Morphologische Vielfalt der Blastulabildung und Gastrulation bei temnopleuriden Seeigeln | Biology Open

DISKUSSION

In dieser Studie zeigten die Strukturen der Blastulae und Gastrulae artspezifische Merkmale bei vier temnopleuriden Seeigeln (Abb. 1-4). Die Form und Position (vegetal oder lateral) der Blastomere in den Blastulae unterschied sich zwischen den Arten. Die locker aneinanderliegenden Blastomere an der Blastulawand von T. toreumaticus hatten bis zum faltigen Blastulastadium eine kugelige Form (Abb. 1). Bei T. toreumaticus beträgt die Zellzahl beim Schlupf nur 500, während sie bei anderen Arten 600-800 beträgt (Masuda, 1979). Da der Durchmesser der Blastulae bei diesen Arten ähnlich ist (Kitazawa et al., 2010), vermuten wir, dass weniger Abspaltungen den Unterschied in der Zellform und Adhäsion zwischen Blastomeren im gleichen Entwicklungsstadium verursachen. Die Bildung von faltigen Blastomeren ist bisher nur bei sich direkt entwickelnden Seeigelarten bekannt (Henry et al., 1991). Jedoch bilden Embryonen von T. toreumaticus, obwohl es sich um eine indirekt entwickelnde Art handelt, faltige Blastulae (Kitazawa et al., 2009, 2010). Als Merkmale und Gründe für die Faltenbildung bei Direktentwicklern, wie Heliocidaris erythrogramma, wird angenommen, dass sich ihre Embryonen unter dem engen perivitellinen Raum entwickeln und in Abhängigkeit von der frühen Zelllinie Falten bilden, ihre Blastomere schwach adhärieren und ihre faltigen Blastulae kleine Lipidtropfen in das Blastocoel abgeben (Henry et al., 1991). Die Ergebnisse der vorliegenden und früherer Studien (Kitazawa et al., 2009, 2010) stimmen mit Ausnahme der Lipidfreisetzung mit dem Mechanismus der Direktentwicklung überein. Es wurde jedoch beobachtet, dass im Blastocoel von Embryonen von T. toreumaticus einige ECM-Granula anstelle von Lipiden vorhanden waren (Abb. 1B). Die Embryonen dieser Spezies zeigten einige unterschiedliche Merkmale im Vergleich zu anderen Temnopleuriden und diese Unterschiede könnten ein weiterer Grund für die faltige Blastulabildung sein.

Die Blastulae der untersuchten Temnopleuriden haben Blastomere mit verschiedenen Arten von pseudopod-ähnlichen Strukturen (Abb. 1-4). Bei T. toreumaticus wiesen die Blastomere um die mutmaßlichen PMCs herum Pseudopods auf (Abb. 1G,H). Immers (1961) wies darauf hin, dass bei Seeigeln die Bildung von filopodialen Fortsätzen von Mesenchymzellen durch eine Matrix aus sulfatierten Polysacchariden in Kombination mit Proteinen unterstützt wird. Die Unterschiede in der Form der pseudopodialen Strukturen bei den Temnopleuriden können durch unterschiedliche Substanzen innerhalb der Matrix verursacht werden. Kürzlich wiesen Yaguchi et al. (2015) darauf hin, dass die Adhäsion zwischen den Blastomeren in der frühen Spaltfurche sehr locker war und dass die Blastomere viele Ausstülpungen hatten, die an der äußeren ECM und der hyalinen Schicht an der Spaltfurche in T. reevesii befestigt waren. Außerdem war es schwierig, jede Blastomere der Embryonen im frühen Spaltstadium von T. hardwickii und M. globulus aufgrund der äußeren ECM und der hyalinen Schicht zu teilen (Daten nicht gezeigt). Bei unseren Beobachtungen von Blastomeren wurde der Raum zwischen den Blastomeren jedoch eng und durch komplexe pseudopod-artige Strukturen verbunden (Abb. 2). Die Blastomere um die mutmaßlichen PMCs schienen Schichten durch verlängerte pseudopod-ähnliche Strukturen zu bilden (Abb. 2I). Diese Phänomene deuten darauf hin, dass sich die Adhäsion zwischen den Blastomeren von locker zu fest verändert. Zukünftige Arbeiten sollten analysieren, ob die frühen Ausstülpungen die pseudopod-ähnlichen Strukturen im Blastula-Stadium bilden.

