Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ультраструктурные аспекты гаметогенеза и личиночного развития аппендикулярии Olkopleura gracilis

ВАК РФ 03.03.05, Биология развития, эмбриология

Автореферат диссертации по теме "Ультраструктурные аспекты гаметогенеза и личиночного развития аппендикулярии Olkopleura gracilis"

005050353

На правах рукописи

лл

САВЕЛЬЕВА Анна Владимировна

УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ АСПЕКТЫ ГАМЕТОГЕНЕЗА II ЛИЧИНОЧНОГО РАЗВИТИЯ АППЕНДИКУЛЯРИИ OIKOPLEURA GRACILIS (CHORDATA, TUNICATA)

03.03.05 - биология развития, эмбриология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

6 MAP 2013

Владивосток - 2013

005050353

Работа выполнена в лаборатории эмбриологии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник С.Ш. Даутов Официальные оппоненты:

Долматов Игорь Юрьевич, доктор биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук, зав. лабораторией сравнительной цитологии.

Токмакова Наталья Павловна, кандидат биологических наук, доцент, Федеральное государственное автономное учреждение высшего профессионального образования Дальневосточный федеральный университет, доцент кафедры клеточной биологии и генетики.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждении науки Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова Российской академии наук.

Защита диссертации состоится 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного

совета Д 005.008.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук (690059, Владивосток, ул. Пальчевского, д. 17). Факс: (423) 2310-900, электронный адрес: inmarbio@mail.primorye.ru

Отзывы просим присылать на e-mail: mvaschenko@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

М.А. Ващенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аппендикулярии - это класс морских оболочников, насчитывающих примерно 90 видов (Shiga, 1997). Они являются одной из базальных групп низших хордовых. Размеры аппендикулярий составляют от 1 мм до 1.5 см у тропических обитателей (Книпович, 1924). Аппендикулярии имеют студенистое тело, лишенное твердого скелета. Своим коротким жизненным циклом (6-8 сут), который аппендикулярии проводят в пелагиали, они отличаются от двух других классов подтипа Tunicata -асцидий и талиацей. Аппендикулярии играют важную роль в морских пищевых цепях, занимая второе место по биомассе после копепод (Gorsky, Fenaux, 1998), и являются кормовой базой для многих промысловых видов рыб (Aravena, Palma, 2002; Дулепова, 1998; Чучукало, 2006).

Благодаря наличию хорды в течение всего онтогенеза (в отличие от других Tunicata) аппендикулярии являются ключевым таксоном в решении вопросов происхождения и эволюции низших хордовых. Одни авторы считали аппендикулярий прямыми, но специализированными потомками всех оболочников (Seeliger, Lohmann, Fenaux, Tokioka), другие расценивали их как неотенических личинок асцидий (Willey, Brien) или даже бочоночников (Garstang, Berrill, Whitear, Bone) (по: Иванова-Казас, 1978).

Эмбриональное развитие аппендикулярий на сегодняшний день изучено только для единственного раздельнополого вида Oikopleura dioica из сем. Oikopleuridae. Гаметогенез подробно исследован также только у этого вида, а личиночная, ювенильная и половозрелая стадии развития аппендикулярий на гистологическом и ультраструктурном уровне не исследованы. Таким образом, получение новых фундаментальных знаний о постэмбриональном развитии и гаметогенезе аппендикулярий является актуальным направлением современной биологии развития морских организмов.

Настоящая работа посвящена изучению особенностей строения личиночной, ювенильной и половозрелой стадий, ультраструктуре половой системы и гаметогенеза гермафродитного вида аппендикулярии Oikopleura gracilis Lohmann, 1896 с применением методов световой, просвечивающей электронной и конфокальной микроскопии.

Целью настоящего исследования является проведение ультраструктурного анализа личиночной, ювенильной и половозрелой стадий развития и гаметогенеза аппендикулярии Oikopleura gracilis Lohmann, 1896.

Задачи исследования включали: (1) изучение микроскопической анатомии и полную морфологическую реконструкцию всех систем органов и полостей тела личиночной, ювенильной и половозрелой стадий развития; (2) изучение ультраструктуры сократительного сосуда, гемоцеля и целотелия на личиночной, ювенильной и половозрелой стадиях развития; (3) изучение формирования гонад и стадий их зрелости; (4) изучение ультраструктурных особенностей гаметогенеза; (5) изучение ультраструктуры сперматозоидов; (6) изучение метаморфоза.

Научная новизна. Получены новые данные по культивированию гермафродитного вида аппендикулярий О. gracilis, срокам его развития, формированию и степени зрелости гонад, морфологии гамет, организации личиночной, ювенильной и половозрелой стадий развития как на световом, так и на ультраструктурном уровне.

Впервые для аппендикулярий на примере О. gracilis выявлена организация полового зачатка и исследована его ультраструктура. Изучена ультраструктура мужской и женской гонад на разных стадиях их созревания. Прослежены ультраструктурные особенности взаимодействия половых детерминантов и митохондрий в синцитиальной цитоплазме яичника и семенника. Выявлен синцитиальный путь сперматогенеза и оогенеза, который, вероятно, связан с коротким жизненным циклом аппендикулярий.

Впервые установлена организация полостей тела поздней личинки и ювенильной стадии О. gracilis. Обнаружено, что туловищный целомический мешочек, который представляет редуцированный целом аппендикулярий, у личинок является парным, в отличие от ювенильных и половозрелых особей. Выявлены и описаны два типа форменных элементов гемолимфы. Установлена организация сократительного сосуда. Исследованы внешние покровы, которые представлены двумя типами эпителиев: однослойным секреторным эпителием (ойкопластическим эпителием) и однослойным плоским эпителием. Плоский эпителий, покрывающий только вентральную часть туловища, репродуктивный отдел и хвост, в отличие от ойкопластического эпителия, покрывающего дорсальную часть туловища, в апикальной цитоплазме клеток содержит скопление микрофиламентов. Предполагается, что их функция заключается в механическом усилении однослойного плоского покровного эпителия О. gracilis. Подробно на ультраструктурном уровне исследована пищеварительная система личиночной, ювенильной и половозрелой стадий развития О. gracilis. Выявлены необычные клеточные контакты - интердигитации: переплетения цитоплазматических отростков соседних клеток, ассоциированные с щелевыми контактами. Такие контакты, обеспечивающие плотное взаимодействие соседних клеток, доминируют в пищеварительном и в ойкопластическом эпителии. Исследованы морфология и тонкое строение жаберных щелей - главного элемента фильтрационного аппарата О. gracilis. Установлены организация нервной системы и тонкое строение ее основных отделов. Обнаружены механорецепторы ротовой области и описана их ультраструктура и иннервация, которая осуществляется за счет крупного парного нерва передней области церебрального ганглия.

Теоретическое п практическое значение работы. Полученные данные по культивированию О. gracilis существенно дополняют имеющиеся представления о сроках развития аппендикулярий из сем. Oikopleuridae.

Полученные оригинальные данные по организации целома аппендикулярий позволяют понять тонкие механизмы функционирования сердца и участия в этом физиологическом процессе хвоста. Двигательная активность хвоста существенно способствует перемешиванию гемолимфы, поскольку целомическая система и сердце слабо развиты у О. gracilis. Обнаружение двух типов гемоцитов - крупных округлых и мелких амебоидного типа, найденных в небольшом количестве в первичной полости

тела, опровергает ранее сложившееся мнение о том, что аппендикулярии лишены каких-либо форменных элементов крови.

Выявленные механорецепторные клетки рта дополняют представления об органах чувств аппендикулярий, которые, как считалось, у них слабо выражены и представлены вентральным органом обоняния, клетками Лангерганса и статоцистом.

Сопоставление данных по ультраструктуре соматических тканей семенников и яичника с особенностями спермато- и оогенеза позволяют глубже понять характер взаимоотношений между половыми клетками и различными группами вспомогательных клеток в ходе дифференциации гамет у аппендикулярий.

Полученные оригинальные данные об ультраструктуре полового зачатка и первичных половых клеток личиночной стадии О. gracilis и дальнейших стадиях созревания гермафродитной гонады существенно расширяют представления о протекании, как ранних этапов формирования половых клеток, так и гаметогенеза в целом для аппендикулярий-ойкоплеурид.

