont formé des filopodes pendant la période d’invagination tardive (Fig. 5) et il est possible que les SMCs changent la direction de l’allongement de l’archentéron vers la région orale présumée en durcissant l’extrémité de l’archentéron. En outre, Amemiya et al. (1982) ont signalé que les pseudopodes des SMC peuvent tirer vers le haut l’archentéron chez H. pulcherrimus et P. depressus mais pas chez A. crassispina car il ne forme pas beaucoup de pseudopodes.

Les diamètres à l’extrémité de l’archentéron indiquent des changements différents selon les espèces (figure 9). Ces résultats indiquent que la caractéristique à l’extrémité de l’archentéron peut causer une invagination spécifique à l’espèce ou le processus de formation des poches coelomiques. Cette conclusion est soutenue par les résultats selon lesquels le modèle de formation du canal poreux primaire à partir des poches cœlomiques est différent parmi ces espèces (Kitazawa et al., 2012, 2014).

Nos résultats indiquent que les temnopleuridés présentent des différences spécifiques à l’espèce au cours de la morphogenèse précoce, y compris la formation de la blastula et l’invagination de l’archentéron incluant des facteurs efficaces de la même famille (tableaux 1 et 2, Fig. 10). Temnopleurus toreumaticus développe certaines caractéristiques spécifiques à l’espèce comme un œuf plissé et la formation d’une blastula plissée aux premiers stades du développement (Kitazawa et al., 2009, 2010). L’analyse phylogénétique basée sur les données allozymes des temnopleuridés suggère que T. toreumaticus et T. reevesii sont plus étroitement liés que T. hardwickii et M. globulus (Matsuoka et Inamori, 1996). Cependant, sur la base d’analyses morphologiques et moléculaires, Jeffery et al. (2003) ont déterminé que M. globulus et T. reevesii sont plus étroitement apparentés entre eux qu’à T. toreumaticus. Récemment, nous avons également observé le développement d’un autre temnopleuride, Temnotrema sculptum, et cette espèce est très similaire à T. reevesii, T. hardwickii et M. globulus, mais pas à T. toreumaticus (Fujii et al., 2015). Par conséquent, nous supposons qu’après la divergence, T. toreumaticus a évolué vers plus de spécificités d’espèce aux premiers stades du développement que les autres temnopleuridés. Cependant, il reste encore à découvrir pourquoi les différences de morphogenèse aux premiers stades de développement ont évolué dans ce groupe, même si ces espèces présentent des caractéristiques très similaires, comme la taille des œufs, le taux global de développement ou la morphologie des larves. Il est possible que certaines différences dans les événements fondamentaux conservés du développement aux premiers stades de développement chez les temnopleuridés s’accumulent par dérive aléatoire tant qu’elles ne perturbent pas le développement global par dérive des systèmes de développement comme le proposent True et Haag (2001).

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