Die Verteilung der ECMs war je nach Spezies und Position (vegetal oder lateral) unterschiedlich. An der Blastocoelie-Oberfläche bilden sich viele Arten von ECMs, darunter Mucopolysaccharide (Okazaki und Niijima, 1964), die Glykoproteine Fibronektin und Laminin (Spiegel et al., 1983; Benson et al., 1999) und Kollagen (Kefalides et al., 1979; Crise-Benson und Benson, 1979). Darüber hinaus unterscheidet sich die Verteilung von Fibronektin und Laminin in der Basallamina zwischen den Spezies (Spiegel et al., 1983; Katow et al., 1982). Die blastocoelische Oberfläche der Vegetalplatte von T. toreumaticus wies eine lochartige Struktur in der ECM auf (Abb. 1G,H). Diese war bei den anderen Arten nicht vorhanden (Abb. 2-4). Bei Lytechinus variegatus waren die blastocoelischen Oberflächen vor der PMC-Ingression mit einer dünnen Basallamina aus faserigen und nicht-faserigen Materialien bedeckt, und dann bildete sich eine netzartige ECM an der tierischen Hemisphäre (Galileo und Morrill, 1985). Galileo und Morrill (1985) stellten fest, dass die Blastomere vor dem Schlüpfen an der Blastocoelwand ineinander verschlungen waren und ein fleckiges Geflecht aus ECM aufwiesen. Sie waren durch dünne zelluläre Fortsätze miteinander verbunden, die senkrecht zur tierisch-vegetalen Achse verliefen. Darüber hinaus wies die Blastocoelwand um die Tierhalbkugel ein Loch ohne ECM auf. Kürzlich wurde berichtet, dass die präsumptiven PMCs die Lamininverteilung verlieren, die mit dem genregulatorischen Netzwerk-Subkreis für den Umbau der Basallamina zusammenhängt, zu dem tbr, dri und hex gehören, wenn diese Gene ausgeschaltet werden (Saunders und McClay, 2014). Daher schlagen wir vor, dass die bei T. toreumaticus beobachtete lochartige Struktur aus Laminin gebildet werden könnte, das von diesen Genen hinzugefügt wird, und dass die Embryonen der Temnopleuriden in unserer Studie eine unterschiedliche Menge und Verteilung von Laminin aufweisen könnten. Die Untersuchung der von Amemiya (1989) veröffentlichten Fotos von Hemicentrotus pulcherrimus und Pseudocentrotus depressus zeigte, dass sich die Blastomere der tierischen Seite zum vegetativen Pol hin verlängern. Die Embryonen bildeten jedoch kein vegetatives Loch in der ECM. Darüber hinaus berichtete Amemiya (1989), dass die PMC-Musterung durch die Akkumulation von Fibrillen der Basallamina verursacht wird. Dieser Bericht unterstützt unsere Ergebnisse, dass das ECM-Loch von T. toreumaticus PMCs an der Vegetationsplatte anheften kann. Das in unserer Studie verwendete Fixiermittel war der Methode ohne Kalzium-Ionen von Amemiya (1989) sehr ähnlich. Daher können unsere Ergebnisse darauf hindeuten, dass es Unterschiede in der Verteilung einer kalziumabhängigen ECM zwischen den Spezies gibt und dass T. toreumaticus viel kalziumabhängige ECM oder kalziumunabhängige ECM besitzt.