Материалы диссертации могут быть использованы при преподавании курсов зоологии, цитологии, гистологии и биологии развития в высших учебных заведениях.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в сборе материала, самостоятельной его обработке, анализе полученных данных и подготовке публикаций.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на IX и X Региональных конференциях по актуальным проблемам морской биологии и экологии (Владивосток, ДВФУ, 2010, 2011); на ежегодных научных конференциях ИБМ ДВО РАН (Владивосток, 2010, 2011, 2012); на Международной школе по эмбриологии морских беспозвоночных "Embryology of marine invertebrate" (МГУ, 2010); на билатеральном Российско-китайском симпозиуме (Qingdao, 2010); на XIII Всероссийской молодежной школе-конференции по актуальным проблемам химии и биологии (Владивосток, 2010); на семинарах Лаборатории эмбриологии ИБМ ДВО РАН; на II Всероссийской школе-конференции с международным участием к 105-летию со дня рождения академика A.B. Иванова (Санкт-Петербург, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе две статьи в отечественных рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 232 страницах и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов, обсуждения, выводов и списка литературы. Работа содержит 119 иллюстраций (рисунков, электронограмм) и 3 таблицы. Список литературы состоит из 127 наименований, из них 107 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материалы и методы

Исследования проводились на особях гермафродитного вида аппендикулярий Oikopleura gracilis Lohmann, 1896 (Appendicularia, Oikopleuridae), отобранных из

планктонных проб, взятых на глубине 5-8 м в зал. Восток Японского моря. Личинки были получены в лабораторных условиях в результате стимуляции нереста. Материал был исследован с применением стандартных гистологических методик и различных методов световой микроскопии. Ультраструктуру органов и клеток изучали методами трансмиссионной электронной и конфокальной микроскопии.

Результаты исследования и их обсуждение

1. Культивирование

Аппендикулярии плохо переносили культивирование. Ювенильные особи гибли через 2 сут после высадки их в 5-литровые стеклянные стаканы с фильтрованной морской водой. Однако половозрелые особи через 5-6 ч после пересадки успевали успешно отнереститься, предварительно сбившись в нерестовые конгломераты.

В ходе нереста аппендикулярии вначале выметывали сперматозоиды через семявыводной каналец на дорсальной стороне семенника, а затем - зрелые ооциты через прорыв латеральной стенки яичника высвобождались.

После вымета гамет в культуре происходило естественное перекрестное оплодотворение. Через 12.5 ч в пробе воды из культуры, помещенной в камеру Богорова, были обнаружены прозрачные личинки длиной около 1 мм. Их хвост активно бился, благодаря чему личинки (до метаморфоза) быстро перемещались передним концом туловища вперед, поскольку на этой стадии развития хвост отходит от заднебрюшной области туловища, тогда как у ювенильных и половозрелых особей он перемещается на среднюю часть брюшной стенки тела. Благодаря такому положению хвоста (рис. 1), ювенильные и половозрелые особи уже активно парили в толще воды. Данные гистологического исследования показали, что у личинок органогенез полностью завершается: рот прорывается, жаберные щели открываются наружу, вода начинает циркулировать по пищеварительному каналу, ойкопластический эпителий нарабатывает первый "слизистый домик". Системы органов личинок соответствуют системам органов ювенильных и половозрелых особей О. gracilis. Отличие наблюдается в строении целомического мешочка, положении хвоста и размерах личинок, длина которых составляет около 0.95 мм, тогда как длина ювенильных особей - почти 4.5 мм.

пищеварительный канал, светло-серый - гемоцель, черный - гонады. Условные обозначения: 1 - анус, 2 - желудок, 3 - хвост, 4 - глотка, эн - эндостиль, зг - зачаток гонады, с - семенник, я - яичник, звездочкой обозначена стигма, двумя звездочками обозначен церебральный ганглий, стрелкой обозначен хвостовой ганглий, двумя стрелками обозначен ойкопластический эпителий. Масштаб: А -300 мкм, Б - 800 мкм.

2. Покровы

Ойкопластический эпителий. Тело О. gracilis на личиночной (до метаморфоза, 12.5 ч после оплодотворения яйца), ювенильной и половозрелой стадиях развития (после метаморфоза) покрыто эпидермисом, который состоит из однослойного эпителия, подстилаемого плотной базальной пластинкой. Эпителий имеет две разновидности. Дорсальную сторону туловища покрывает однослойный секреторный эпителий (ойкопластический эпителий), который составляют крупные клетки, а репродуктивный отдел, вентральную часть туловища и хвост - однослойный плоский эпителий. Ойкопластический эпителий ответственен за секрецию фильтрационного аппарата - "слизистого домика". Этот эпителий образует несколько групп клеток, различающихся между собой определенными размерами и формой ядер.

Эпидермис. Эпидермис туловища и хвоста у личинок, ювенильных и половозрелых особей О. gracilis состоит из плоских сильно вытянутых эпителиальных клеток. Эпидермис располагается на хорошо выраженной базальной пластинке, которая образована фиброзным материалом. Стенку тела образует только эпидермис, поскольку за его базальной пластинкой отсутствует мышечный сократительный слой. В отличие от цитоплазмы клеток ойкопластического эпителия, цитоплазма апикальной части клеток плоского эпителия содержит скопление микрофиламентов. На поверхности эпидермиса обнаруживается некоторое количество фиброзоподобного материала, вероятно, являющегося остатками "слизистого домика".

3. Нервная система

Нервная система личинки О. gracilis полностью сформирована. У ювенильных и половозрелых особей, как и у личинок, она представлена дорсальным мозгом, или церебральным ганглием, погруженным в первичную полость тела - гемоцель. Мозг условно подразделяется на три области: переднюю, среднюю, от которой берет свое начало ресничный канал, и заднюю, включающую чувствительный пузырек - статоцист (рис. 2). От передней и задней областей мозга отходит несколько парных и один непарный нерв различной толщины. Один из двух самых крупных нервов отходит от передней области мозга и почти сразу разветвляется на два симметричных нерва, которые, по-видимому, иннервируют ресничное кольцо глотки и механорецепторы рта. Еще одна пара более тонких нервов (Г) также отходит от передней части мозга до начала крупного парного нерва (ппн). Один из них подходит к дорсальной части эпидермиса - ойкопластическому эпителию, а другой - к вентральной части эпидермиса - плоскому эпителию. Второй крупный нерв, представленный длинным непарным нервным тяжем, берет начало от задней области мозга. В гемоцеле он дорсально проходит между ойкопластическим эпителием и пищеварительным каналом, а между вертикальной кишкой и семенником ниспадает в хвост. За непарным нервным тяжем отходит одна пара более тонких нервов, аксоны которых подходят к ресничным кольцам жаберных щелей и вентральному эпидермису.. В основании хвоста непарный нервный тяж формирует утолщение, состоящее из скопления крупных нейронов, которые формируют хвостовой ганглий.

Рис. 2. Схема нервной системы Oikopleura gracilis. Условные обозначения: здн - задний дорсальный нерв, мр - механорецепторы рта, ппн - крупный парный передний нерв, аксоны которого подходят к ресничному кольцу и механорецепторам, Г - первый парный нерв, 2' - аксон второго парного нерва, подходящий к стигмам, 2" - аксон второго парного нерва, подходящий к эпидермису, рк - ресничное кольцо, ст - стигма, стц - статоцист, цг1 - передняя область церебрального ганглия, цг2 -средняя область церебрального ганглия, цгЗ - задняя область церебрального ганглия.

4. Полости тела и кровеносная система

Полости тела. Тело аппендикулярии О. gracilis как на стадии личинки, так и на ювенильной и половозрелой стадиях развития может быть подразделено на туловище (цефалэнтерон) и мускульный хвост, между которыми нет внутренних перегородок, или септ (рис. 3).

Рис. 3. Организация полостей тела половозрелой стадии развития аппендикулярии Oikopleura gracilis. Цветами обозначены: черный - гемоцель, серый - целом, белый - другие органы. Условные обозначения: ас - аксиальный комплекс, b - туловище, Ы - базальная пластинка, сс - клетка целомической выстилки, ch - хорда, со - целом, ср - эпидермис, he - гемоцель, hr - полость сердца, m -митохондрия, mf - миофибриллы, тс - мышечные клетки, п - ядро, ov - яичник, ph - глотка, sm -соматоплевра, sp - спланхноплевра, st - желудок, t - хвост, te - семенник.

