Автореферат: Ультраструктурные и гистохимические особенности половой системы бескишечных турбеллярий и их филогенетическое значение

Таблица 1. Исследованный материал

3. Ультраструктура спермиев

Результаты. Раздел посвящен описанию ультраструктуры спермиев у 11 представителей бескишечных турбеллярий.

Praeconvoluta tigrina, Isodiametra pulchra, Pseudaphanostoma smithrii, Aphanostoma bruscai (рис. 2а). Аксонемы имеют обычную структуру 9+2 и заходят далеко в проксимальный отдел спермия, перекрываясь с ядром почти на всем его протяжении. У спермиев P. smithrii центральная пара микротрубочек исчезает у дистального конца ядра и аксонемы принимают форму 9+0. Кортикальные микротрубочки тянутся по всей длине среднего отдела, располагаясь на равном расстоянии друг от друга. У всех четырех видов поверхность клетки покрыта мембранной орнаментацией в виде регулярно расположенных продольных гребней.

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая ультраструктуру спермиев у исследованных видов (поперечные профили зрелых спермиев)

Otocelis sandara. Спермий обладает выраженной билатеральной симметрией: аксонемы расположены не по бокам ядра, но сближены на одной стороне спермия. Аксонемы имеют структуру 9+2 и тянутся по всей длине клетки, оканчиваясь почти у самого проксимального конца ядра. В ядросодержащем отделе все цитоплазматические микротрубочки лежат на периферии клетки (в кортикальной позиции - рис. 2, b1), но дистальнее ядра некоторые из них сдвигаются к центру клетки, образуя две латеральные полуцилиндрические группы вблизи аксонем - эти микротрубочки желобообразно охватывают скопление плотных гранул, так что последние оказываются «зажатыми» между ними и поверхностной мембраной спермия (рис. 2, b2). В среднем отделе цитоплазматические микротрубочки формируют два диагональных ряда ближе к центру спермия (рис. 2, b3).

Philocelis brueggemanni. Аксонемы формулы 9+2 заканчиваются в проксимальной части ядросодержащего отдела, перекрываясь с ядром почти по всей его длине. Цитоплазматические микротрубочки аксиального типа. Начинаясь у основания ядра, они образуют на этом участке 4 узкие ленты по 3 или 4 микротрубочки в каждой. Ленты расположены в виде креста с центром приблизительно вдоль главной оси спермия, однако микротрубочки не встречаются на перекрестье, но лежат на значительном расстоянии друг от друга; по центру же креста (то есть вдоль продольной оси спермия) расположена цепочка преломляющих гранул (рис. 2, g1). На некотором удалении от ядра ряды микротрубочек, образующие «перекладины» креста, сливаются попарно, образуя две новые ленты по 7 микротрубочек в каждой; эти ленты идут более или менее параллельно друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости аксонем (рис. 2, g2).

Notocelis gullmarensis. Аксонемы тянутся по бокам ядра и оканчиваются на самом проксимальном конце спермия. Конфигурация микротрубочек имеет вид 9+2 в дистальной области спермия (ближе к центриолям - рис. 2, c3), но принимает форму 9+0 в проксимальной части среднего отдела и в районе ядра (рис. 2, c1, c2). В хвостовой части спермия и в дистальной половине среднего отдела цитоплазматические микротрубочки занимают кортикальное положение (рис. 2, c3). Начинаясь непосредственно на границе между средним и хвостовым отделами, кортикальные микротрубочки уменьшаются в числе в проксимальном направлении, исчезая совсем, немного не доходя до ядра. В той части спермия, где аксонемы сопровождаются кортикальными микротрубочками, они сохраняют структуру 9+2. Уникальной чертой сперматозоидов N. gullmarensis является присутствие осевого стержня, органеллы узкоцилиндрической формы, состоящей из 5 или 6 тесно прилегающих аксиальных микротрубочек. Осевой стержень направлен более или менее параллельно продольной оси спермия, начинаясь у его проксимального конца и заканчиваясь несколько позади ядра. Осевой стержень, таким образом, проходит вдоль всей ядросодержащей части спермия, смещая ядро в эксцентрическое положение (рис. 2, c2). В той своей части, где аксонемы сопутствуют осевому стержню, они имеют структуру 9+0. Спермиогенез N. gullmarensis обнаруживает необычные черты. Все сперматиды имеют характерную особенность: одна из аксонем у такой сперматиды инкорпорирована в цитоплазму, а вторая остается свободной. Асимметрия спермиогенеза, по-видимому, связана с присутствием в цитоплазме осевого стержня, который смещает ядро на периферию клетки и тем самым затрудняет инкорпорацию ундулиподии на этой стороне спермия.