In M. globulus wurde jede Blastomere der Blastula nahe der Oberfläche zusammen mit Filamentstrukturen um die achte Spaltung herum angeordnet. Eine flächige Struktur aus Mucopolysacchariden auf der Blastocoelie-Oberfläche wurde für die Bewegung der SMCs auf diesen Strukturen identifiziert (Endo und Uno, 1960). In unserer Studie konnten wir keine gut entwickelten filamentösen Strukturen in den Blastulae von M. globulus identifizieren, beobachteten aber einige ECMs auf der blastocoelischen Oberfläche (Abb. 4E). Endo (1966) berichtete, dass bei Mespilia die PMCs, wenn sie eindringen, ihr apikales Zytoplasma abwerfen, während sie noch durch Desmosomen mit den benachbarten Zellen verbunden sind. Andererseits verschwinden bei Arbacia (Gibbins et al., 1969) und Lytechinus pictus (Katow und Solursh, 1980) die Desmosomen aus den PMCs. Daher ist eine Analyse der Ultrastruktur der Blastularwand bei diesen Temnopleuriden in Zukunft erforderlich.

Die ECM ist wichtig für die Zellbewegung, wie z. B. die PMC-Migration für die PMC-Differenzierung, die Modulation der epithelialen Zellpolarität und die Gastrulation (Solursh und Lane, 1988; Katow et al, 1982; Fink und McClay, 1985; Amemiya, 1989; Adelson und Humphreys, 1988; Ingersoll und Ettensohn, 1994; Berg et al., 1996). In L. pictus besitzen die PMCs sechs Arten von Zellfortsätzen, die von einer bestimmten Komponente des Basallamina-Substrats abhängen und am Migrationsverhalten der Zellen beteiligt sind (Katow und Solursh, 1981). In unserer Studie haben die PMCs von T. reevesii, T. hardwickii und M. globulus getrennt voneinander gewandert. Wir vermuten, dass bei T. toreumaticus die PMC-Ingression en masse durch die innere ECM-Verteilung an der Vegetationsplatte verursacht werden kann. Wir beobachteten auch eine Art von Prozessstrukturen (Abb. 1-4) und vermuten, dass diese Strukturen die Zellbewegung verursachen können.

Die Gastrulation in T. reevesii, und T. hardwickii und M. globulus erfolgt durch schrittweise Invasion mit einer Verzögerungszeit (Abb. 2-5). Dies bedeutet, dass sich die Mechanismen der Gastrulation bei diesen Temnopleuriden von denen von T. toreumaticus mit kontinuierlicher Invagination unterscheiden. Obwohl der Zeitpunkt des Beginns der Invagination bei T. toreumaticus und M. globulus in unserer Studie von dem von Takata und Kominami (2004) berichteten Zeitpunkt abwich, deutet dies darauf hin, dass Unterschiede zwischen den Chargen von Embryonen oder der geographischen Lage (Yamaguchi-Gebiet in der vorliegenden Studie; Kouchi und Ehime-Gebiete in Takata und Kominami, 2004) derselben Spezies unterschiedliche Entwicklungsgeschwindigkeiten der Embryonen verursachen können.

Die Mechanismen der Invagination des Archenterons jeder Spezies wurden anhand von vier Faktoren betrachtet: Eindringen der vegetabilen Zellen in das Blastocoel durch Zellwachstum am tierischen Pol (Takata und Kominami, 2001), Dehnung der das Archenteron bildenden Zellen, Neuanordnung der das Archenteron bildenden Zellen entlang der tierisch-vegetalen Achse und Verhärtung des Darmrudiments durch die Filopodien der SMCs, die von der Spitze des Archenterons in das Blastocoel eindringen (Ettensohn, 1985; Hardin, 1988; Dan und Okazaki, 1956; Gustafson und Kinnander, 1956; Tabelle 2). Bei T. toreumaticus wurde die Blastopore am Ende der Invagination schmal (Abb. 7B). Die Blastopore von Scaphechinus milabilis, die eine kontinuierliche Invagination aufweist, wird am Ende der Invagination schmal (Kominami und Masui, 1996). Daher vermuten wir, dass sich das Archenteron von T. toreumaticus auch durch kontinuierliche Einstülpung der Zellen um die Blastopore in das Blastocoel verlängern kann. Bei unregelmäßigen Seeigeln mit kontinuierlicher Einstülpung ändert sich der Durchmesser des Archenterons während der Einstülpung nicht, so dass die Umlagerung der Zellen die Verlängerung des Archenterons nicht beeinflusst (Kominami und Masui, 1996; Takata und Kominami, 2004). Wir beobachteten jedoch, dass bei T. toreumaticus der Durchmesser am mittleren Archenteron und die Dicke der Archenteronwand schnell abnahmen. Es besteht die Möglichkeit, dass die Umlagerung und Dehnung der Archenteronzellen die Verlängerung des Archenterons verursacht. Bei T. toreumaticus und irregulären Seeigeln beginnen und enden die frühen Entwicklungsereignisse, einschließlich des Eindringens der PMCs, des Beginns der Invagination des Archenterons und der Bildung der SMCs, in relativ frühen Stadien. Dies deutet darauf hin, dass die Entwicklungsereignisse insgesamt beschleunigt und ausgelassen werden und dann die kontinuierliche Invagination des Archenterons beteiligt ist. Bei dieser Spezies bildeten sich die SMCs und die verlängerten Filopodien nahe dem Ende der Invagination, was bedeutet, dass die SMCs das Archenteron möglicherweise nicht verhärten. Der endgültige Grad der Invagination beträgt etwa 94 % (Abb. 5B) und die primären Porenkanäle dieser Art behalten nicht die Körperbreite bei (Kitazawa et al., 2014). Wir vermuten, dass die kontinuierliche Invagination durch die Verlängerung des Archenterons selbst erfolgt.