В свою очередь, туловище подразделяется на три отдела: фарингобрахиальный, пищеварительный и репродуктивный. Эти отделы также не разделены септами, а объединены единой полостью, в которой располагаются соответствующие каждому отделу органы (рис. ЗА). Хвост практически полностью занят осевым комплексом органов, в состав которого входят хорда, нервная трубка и продольные мышечные ленты.

Проведенное ультраструктурное исследование полости тела О. gracilis позволило констатировать отсутствие специализированной целомической выстилки во всех органах туловища и в хвосте как со стороны стенки тела, так и со стороны пищеварительного тракта. В репродуктивном отделе пространство между эпидермисом и кишечником занято крупной обоеполой гонадой. Гонада имеет собственную эпителиальную выстилку. Апикальная поверхность эпидермиса направлена внутрь гонады, а сам эпидермис подостлан тонкой базальной мембраной. Полость, окружающая гонаду, выстлана тонкими базальными мембранами. Выстилки семенника и яичника контактируют друг с другом по средней линии гонады. Семенник и яичник со всех сторон окружены собственной выстилкой и, таким образом, полость, в которой располагаются созревающие половые продукты (яйцеклетки и сперматозоиды), можно рассматривать как целомическую. Целомическая природа гонады может быть косвенно подтверждена наличием половых протоков, связывающих полость семенника и окружающую среду. Гемоцель, занимающий туловище, переходит в хвост, где образует своего рода муфту, расположенную между эпидермисом, формирующим на периферии плавники хвоста, мышечными лентами и осевым комплексом органов, проходящим в центре хвоста (рис. ЗВ). Настоящая целомическая полость была обнаружена в заднебрюшной области пищеварительного отдела туловища. Целом имеет вид крошечного мускульного мешочка и располагается между левой долей желудка, задней кишкой, брюшной стенкой тела и основанием мускульного хвоста (рис. ЗГ). Целомическая выстилка отстоит на некотором расстоянии и от стенки тела, и от стенки кишечника. Со стороны стенки тела целом выстлан уплощенными, сильно вытянутыми эпителиальными клетками, которые соединены друг с другом десмосомами и подостланы тонкой базальной пластинкой (рис. ЗД). Целомическая выстилка со стороны пищеварительной трубки (спланхноплевра) имеет совсем иное строение и образована миоэпителиальными клетками, в которых сократимые филаменты, проходящие в базальной цитоплазме, организованы по типу поперечно-исчерченной мускулатуры (рис. ЗЕ). Между спланхноплеврой и пищеварительной трубкой имеется обширное пространство, выстланное с одной стороны базальной пластинкой целомического эпителия, а с другой - базальной пластинкой кишечного эпителия. Этот участок первичной полости тела, имеющий мускулистую сосудистую стенку, следует рассматривать как главный кровеносный сосуд (сердце) обширного гемоцеля аппендикулярии, а окружающий его целомический мешочек - как перикард (рис. ЗГ).

Сердце личинок О. gracilis парное, в отличие от сердца у ювенильных и половозрелых особей, и представлено двумя замкнутыми целомическими мешочками, миокард каждого из которых и является сократительным сосудом, или сердцем (рис. 4А,

Б). Гемоцель у личинок, также как и у ювенильных и половозрелых особей, преобладает над целомом, который представлен двумя брюшными целомическими мешочками (рис. 4А-В). Оба брюшных целомических мешочка располагаются очень близко друг к другу, но вместе с тем каждый из них замкнут, образуя стенки целома, а именно сердце и перикард.

Рис. 4. Парные целомические мешочки личинки Oikoplewa gracilis. А - парные целомические мешочки отстоят на некотором расстоянии друг от друга; Б - первый целомический мешочек между левой долей желудка и вентральным туловищным эпидермисом; В - второй целомический мешочек между левой долей желудка и задней кишкой. Условные обозначения: гц - гемоцель, зк - задняя кишка, лдж - левая доля желудка, ц - целом, 1 - миокард, образующий сердце открытого типа, 2 - перикард, звездочкой обозначен первый целомический мешочек, двумя звездочками обозначен второй целомический мешочек. Масштаб 5 мкм.

Микроскопическая анатомия и ультраструктура сердца. Перикард О. gracilis на личиночной, ювенильной и половозрелой стадиях развития образован крупными эпителиальными клетками веретеновидной формы. Миокард образуют миоэпителиальные клетки, апикальная цитоплазма которых содержит крупные округлые ядра, а базальная цитоплазма занята скоплением миофиламентов, благодаря чему эти клетки обладают сократимостью. Апикальной частью миоэпителиальные клетки обращены в целомическую полость, а сократимой частью - в гемоцель. Базальная мембрана миокарда хорошо выражена, толщина ее составляет около 70 нм. В некоторых областях она тесно прилегает к базальной мембране эпителия вертикальной кишки. Миокард и перикард через мелкие эпителиоподобные клетки соединены между собой в единый брюшной сократительный сосуд.

Форменные элементы гемолимфы. Гемолимфа О. gracilis содержит малое количество форменных элементов. Гемоциты можно отнести к гемобластам и

амебоцитам. У предполагаемых гемобластов О. gracilis крупные ядра, около 2 мкм в диаметре, а диаметр самих гемобластов составляет около 4 мкм. Амебоциты мельче предполагаемых гемобластов, поскольку их диаметр 2 мкм, а диаметр ядра - 0.8 мкм. Они имеют несколько цитоплазматических выростов.

Жаберные щели. У личинки О. gracilis жаберные щели уже полностью сформированы. Они начинают свою активную работу, и личинка приобретает способность к питанию. У О. gracilis имеется пара жаберных щелей, которые располагаются в первичной полости туловища за эндостилем и над задней кишкой (рис. 5А, Б). Они представляют собой пару крупных трубковидных выростов стенки задней части глотки. Эпителий трубковидных жаберных щелей переходит в покровный эпителий вентральной части туловища, благодаря чему жаберные щели открываются наружу через стенку туловища. В центре каждой трубковидной жаберной щели располагается ресничное кольцо, или стигма, реснички которой направлены в полость щели (рис. 5А). Ресничное кольцо представлено утолщенным участком вентролатеральной стенки однослойного плоского эпителия глотки, который формирует жаберную щель. Оно образовано двумя типами клеток: нересничными и многресничными. Каждое ресничное кольцо образовано четырьмя рядами многоресничных клеток и двумя рядами окружающих их нересничных эпителиальных клеток.

Рис. 5. Расположение жаберных щелей Oikopleura gracilis. А - схема организации туловища; Б -прижизненное фото, вид с дорсальной стороны. Условные обозначения: стрелками указаны ресничные кольца жаберных щелей, звездочкой указано ресничное кольцо жаберной щели, 1 - задняя кишка, 2 -левая доля желудка, 3 - хвост; фаринго-бранхиапьный отдел обозначен белым цветом, пищеварительный отдел - серым цветом, репродуктивный отдел - черным цветом, бластоцель - темно-серым цветом, ойкопластический эпителий заштрихован. Масштаб 500 мкм.

Микроскопическая анатомия пищеварительной системы ювенильной и половозрелой стадий развития. Обширная глотка О. gracilis на ювенильной и половозрелой стадиях развития переходит в дорсальный трубковидный пищевод, который, сужаясь, формирует ресничное кольцо и продолжается в левую долю желудка. Желудок - самый большой орган пищеварительной системы. Две его доли, левая и

5. Пищеварительный канал

3

правая, находятся параллельно относительно друг друга, спереди соединяясь каналом, лежащим под задней кишкой, а сзади отделены друг от друга. Правая доля желудка продолжается в вертикальную кишку, которая обрамлена ресничным кольцом пищевода, а сзади сужается собственным ресничным кольцом. Вертикальная кишка в косом направлении ниспадает под левую долю желудка и переходит в среднюю, а затем в заднюю кишку, открывающуюся анусом наружу (рис. 6).