Paedomecynostomum bruneum (рис. 2, f). Аксонемы организованы по типу 9+1. Цитоплазматические микротрубочки аксиального типа; в данном случае они не собраны в группы, но лежат обособленно друг от друга, концентрируясь вокруг расположенных вдоль оси клетки митохондрий. Микротрубочки связаны с митохондриями и плотными гранулами посредством тонких актиноподобных филаментов.

Daku woorimensis (рис. 2, d). Спермий несет на поверхности многочисленные нитевидные придатки (микроподии). Аксонемы имеют типичную организацию 9+2 и проходят по всей длине спермия, заканчиваясь проксимальнее ядра. В проксимальной части ядросодержащего отдела, цитоплазматические микротрубочки занимают кортикальное положение, образуя две узкие ленты по 4-10 микротрубочек в каждой (рис. 2, d1).

Дистальнее, число микротрубочек в каждой группе увеличивается до 20, а сами ленты желобообразно изгибаются, охватывая ядро с противоположных сторон (рис. 2, d2). В дистальной части среднего отдела оба кластера микротрубочек, как правило, объединяются в центре спермия, образуя на поперечных срезах фигуру, напоминающую восьмерку. В хвостовом отделе спермия микротрубочки снова разделяются, принимая вид пары цилиндров, каждый из которых окружает цепочку плотных гранул (рис. 2, d3).

Stomatricha hochbergi. Кариоплазма имеет характерную слоистую структуру. Аксонемы формулы 9+0 оканчиваются немного не доходя до ядра, в среднем отделе они несколько обособлены от тела спермия в виде ундулирующих мембран. Непосредственно позади ядра расположен короткий правильный цилиндр, составленный из 8 связанных между собой микротрубочек (рис. 2, e1). В среднем отделе спермия цилиндр распадается на две ленты по 4 микротрубочки в каждой (рис. 2, e2, e3). В дистальной части среднего отдела правильность лент несколько нарушается: в некоторых случаях крайние микротрубочки в каждом ряду смещаются вовнутрь и обе группы приобретают форму четырехгранных стержней (рис. 2, e2). В хвостовом отделе остаются лишь 4 микротрубочки, лежащие на периферии клетки (рис. 2, e4).

Wulguru cuspidata. Аксонемы формулы 9+0 заходят в ядросодержащий отдел, несколько перекрываясь с ядром. Микротрубочки аксиального типа. Начинаясь у основания ядра, они образуют широкий цилиндр, состоящий из 11-15 микротрубочек (рис. 2, h1). В поперечном сечении симметрия цилиндра чаще всего нарушена, и тот принимает веретеновидную или каплевидную форму. Дистальнее, микротрубочки расщепляются на две параллельные ленты (по 5-7 микротрубочек в каждой), расположенные по оси клетки перпендикулярно плоскости, в которой лежат аксонемы (рис. 2, h2).

Обсуждение. В разделе обсуждаются ультраструктурные особенности спермиев, их таксономическое и филогенетическое значение. Показаны возможные пути эволюционных преобразований спермиев в пределах отряда.