Bei T. reevesii nahm die Dicke der Archenteronwand nach der Lag-Periode ab (Abb. 5C). Dies deutet darauf hin, dass die Zelldehnung eine Verlängerung des Archenterons bewirkt. Der Durchmesser und die Dicke der Archenteronwand am mittleren Archenteron nahmen ab. Dies deutet darauf hin, dass eine weitere Abnahme durch eine Neuanordnung der Zellen im Archenteron verursacht wurde (Abb. 8D,E). Es ist möglich, dass die SMCs die Verlängerung des Archenterons verursachen, da die Verzögerungszeit und die Zeitspanne für die sekundäre Invagination bei dieser Spezies lang ist (Abb. 5C) und die SMCs während der sekundären Invagination Filopodien bilden. Nach der Initiierung der Invagination wurde die Dicke der Archenteronspitze nur bei dieser Spezies zeitlich dünn (Daten nicht gezeigt).

In T. hardwickii nahm der Durchmesser der Blastopore vom Ende der ersten Invagination bis zur Initiierung der sekundären Invagination ab (Abb. 5D). Wie bei S. milabilis (Kominami und Masui, 1996) deuten die Ergebnisse darauf hin, dass diese Abnahme bei T. hardwickii durch das Wachstum am tierischen Pol verursacht wird, das die Zellen am vegetativen Pol verdrängt und eine Verlängerung des Archenterons verursacht. Der Durchmesser am mittleren Archenteron verringerte sich während der Lag-Periode (Abb. 8F), verursacht durch eine Umlagerung der Zellen des Archenterons entlang der tierisch-vegetalen Achse. Die Dicke der Archenteronwand war konstant (Abb. 8G), was bedeuten könnte, dass die Verlängerung des Archenterons nicht durch Zelldehnung, sondern durch Umlagerung der Zellen verursacht wird. SMCs mit Filopodien wurden während der sekundären Invagination beobachtet, und es ist möglich, dass die SMCs die Elongation des Archenterons verursachen. Allerdings endete die Invagination bei T. hardwickii bei etwa 60 % der gesamten Embryonallänge und SMCs wurden nur in der Nähe des Endes der Invagination identifiziert. Daher ist es möglich, dass die SMCs mit Filopodien nicht die Verlängerung des Archenterons bewirken, sondern die Spitze des Archenterons an der präsumptiven oralen Region verhärten.