Рис. 6. Изображение пищеварительной системы Oikopleura gracilis с дорсальной стороны (А) и с левой стороны туловища (Б). Условные обозначения: ас - анус, вк - вертикальная кишка, г -гермафродитная гонада, гл - глотка, зк - задняя кишка, лдж - левая доля желудка, п - пищевод, пдж -правая доля желудка, р - рот, рк - ресничное кольцо жаберной щели, срк - средняя кишка, звездочка обозначает эндостиль, две звездочки обозначают хвост.

Эпителий пищеварительного канала однослойный однорядный, располагается на хорошо выраженной базальной мембране толщиной около 40 нм. В нем доминируют три основных клеточных типа: энтероциты, шаровидные клетки и гигантские клетки дна желудка. Энтероциты представлены двумя подтипами: энтероциты с большим и с малым количеством ресничек. Эпителиальные клетки пищеварительного канала соединены между собой короткими апико- и базо-латеральными плотными контактами, сопровождающимися плотной адгезивной зоной, многочисленными щелевидными контактами вдоль латеральных плазмалемм и сильно выраженными переплетениями отростков соседних клеток, ассоциированных с щелевыми контактами.

Пищеварительная система личинки. Анатомия пищеварительного канала личинки О. gracilis, выявленная благодаря серийным гистологическим срезам, практически полностью соответствует таковой пищеварительного канала О. gracilis на ювенильной и половозрелой стадиях развития. Основное отличие заключается в меньшем размере пищеварительного канала личинки. Согласно полученным ультраструктурным данным, клеточный состав пищеварительного эпителия личинки остается сходным с таковым у ювенильных и половозрелых особей О. gracilis.

6. Микроскопическая анатомия и ультраструктура хвоста

Хвост личинки О. gracilis отходит от заднебрюшной части туловища. В ходе метаморфоза хвост О. gracilis на ювенильной стадии развития перемещается на вентральную часть туловища в его среднюю часть. Длина хвоста примерно в три раза превышает длину туловища. Анатомически хвост состоит из центрально расположенной хорды, к которой слева плотно примыкает нервная трубка, а с дорсальной и вентральной сторон по всей длине хвоста хорда и нервная трубка окружены мышечными лентами. Сверху хвост покрыт однослойным тонким эпидермисом, который формирует вытянутые латеральные плавники хвоста. Пространство между мышечными лентами, хордой и нервной трубкой занято обширным гемоцелем, который заходит и в хвостовые плавники (рис. 7).

Рис. 7. Поперечный полутонкий срез через хвост ювенильной стадии развития Oikopleura gracilis. Условные обозначения: нт - нотохорд, хр - хорда, гц - гемоцель, звездочкой обозначены мышечные ленты хвоста, двумя звездочками обозначены плавники хвоста, в которые заходит гемоцель, стрелкой обозначен эпидермис. Масштаб 5 мкм.

Эпидермис хвоста образован плоскими, вытянутыми эпителиальными клетками, которые лежат на слабо выраженной базальной пластинке толщиной до 15 нм. Эпидермальные клетки между собой соединены апикальными десмосомами. Митохондрии мышечных клеток строго ориентированы по своей длинной оси к одной или двум миофибриллам одновременно, создавая тем самым характерный рисунок. Хорда образована сильно вытянутыми эпителиальными клетками, которые имеют центральную расширенную часть, содержащую веретеновидное ядро, и дистальную узкую длинную часть. Длинные отростки этих частей клеток смыкаются своими концами с противоположной стороны от ядросодержащей части, тем самым создавая округлую полость хорды.

7. Микроскопическая анатомия и ультраструктура гермафродитной гонады

Формирование и ультраструктурная организация гермафродитной гонады. Гермафродитная гонада О. gracilis локализована в расширенной задней части туловища - репродуктивном отделе, расположенном за пищеварительным трактом. У личинок полость репродуктивного отдела полупуста, так как в ней находится очень маленький зачаток гонады (рис. 8А). Через 2-3 сут развития становятся различимы мужская и женская гонады, что является признаком ювенильной стадии. Размер гермафродитной гонады на этой стадии составляет примерно 60x40 мкм (рис. 8Б). По мере созревания гермафродитная гонада увеличивается в размерах и постепенно разделяется на доли семенника и непарный яичник. Это происходит приблизительно через 4-5 сут развития (середина цикла развития), когда размер гермафродитной гонады достигает 90x50 мкм (рис. 8В, Г). У половозрелых особей О. gracilis (6-7 сут) семенник приобретает темно-коричневый цвет, а яичник остается более прозрачным. На этой стадии созревания семенник и яичник занимают всю полость репродуктивного отдела, в яичнике видны отдельно лежащие ооциты (рис. 8Д).

Рис. 8. Развитие гермафродитной гонады у Oikopleura gracilis. А - зачаток гонады личинки через 12.5 ч после оплодотворения (указан стрелкой); Б, В - дальнейшее развитие гонады у ювенильной особи (2-3 сут); Г - половозрелая особь с дифференцированными мужской и женской гонадами (4-5 сут), Д - в яичнике видны отдельно лежащие ооциты (6-7 сут). Условные обозначения: пк- пищеварительный канал, р - рот, я - яичник, с - семенник, о -ооциты, сп - сперматозоиды. Масштаб: А - 70 мкм, Б, В - 20 мкм, Г - 18 мкм, Д - 120 мкм.

Клеточный состав гонад. Яичник аииендикулярии О. gracilis представлен синцитием, в общей цитоплазме которого обнаружено два типа ядер половой линии: вспомогательные, предположительно полиплоидные, ядра и мейотические ядра будущих ооцитов. Через цитоплазматические мостики цитоплазма, примыкающая к ядрам развивающихся ооцитов, соединяется с общей цитоплазмой, в которой находятся вспомогательные полиплоидные ядра. Синцитий яичника покрывает плоский однослойный фолликулярный эпителий. Семенник О. gracilis также представлен синцитием, цитоплазма которого содержит только один тип пролиферирующих ядер половой линии - синхронно развивающихся будущих сперматозоидов. Синцитий семенника покрывает однослойный соматический эпителий.

Ультраструктура гонад. Яичник О. gracilis имеет синцитиальную организацию. В нем хорошо видны мейотические ядра будущих ооцитов, которые располагаются в области цитоплазмы с электроносветлыми везикулами и окружены незамкнутой мембраной. Цитоплазма, окружающая ядра ооцитов, через цитоплазматические мостики сообщается с цитоплазмой полиплоидных ядер. Цитоплазма, в которой располагаются ядра развивающихся ооцитов, практически полностью заполнена мультивезикулярными тельцами с гетерогенным и электроносветлым содержимым, а также хорошо развитым гладким эндоплазматическим ретикулумом, несколькими округлыми митохондриями, вытянутыми цистернами комплекса Гольджи с дистальными пузырьками и шероховатым эндоплазматическим ретикулумом. По сравнению с цитоплазмой, относящейся к ядрам ооцитов, цитоплазма, окружающая полиплоидные ядра, электронотемная, хотя она также содержит везикулы различных размеров с электроносветлым и электронотемным материалом. Около каждого полиплоидного ядра располагаются гигантские митохондрии необычной чашевидной формы.

Ультраструктура первичных половых клеток и недифференцированного зачатка гермафродитной гонады. Репродуктивный отдел личинки О. gracilis слабо выражен, поскольку в нем находится маленький, порядка 20x40 мкм зачаток гонады. Он состоит из двух частей, отделенных друг от друга прослойкой слабо дифференцированного соматического эпителия (рис. 9А). В дальнейшем из каждой части сформируется семенник и яичник. Клетки соматической и половой линий уже на этой стадии развития гермафродитной гонады хорошо идентифицируются, поскольку у них можно выявить ряд ультраструктурных отличий. Соматические клетки в один слой располагаются на периферии зачатка. Половая линия зачатка представлена скоплением первичных половых клеток (рис. 9).

Рис. 9. Зачаток гермафродитной гонады личинки Oikopleura gracilis через 12.5ч после оплодотворения. А - общий вид, Б - 3 - зачаток семенника. Условные обозначения: зп -зародышевая плазма, КГ - комплекс Гольджи, м - митохондрии, оц - общая цитоплазма, ШЭР - шероховатый эндоплазматический ретикулум, эпд - эпидермис, я1 - ядра синцития соматической линии, я2 - ядра половой линии, звездочкой обозначена полость гонады (гемоцель), две звездочки обозначают электроносветлое вещество между слоем сомы и скоплением клеток половой линии, стрелкой обозначен соматический эпителий зачатка гонады, белые стрелки указывают на клеточный контакт. Масштаб: А - 5 мкм, Б-Д, Ж - 1 мкм, Г, Е, 3 -0.5 мкм.