In M. globulus wurden die Zellen des Archenterons vom Ende der Lag-Periode bis zum Beginn der sekundären Invagination dünn (Abb. 8H,I). Takata und Kominami (2004) berichteten, dass bei M. globulus die Umlagerung nicht bemerkenswert war. Die Spitze des Archenterons heftete sich nicht an die apikale Platte an, und es kam auch nicht zur Dispersion von SMCs in das Blastocoel. Außerdem änderte sich die Zellzahl des Archenterons nicht. Daher wird vermutet, dass die Dehnung der Zellen zur Bildung des Archenterons die Verlängerung des Archenterons verursacht. Der Durchmesser der Blastopore verringerte sich während der Invagination (Abb. 7E), was bedeutet, dass der Schub der vegetativen Zellen durch das Wachstum der tierischen Zellen die Verlängerung des Archenterons bei dieser Spezies verursachen kann.

Die Bildung der SMCs erfolgte bei den vier untersuchten Temnopleuriden zur gleichen Zeit. Die drei Arten mit schrittweiser Invagination benötigten jedoch eine längere Invaginationszeit als die Arten mit kontinuierlicher Invagination, und ihr endgültiger Invaginationsanteil lag bei etwa 60 % (Abb. 5). Ihre SMCs bildeten Filopodien während der späten Invaginationsperiode (Abb. 5) und es ist möglich, dass die SMCs die Richtung der Dehnung des Archenterons in Richtung der vermuteten oralen Region ändern, indem sie die Spitze des Archenterons verhärten. Darüber hinaus berichteten Amemiya et al. (1982), dass die Pseudopodien der SMCs das Archenteron bei H. pulcherrimus und P. depressus hochziehen können, nicht aber bei A. crassispina, da diese nicht viele Pseudopodien bildet.

Die Durchmesser an der Spitze des Archenterons zeigen unterschiedliche Veränderungen bei den Arten (Abb. 9). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Merkmal an der Spitze des Archenterons für die artspezifische Invagination oder den Bildungsprozess der Coelomic Pouches verantwortlich sein könnte. Diese Schlussfolgerung wird durch Befunde gestützt, dass das Muster der Bildung des primären Porenkanals aus den Coelombeuteln bei diesen Arten unterschiedlich ist (Kitazawa et al., 2012, 2014).

Unsere Ergebnisse zeigen, dass Temnopleuriden artspezifische Unterschiede während der frühen Morphogenese aufweisen, einschließlich der Bildung der Blastula und der Invagination des Archenterons, einschließlich wirksamer Faktoren in derselben Familie (Tabellen 1 und 2, Abb. 10). Temnopleurus toreumaticus entwickelt einige artspezifische Merkmale wie faltiges Ei und faltige Blastula-Bildung in den frühen Entwicklungsstadien (Kitazawa et al., 2009, 2010). Phylogenetische Analysen, die auf Allozymdaten von Temnopleuriden basieren, legen nahe, dass T. toreumaticus und T. reevesii enger verwandt sind als T. hardwickii und M. globulus (Matsuoka und Inamori, 1996). Basierend auf morphologischen und molekularen Analysen stellten Jeffery et al. (2003) jedoch fest, dass M. globulus und T. reevesii enger miteinander verwandt sind als mit T. toreumaticus. Kürzlich beobachteten wir auch die Entwicklung eines weiteren Temnopleuriden, Temnotrema sculptum, und diese Art ist T. reevesii, T. hardwickii und M. globulus sehr ähnlich, aber nicht T. toreumaticus (Fujii et al., 2015). Daher stellen wir die Hypothese auf, dass T. toreumaticus nach der Divergenz mehr artspezifische Eigenschaften in frühen Entwicklungsstadien entwickelt hat als andere Temnopleuriden. Es muss jedoch noch herausgefunden werden, warum sich die Unterschiede in der Morphogenese in den frühen Entwicklungsstadien in dieser Gruppe entwickelt haben, obwohl diese Arten sehr ähnliche Merkmale aufweisen, wie z. B. die Eigröße, die Gesamtentwicklungsgeschwindigkeit oder die Larvenmorphologie. Es besteht die Möglichkeit, dass sich einige Unterschiede in grundlegenden konservierten Entwicklungsereignissen in den frühen Entwicklungsstadien unter den Temnopleuriden durch zufällige Drift akkumulieren, solange sie nicht die Gesamtentwicklung durch Drift von Entwicklungssystemen stören, wie von True und Haag (2001) vorgeschlagen.