Сперматогенез. В семенниках ювенильных и половозрелых особей О. gracilis мужские половые клетки развиваются синхронно. Семенник ювенильных особей занят только развивающимися сперматогониями, у половозрелых особей семенник заполнен отдельно лежащими сперматозоидами. Это указывает на высокую степень синхронности протекающего сперматогенеза по всему объему семенника, который в свою очередь имеет синцитиальную структуру (рис. 10).

Первичные половые клетки

Сперматогонии

Зрелый сперматозоид О. gracilis

Поздние сперматиды

Рис. 10. Схема сперматогенеза Oikopleura gracilis. Условные обозначения: бп - базальная пластинка соматического эпителия, м - митохондрия, рт - резидуальное тельце, яп - ядро первичной половой клетки, яс - ядро клетки соматического эпителия, яСг - ядро сперматогония, яСр - ядро зрелого сперматозоида, яСт - ядро сперматоцита, ц - центриоли, звездочка обозначает клеточный контакт соматического эпителия, две звездочки обозначают межцитоплазматические просветы, стрелка указывает на "nuage" - митохондриальный комплекс, две стрелки обозначают участки обособления кластеров пролиферирующих сперматогониев, 1 - головка сперматозоида, 2 - средняя часть, содержащая митохондрию, 3 -хвостовой аппарата сперматозоида, 4 - отросток хвостового аппарата сперматозоида.

Поздние сперматиды имеют овальную головку и длинный хвостовой аппарат. Головкой сперматиды еще связаны с остатками синцитиальной цитоплазмы, которая на этой стадии приобретает вид резидуальных телец. Аксонема почти полностью пронизывает ядро поздней сперматиды, тем самым образуя в ядре канал, в котором располагается аксонема (рис. 11 А). Поздние сперматиды имеют одну крупную митохондрию. Она располагается рядом с ядром, обхватывая его полукольцом. Помимо головки и хвостового аппарата, зрелые сперматозоиды О. gracilis имеют дополнительно среднюю часть, в которой располагается крупная кольцевая митохондрия поздней сперматиды. Митохондрия зрелого сперматозоида образует своего рода муфту, через которую проходит часть аксонемы жгутика (рис. 11Б). Проксимальной центриоли не обнаружено.

Рис.11. Схема поздней сперматиды и зрелого сперматозоида Oikopleura gracilis. А -сперматида, Б - зрелый сперматозоид. Условные обозначения: а - аксонема, м - митохондрия, х - хвостовой аппарат сперматозоида, я - ядро, звездочкой обозначена акросома, двумя звездочками обозначен концевой отдел хвостового аппарата, двойной стрелкой обозначена средняя часть сперматозоида. Масштаб 0.7 мкм.

Ультраструктура соматического эпителия семенника на разных этапах сперматогенеза. Соматический эпителий семенника представлен плоским однослойным сильно вытянутым эпителием. Соматический эпителий плотно контактирует с базальными пластинками окружающих его тканей. С дорсальной и вентральной сторон семенника соматический эпителий контактирует с базальными пластинками эпидермиса, антериолатерально - с базальными пластинками эпителия вертикальной кишки, а постериолатерально - с базальной пластинкой фолликулярного эпителия яичника. На всем протяжении соматического эпителия семенника в апикальной части его клеток плазматическая мембрана формирует клеточные контакты с синцитием развивающихся сперматозоидов. На стадии поздних сперматид, когда семенник достигает своего максимального размера, соматический эпителий приобретает вид синцития, поскольку между некоторыми соседними клетками исчезают плазматические мембраны. Цитоплазма клеток соматического эпителия становится электроносветлой. Помимо органелл она заполняется электронотемными включениями. К апикальной плазматической мембране соматического эпителия тесно примыкают сперматиды и их резидуальные тельца.

Ультраструктурные аспекты оогенеза. Через 3 сут развития в яичнике ювенильной особи О. gracilis происходит ряд изменений. Фолликулярный эпителий, который сформировался из слабо дифференцированных клеток соматической линии полового зачатка, располагается на собственной базальной пластинке. Через 4 сут оогенеза в синцитиальной цитоплазме яичника появляются два типа ядер половой линии. Это крупные полиплоидные ядра с половыми детерминантами и мелкие мейотические ядра. Примерно через 5 сут оогенеза на периферии синцитиальной цитоплазмы появляются цитоплазматические борозды, продвигающиеся вглубь яичника. Они разделяют его синцитиальную цитоплазму на обособленные участки, которые содержат полиплоидные ядра и часть цитоплазмы, прилегающей к ним. Цитоплазматические мембраны будущих ооцитов почти полностью смыкаются. Цитоплазма полиплоидных ядер имеет электроноплотные участки в виде многочисленных телец. Около половых детерминантов расположены группами округлые митохондрии, у которых частично или полностью разрушены кристы, или повреждены наружные мембраны.

Через 6-7 сут развития синцитиальная цитоплазма яичника заметно редуцируется. По мере редукции синцитиальной цитоплазмы в яичнике остаются отдельно лежащие ооциты (рис. 12).

В синцитиальной цитоплазме яичника появляются два типа ядер половой линии

Первичные половые клетки

Обособление ооцитов от синцитиальной цитоплазмы яичника

Отдельно лежащие Зрелый ооцит вне яичника

ооциты в яичнике

Рис. 12. Схема оогенеза Oikopleura gracilis. Условные обозначения: бп - базальная пластинка, во - вителлиновая оболочка, гр - гранулы, Оц - ооцит, рм - разрушающиеся митохондрии, фс - фолликулярный синцитий, чм - гигантские чашевидные митохондрии, язО -ядро зрелого ооцита, яОг - ядро оогония, яп - ядро первичной половой клетки, яс - ядро клетки соматической линии зачатка гонады, яф - ядро фолликулярной клетки яичника, яфс - ядро фолликулярного синцития, звездочка обозначает клеточный контакт, две звездочки обозначают вытянутые мембранные включения, три звездочки обозначают отдельно лежащие ооциты в яичнике, стрелка указывает на цитоплазматические борозды ценоцисты, двойная стрелка указывает Ha"nuage" - митохондриальный комплекс, 1 - полиплоидное ядро половой линии, 2 -мейотическое ядро будущего ооцита.

Через 6 сут развития фолликулярный эпителий яичника О. gracilis представлен синцитием, поскольку соседние ядра этого эпителия не отделены друг от друга плазмалеммой. Цитоплазма фолликулярного эпителия яичника содержит крупные округлые ядра, электроносветлые везикулы, округлые митохондрии, хорошо развитый ШЭР и вытянутые мембранные включения. Длина мембранных включений порядка 1.5 мкм. Они содержат электроноплотный матрикс с фиброзоподобным содержимым, расположенным параллельными рядами вдоль длинной оси каждого из включений. Апикальная цитоплазма ценоцисты внедряется в синцитиальную цитоплазму яичника своими цитоплазматическими выростами, от которых отходят ранее упомянутые цитоплазматические борозды (рис. 12).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые изучены постэмбриональное развитие и гаметогенез гермафродитного вид аппендикулярий. Исследование постэмбрионального развития аппендикулярии О. gracilis показало, что личинка данного вида не претерпевает катастрофический метаморфоз. Через 12.5 ч после оплодотворения все органы личинки сформированы, являются дефинитивными и полностью соответствуют органам ювенильной и половозрелой стадиям развития. К характерным чертам личиночной стадии развития можно отнести задне-брюшное положение хвоста, парный целомический мешочек, наличие зачатка гонады в слаборазвитом репродуктивном отделе и небольшие размеры тела личинки. Зачаток гонады представлен скоплением первичных половых клеток, которое окружено слоем клеток соматической линии. Зачаток гонады проявляет элементы дифференцировки: пространственное положение клеток сомы и первичных половых клеток уже определено. Первичные половые клетки продуцируют половые детерминанты, ассоциированные с митохондриями. Клетки соматической линии зачатка гонады еще не имеют синтезированной ими базальной пластинки, что свидетельствует о начальном этапе дифференцировки этих клеток.

Впервые для аппендикулярий описан сперматогенез, начиная с ранних стадий. Установлена ультраструктура первичных половых клеток, сперматоцитов, сперматид и зрелых сперматозоидов гермафродитного представителя ойкоплеурид. На начальном этапе спермиогенеза сперматиды О. gracilis, как и других ойкоплеурид и фритилляриид, повторяют морфологию сперматид асцидий и талиацей: головка содержит субсферическое ядро с акросомой наверху, единственная митохондрия находится около ядра, дистальная центриоль сзади, появляется аксонема 9+2 и отсутствует средняя часть. Как показало электронномикроскопическое исследование, у сперматозоидов О. gracilis, как и у сперматозоидов трех ранее исследованных гермафродитных видов, акросома крупная, вытянутая, верхняя часть ее входит в ямку верхушки ядра, а остальная часть прилегает к ядру. У раздельнополого вида аппендикулярий О. dioica сперматозоиды отличаются от сперматозоидов гермафродитных видов аппендикулярий наличием слаборазвитой акросомы.

В настоящей работе впервые для аппендикулярий был описан ранний этап оогенеза - ультраструктура полового зачатка и первичных половых клеток. Ход оогенеза О. gracilis сходен с таковым у раздельнополого вида аппендикулярий О. dioica. Однако в ценоцисте О. gracilis были обнаружены гигантские чашевидные митохондрии, которые присутствуют на всех этапах оогенеза, изменяясь лишь в количестве. У О. dioica такие митохондрии отсутствуют.

выводы

1. Покровный эпителий О. gracilis на личиночной, ювенильной и половозрелой стадиях развития представлен дорсальным ойкопластическим эпителием и плоским эпидермисом, апикальная цитоплазма клеток которого содержит скопление микрофиламентов, обеспечивающее прочность эпителиального пласта.

2. Нервная система О. gracilis на личиночной, ювенильной и половозрелой стадиях развития представлена церебральным ганглием, от которого спереди отходит парный нерв, а сзади - единый дорсальный нервный тяж, переходящий в хвостовой нерв.

3. Клеточный состав пищеварительного канала О. gracilis на личиночной, ювенильной и половозрелой стадиях развития сходен. Преобладают четыре основных многофункциональных клеточных типа: энтероциты с большим количеством ресничек, шаровидные клетки, энтероциты с малым количеством ресничек и гигантские клетки дна желудка.

4. Первичная полость тела О. gracilis на личиночной, ювенильной и половозрелой стадиях развития преобладает над целомом. Целом представлен перикардом, чья внутренняя выстилка является собственной стенкой сердца. Целомом являются и гонады, состоящие из целомических мешков с собственной эпителиальной выстилкой.

5. Зачаток гонады у личинок О. gracilis образован скоплением гоноцитов, окруженным клетками соматической линии. По мере развития он преобразуется в гермафродитную гонаду. Клетки соматической линии дифференцируется в однослойный фолликулярный эпителий яичника и однослойный соматический эпителий семенника, а гоноциты дают начало будущим ооцитам и сперматозоидам.

6. Характерной чертой гаметогенеза аппендикулярии О. gracilis является высокая степень его синхронности, что обусловлено синцитиальным строением семенника и яичника. Развивающиеся ооциты через цитоплазматические мостики соединяются с синцитием вспомогательных клеток, покрытым слоем фолликулярного эпителия, поэтому оогенез О. gracilis можно отнести к нутриментарному типу.

7. Сперматозоиды О. gracilis сходны со сперматозоидами других гермафродитных ойкоплеурид и отличаются от сперматозоидов раздельнополого вида этого рода, О. dioica, строением акросомного аппарата и расположением митохондрии.

8. Метаморфоз личинки О. gracilis заключается в перемещении хвоста с задне-брюшного в средне-брюшное положение, в слиянии парного целомического мешочка в непарный и в дифференцировке зачатка гонады в гермафродитную гонаду.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах из списка, рекомендованного ВАК:

1. Савельева А.В., Даутов С.Ш. Формирование и ультраструктурная организация гонад аппендикулярии Oikopleura gracilis (Tunicata, Chordata) // Биология моря. 2012. Т. 38, №3. С. 237-243.

2. Савельева А.В., Темерева Е.Н., Даутов С.Ш. Организация полости тела аппендикулярий (Chordata: Appendicularia) не типична для вторичноротых животных // Доклады РАН. 2013. Т. 448, № 4. С. 490-493.

Публикации в материалах конференций:

3. Быстрова А.В., Даутов С.Ш. Первые сведения об ультраструктуре аппендикулярии Oikopleura gracilis из залива Петра Великого // Актуальные проблемы экологии, морской биологии и биотехнологии: Материалы IX региональной конференции студентов, аспирантов вузов и научных организаций Дальнего Востока России. 14-17 апреля 2010 г. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2010. С. 46.

4. Savelieva A.V., Dautov S.Sh. Gonads ultrastructure organization of Oicopleura gracilis (Tunicata, Urochordata) from Peter the Great Bay, the Sea of Japan // Embryology of Marine Invertebrates. N.A. Pertsov White Sea Biological Station. Department of Biology. M.V. Lomonosov Moscow State University. 4-21 July 2010: Course programme and book of abstracts. Moscow, 2010. P. 25.

5. Савельева A.B., Даутов С.Ш. Ультраструктурное исследование аппендикулярии Oikopleura gracilis (Tunicata, Urochordata) из залива Петра Великого // XIII Всероссийская молодежная школа-конференция по актуальным проблемам химии и биологии, МЭС ТИБОХ, Владивосток, 7-14 сентября 2009 г.: сборник трудов. Владивосток: ДВО РАН, 2009. С. 58.

6. Savelieva A.V., Dautov S.Sh. Taxonomic identification and population density of appendicularia found in Vostok Bay of the Japan Sea (Tunicata, Appendicularia) // Proceedings of China-Russian bilateral symposium on "Comparison on marine biodiversity in the Northwest Pacific", 10-11 October 2010, Qingdao, China. Qingdao: Institute of Oceanology, 2010. P. 193-200.

7. Савельева A.B., Даутов С.Ш. Органы размножения аппендикулярии Oikopleura gracilis (Tunicata, Chordata): формирование гонад, их развитие и ультраструктура // Тез. докл. X Региональной конференции студентов, аспирантов вузов и научных организаций Дальнего Востока России по актуальным проблемам экологии, морской биологии и биотехнологии. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2011. С. 241-243.

8. Савельева А.В. Первые сведения об ультраструктуре желудочно-кишечного тракта аппендикулярии Oikopleura gracilis (Tunicata, Urochordata) // Современные проблемы эволюционной морфологии животных. Материалы школы для молодых специалистов и студентов к 105-летию со дня рождения академика А.В. Иванова. СПб.: ЗИН РАН, 2011.С. 129.

Савельева Анна Владимировна

УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ АСПЕКТЫ ГАМЕТОГЕНЕЗА II ЛНЧИНОЧНОГО РАЗВИТИЯ АППЕНДИКУЛЯРИИ OIKOPLEURA GRACILIS (CHORD AT A, TUNICATA)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Подписано в печать 18.02.2013г. Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. 3,08. Тираж 100 экз. Заказ 070 Отпечатано в Типографии ИД ДВФУ 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Савельева, Анна Владимировна, Владивосток

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН

На правах рукописи

Савельева Анна Владимировна

УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ АСПЕКТЫ ГАМЕТОГЕНЕЗА И ЛИЧИНОЧНОГО РАЗВИТИЯ АППЕНДИКУЛЯРИИ OIKOPLEURA GRACILIS (CHORD AT A, TUNIC AT А)

03.03.05 - биология развития, эмбриология

Диссертация на соискание ученой степени

О кандидата биологических наук

ю 00

й-

О Научный руководитель:

с\1

1Г> кандидат биологических наук,

о °

^ старший научный сотрудник

СМ

^ С.Ш. Даутов

Владивосток - 2013

1

i

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9

1.1. Систематика и филогения аппендикулярий 9

1.2. Личиночное развитие аппендикулярии Oikopleura dioica 12

1.3. Анатомическая организация аппендикулярии Oikopleura dioica 13

1.4. Эпидермис 14

1.5. Нервная система 15

1.6. Хвост 16

1.7. Сердце 16

1.8. Нотохорд 17

1.9. Мускулатура 17

1.10. Пищеварительная система 18

1.11. Развитие ювенильной особи и гаметогенез Oikopleura dioica 19

1.12. Строение половой системы, морфология гамет и гаметогенез 19

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ 24

2.1. Прижизненное наблюдение и культивирование 24

2.2. Электронномикроскопическое исследование 25

2.3. Иммуноцитохимическое исследование 27

3. РЕЗУЛЬТАТЫ 28

3.1. Культивирование 28

3.2. Покровы 31

3.2.1. Ойкопластический эпителий 31

3.2.2. Эпидермис 36

3.3. Нервная система 40

3.4. Полости тела и кровеносная система 70

3.4.1. Полости тела 70

3.4.2. Микроскопическая анатомия и ультраструктура сердца 73

3.4.3. Форменные элементы гемолимфы 80

3.5. Пищеварительная система 82

3.5.1. Жаберные щели 82

3.5.2. Микроскопическая анатомия пищеварительной системы ювенильной и половозрелой стадий развития 90

3.5.3. Пищеварительная система личиночной стадии развития 116

3.6. Микроскопическая анатомия и ультраструктура хвоста 117

3.7. Микроскопическая анатомия и ультраструктура

гермафродитной гонады 125

3.7.1. Формирование и организация гермафродитной гонады 125

3.7.2. Ультраструктура первичных половых клеток

и недифференцированного зачатка гермафродитной гонады 135

3.7.3. Сперматогенез 139

3.7.4. Ультраструктура соматического эпителия семенника

на разных этапах сперматогенеза 154

3.7.5. Ультраструктурные аспекты оогенеза 161 4. ОБСУЖДЕНИЕ 182

4.1. Личиночное развитие 182

4.2. Покровный эпителий 182

4.3. Нервная система аппендикулярий и других оболочников 184

4.4. Жаберные щели аппендикулярий и других оболочников 192

4.5. Пищеварительная система 195

4.6. Полости тела и кровеносная система 201

4.7. Хвост 206

4.8. Половая система 207

4.9. Сперматогенез 208

4.10. Оогенез 213

4.11. Половой зачаток и формирование гермафродитной гонады 216 ВЫВОДЫ 220 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 222

ВВЕДЕНИЕ

Аппендикулярны - это класс морских оболочников, насчитывающих примерно 90 видов (Shiga, 1997). Они являются одной из базальных групп низших хордовых. Размеры аппендикулярий составляют от 1 мм до 1.5 см у тропических обитателей (Книпович, 1924). Аппендикулярии имеют студенистое тело, лишенное твердого скелета. Своим коротким жизненным циклом (6-8 сут), который аппендикулярии проводят в пелагиали, они отличаются от двух других классов подтипа Tunicata - асцидий и талиацей. Аппендикулярии играют важную роль в морских пищевых цепях, занимая второе место по биомассе после копепод (Gorsky, Fenaux, 1998), и являются кормовой базой для многих промысловых видов рыб (Aravena, Palma, 2002; Дулепова, 1998; Чучукало, 2006).

Благодаря наличию хорды в течение всего онтогенеза (в отличие от других Tunicata) аппендикулярии являются ключевым таксоном в решении вопросов происхождения и эволюции низших хордовых. Одни авторы считали аппендикулярий прямыми, но специализированными потомками всех оболочников (Seeliger, Lohmann, Fenaux, Tokioka), другие расценивали их как неотенических личинок асцидий (Willey, Brien) или даже бочоночников (Garstang, Berrill, Whitear, Bone) (по: Иванова-Казас, 1978).

Эмбриональное развитие аппендикулярий на сегодняшний день изучено только для единственного раздельнополого вида Oikopleura dioica из сем. Oikopleuridae. Гаметогенез подробно исследован также только у этого вида, а личиночная, ювенильная и половозрелая стадии развития аппендикулярий на гистологическом и ультраструктурном уровне не исследованы. Таким образом, получение новых фундаментальных знаний о постэмбриональном развитии и гаметогенезе аппендикулярий является актуальным направлением современной биологии развития морских организмов.

Настоящая работа посвящена изучению особенностей строения личиночной, ювенильной и половозрелой стадий, ультраструктуре половой

системы и гаметогенеза гермафродитного вида аппендикулярии Oikopleura gracilis Lohmann, 1869 с применением методов световой, просвечивающей электронной и конфокальной микроскопии.

Целью настоящего исследования является проведение ультраструктурного анализа личиночной, ювенильной и половозрелой стадий развития и гаметогенеза аппендикулярии Oikopleura gracilis Lohmann, 1896.

Задачи исследования включали: (1) изучение микроскопической анатомии и полную морфологическую реконструкцию всех систем органов и полостей тела личиночной, ювенильной и половозрелой стадий развития; (2) изучение ультраструктуры сократительного сосуда, гемоцеля и целотелия личиночной, ювенильной и половозрелой стадий развития; (3) изучение формирования гонад и стадий их зрелости; (4) изучение ультраструктурных особенностей гаметогенеза; (5) изучение ультраструктуры спермиев; (6) изучение метаморфоза.

Научная новизна. Получены новые данные по культивированию гермафродитного вида аппендикулярий О. gracilis, срокам его развития, формированию и степени зрелости гонад, морфологии гамет, организации личиночной, ювенильной и половозрелой стадий развития как на световом, так и на ультраструктурном уровне.

Впервые для аппендикулярий на примере О. gracilis выявлена организация полового зачатка и исследована его ультраструктура. Изучена ультраструктура мужской и женской гонад на разных стадиях их созревания. Прослежены ультраструктурные особенности взаимодействия половых детерминантов и митохондрий в синцитиальной цитоплазме яичника и семенника. Выявлен синцитиальный путь сперматогенеза и оогенеза, который, вероятно, связан с коротким жизненным циклом аппендикулярий.

Впервые установлена организация полостей тела поздней личинки и ювенильной стадии О. gracilis. Обнаружено, что туловищный целомический мешочек, который представляет редуцированный целом аппендикулярий, у личинок является парным, в отличие от ювенильных и половозрелых особей.

Выявлены и описаны два типа форменных элементов гемолимфы. Установлена организация сократительного сосуда. Исследованы внешние покровы, которые представлены двумя типами эпителиев: однослойным секреторным (ойкопластическим) эпителием и однослойным плоским эпителием. Плоский эпителий, покрывающий только вентральную часть туловища, репродуктивный отдел и хвост, в отличие от ойкопластического эпителия, покрывающего дорсальную часть туловища, в апикальной цитоплазме клеток содержит скопление микрофиламентов. Предполагается, что их функция заключается в механическом усилении однослойного плоского покровного эпителия О. gracilis. Подробно на ультраструктурном уровне исследована пищеварительная система личиночной, ювенильной и половозрелой стадий развития О. gracilis. Выявлены необычные клеточные контакты - интердигитации: переплетения цитоплазматических отростков соседних клеток, ассоциированные с щелевыми контактами. Такие контакты, обеспечивающие плотное взаимодействие соседних клеток, доминируют в пищеварительном и в ойкопластическом эпителии. Исследованы морфология и тонкое строение жаберных щелей - главного элемента фильтрационного аппарата О. gracilis. Установлены организация нервной системы и тонкое строение ее основных отделов. Обнаружены механорецепторы ротовой области и описана их ультраструктура и иннервация, которая осуществляется за счет крупного парного нерва передней области церебрального ганглия.

Теоретическое и практическое значение работы. Полученные данные по культивированию О. gracilis существенно дополняют имеющиеся представления о сроках развития аппендикулярий из сем. Oikopleuridae.

Полученные оригинальные данные по организации целома аппендикулярий позволяют понять тонкие механизмы функционирования сердца и участия в этом физиологическом процессе хвоста. Двигательная активность хвоста существенно способствует перемешиванию гемолимфы, поскольку целомическая система и сердце слабо развиты у О. gracilis. Обнаружение двух типов гемоцитов - крупных округлых и мелких

амебоидного типа, найденных в небольшом количестве в первичной полости тела, опровергает ранее сложившееся мнение о том, что аппендикулярии лишены каких-либо форменных элементов крови.

Выявленные механорецепторные клетки рта дополняют представления об органах чувств аппендикулярий, которые, как считалось, у них слабо выражены и представлены вентральным органом обоняния, клетками Лангерганса и статоцистом.

Сопоставление данных об ультраструктуре соматических тканей семенников и яичника с особенностями спермато- и оогенеза позволяют глубже понять характер взаимоотношений между половыми клетками и различными группами вспомогательных клеток в ходе дифференциации гамет у аппендикулярий.

Полученные оригинальные данные по ультраструктуре полового зачатка и первичных половых клеток личиночной стадии О. gracilis и дальнейших стадиях созревания гермафродитной гонады существенно расширяют представления о протекании как ранних этапов формирования половых клеток, так и гаметогенеза в целом для аппендикулярий-ойкоплеурид.

Материалы диссертации могут быть использованы при преподавании курсов зоологии, цитологии, гистологии и биологии развития в высших учебных заведениях.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в сборе материала, самостоятельной его обработке, анализе полученных данных и подготовке публикаций.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на 9-й и 10-й Региональных конференциях по актуальным проблемам морской биологии и экологии (Владивосток, ДВФУ, 2010, 2011); на ежегодных научных конференциях ИБМ им.A.B. Жирмунского ДВО РАН (Владивосток, 2010, 2011, 2012); на летней международной школе по эмбриологии морских беспозвоночных "Embryology of marine invertebrate" (МГУ, 2010); на билатеральном Российско-Китайском симпозиуме (Qingdao, 2010); на 13

Всероссийской молодежной школе-конференции по актуальным проблемам химии и биологии (Владивосток, 2010); на семинарах Лаборатории эмбриологии ИБМ ДВО РАН; на второй Всероссийской школе-конференции с международным участием к 105-летию со дня рождения академика A.B. Иванова (Санкт-Петербург, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе две статьи в отечественных рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 232 страницах и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов, обсуждения, выводов и списка литературы. Работа содержит 119 иллюстраций (рисунков, электронограмм) и 3 таблицы. Список литературы состоит из 127 наименований, из них 107 на иностранных языках.

Благодарности. Выражаю благодарность всем сотрудникам Лаборатории эмбриологии ИБМ им. A.B. Жирмунского ДВО РАН за разностороннее содействие и поддержку, оказанную в ходе подготовки работы. Хотелось бы выразить благодарность за активную поддержку и интересные дискуссии, касающиеся результатов работы, д.б.н., в.н.с. кафедры зоологии беспозвоночных Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Темеревой E.H., без содействия и ценных советов которой настоящая работа оказалась бы трудновыполнимой. Особую благодарность выражаю к.б.н. Савельеву П.А. за советы, замечания и конструктивную критику, которые пригодились мне в ходе написания работы. Сердечно благодарю своего научного руководителя к.б.н., с.н.с. Лаборатории эмбриологии Даутова С.Ш. за помощь в освоении методов электронной и конфокальной микроскопии, а также сотрудников отдела электронной микроскопии при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки ИБМ им. A.B. Жирмунского ДВО РАН за обучение и помощь в работе с электронными микроскопами.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Систематика и филогения аппендикулярий

Подтип Tunicata содержит три класса - Аппендикулярии (Larvacea), Асцидии (Ascidiacea) и Талиации (Thaliacea). Среди них асцидии - сидячие оболочники, имеющие хвостатую пелагическую личинку. Талиации -пелагические оболочники, но хвостатая личинка есть только у представителей семейства долиолид (Doliolidae). Аппендикулярии -единственные оболочники, которые во взрослом состоянии сохраняют хвост и весь жизненный цикл проводят в пелагиали. Класс Аппендикулярии (Личиночнохордовые) включает три семейства: Fritillariidae, Kowalevskiidae и Oikopleuridae (Holland et al., 2005). На сегодняшний день насчитывается около 90 видов аппендикулярий, из которых большинство приходится на Oikopleuridae.

Существует две основных теории происхождения Tunicata. Одна из них носит название аппендикулярной теории (appendicularian theory), предполагающей, что предковые формы оболочников были сходны с аппендикуляриями (Uljanin, 1884; Tokioka, 1971). Другая, неотеническая теория, полагает, что предковые оболочники были похожи на сидячих асцидий, от пелагических хвостатых личинок которых путем неотении произошли аппендикулярии (Garstrang, 1928; Иванова-Казас, 1995а, б). Подтверждение одной из этих двух теорий может быть основано на данных молекулярной филогенетики и морфологии гамет (Holland et al., 2005).

Спермии аппендикулярий исследованы на сегодняшний день не достаточно полно по сравнению со спермиями остальных оболочников (Burighel, Martinucci, 2000). Только у нескольких видов ойкплеурид, двух видов фритиллярий и одного вида ковалевскиид известно строение спермиев. Среди ойкоплеурид исследована ультраструктура спермиев Oikopleura dioica, который является единственным раздельнополым видом аппендикулярий.

Спермин этого вида аппендикулярий имеет округлое ядро и постоянную акросомальную везикулу (Flood, Afzelius, 1978) (рис. 1).

Рис. 1. Туловище (слева) и спермий (справа) Oikopleura dioica.

Когда спермий соприкасается с яйцом, его акросома подвергается экзоцитозу, высвобождая тем самым вещество, которое связывает спермий с вителлиновой оболочкой яйца. Длинная акросомальная трубочка образуется из мембраны акросомальной везикулы и проникает в яйцо (Holland et al., 1988).

Яйца ойкоплеурид имеют отдельные кортикальные гранулы, которые подвергаются экзоцитозу и способствуют образованию оболочки оплодотворения (Holland et al., 1988). Немногочисленные данные по морфологии спермиев аппендикулярий все же позволяют предполагать, что предки оболочников напоминали по общему виду аппендикулярий и имели спермии с хорошо выраженной акросомальной везикулой и яйцеклетками с кортикальными гранулами (Holland et al., 2005; Дроздов, Иванков, 2000).

В поддержку этой теории, а именно того, что аппендикулярии являются базальной группой внутри Tunicata, говорит филогенетическое древо, основанное на последовательности 18S рибосомальной ДНК, представленные в работе Холланд с соавторами (Holland et al., 2005). Несмотря на то, что в это филогенетическое дерево были включены и другие оболочники, ветвь Oikopleura dioica всегда отходила от основания ствола оболочников (Wada, 1998; Cameron et al., 2000; Swalla et al., 2000; Winchell, 2002). Надо учесть,

Oikopleura dioica

что в это древо не были включены другие виды аппендикулярий кроме О. dioica. На сегодняшний день нет молекулярных данных, на основе которых можно было бы выстроить филогенетическое древо и проанализировать на его основе филогенетические отношения между тремя семействами аппендикулярий. Более того, данные по морфологии гамет других видов аппендикулярий ограничены лишь семью видами, из которых четыре вида принадлежат к сем. Oikopleuridae, один вид к Kowalevskiidae и два вида к Fritillariidae (Flood, Afzelius, 1987; Holland et al., 2005) (рис. 2; 3).

Oikopleura fusiformis

Fritillaria aberrans

Рис. 2. Туловище и спермий Oikopleura fusiformis и Fritillaria aberrans.

Kowalevskia oceanica

Рис. 3. Туловище (слева) и спермий (справа) Коыа1ег5Иа осеатса.На вставке справа показана акросомальная везикула.

Филогенетическое дерево, основанное на морфологии аппендикулярий, до сих пор не выстроено, что объясняется отсутствием комплекса

морфологических признаков, которые позволили бы установить родственные отношения трех семейств аппендикулярий. Поскольку у оболочников нет каких-либо твердых структур, кроме хвоста (он также есть не у всех Tunicata), которые могли бы сохраниться в древних отложениях, как например, скелет позвоночных, наиболее репрезентативным признаком для выводов о филогенетических отношениях среди классов оболочников является только морфология их спермиев (Jamieson et al., 1995). В таком филогенетическом древе аппендикулярии с их относительно плезиоморфными спермиями являются базальной группой (Holland, 1991).

1.2. Личиночное развитие аппендикулярии Oikopleura dioica

Личиночное развитие аппендикулярий на сегодняшний день изучено только у раздельнополого вида О. dioica из �