Типы спермиев Acoela и их таксономическое значение. Результаты исследований ультраструктуры спермиев в целом подтверждают валидность тех групп ранга надсемейства, которые были установлены в процессе анализа гена 18S рибосомной ДНК (Hooge et al. 2002). Варианты организации спермиев, выявленные мной у 11 видов бескишечных турбеллярий соответствуют четырем группам, выделенным в статьях Raikova et al. 2001 и Hooge et al. 2002; кроме того, мной были описаны спермии, которые могут представлять собой промежуточные состояния.

По морфологическим признаками и по молекулярным данным семейство Convolutidae распадается на две неродственные группы. Обозначенные в статье Hooge et al. 2002 как «крупные» и «мелкие» конволютиды (в соответствии с размерами тела), эти группы недавно приобрели официальный таксономический статус - «мелкие конволютиды» были выделены в отдельное семейство Isodiametridae (см. Hooge & Tyler 2005), «крупные конволютиды» остались в семействе, за которым было сохранено прежнее название. В настоящей работе исследовано 4 вида турбеллярий, относящихся к сем. Isodiametridae - Aphanostoma bruscai, Praeconvoluta tigrina, Isodiametra pulchra, Pseudaphanostoma smithrii - и один вид - Wulguru cuspidata - относящийся к сем. Convolutidae. У всех изученных представителей изодиаметрид были обнаружены сперматозоиды одного типа: с аксонемами формы 9+2 и симметрично расположенными кортикальными микротрубочками, проходящими по всему промежуточному отделу спермия. Другой особенностью, обнаруженной у всех 4-х видов, является мембранная орнаментация в виде продольных гребней или ребер. В отличие от изодиаметрид, сперматозоиды представителей конволютид (включая Wulguru cuspidata) имеют аксиальные микротрубочки и аксонемы с формулой 9+0. Конфигурация цитоплазматических микротрубочек сходна у всех 5 исследованных видов семейства - непосредственно под ядром они образуют цилиндр, который распадается далее на две параллельные ленты. Таким образом, строение спермиев подтверждает монофилетичность как конволютид, так и изодиаметрид, и служит убедительным аргументом в пользу их филогенетической обособленности.

Еще одним видом, попадающим в группу 9+0, является Stomatricha hochbergi. Изначально S. hochbergi была описана как представитель Otocelididae, однако ее спермии оказались практически идентичными по своей структуре спермиями, описанным ранее у двух видов конволютид - Convoluta boyeri и C. philippinensis (см. Boyer & Smith 1982). Мускулатура цирруса Stomatricha состоит из анастомозирующих продольных волокон, что в соответствии с новой системой является ключевым диагностическим признаком конволютид. Форма тела Stomatricha с подогнутыми краями весьма характерна для конволютид, и совсем не встречается у отоцелидид. Перечисленные признаки оправдывают перенесение этого вида в семейство Convolutidae (Hooge & Tyler 2005). Выделение Stomatricha из отоцелидид, несмотря на наличие признака, считающегося диагностическим для этого семейства, подчеркивает сомнительный таксономический статус этой группы.

Разнообразие типов спермиев, обнаруженное у 3-х других представителей семейства, также говорит о полифилетическом характере отоцелидид. В то время как спермий Otocelis sandara имеет строение, считающееся исходным для бескишечных турбеллярий (аксонемы формулы 9+2 и кортикальные микротрубочки, хотя некоторые из них и погружаются в цитоплазму), у Philocelis brueggemanni мы находим спермии с типичными аксиальными микротрубочками, а спермии Notocelis gullmarensis демонстрируют промежуточное состояние, имея аксонемы структуры 9+2 и кортикальные микротрубочки дистально, но аксонемы вида 9+0 и аксиальные микротрубочки (осевой стержень) проксимально. Конфигурация цитоплазматических микротрубочек у Philocelis brueggemanni имеет существенное сходство с таковой спермиев Philactinoposthia saliens (см. Raikova & Justine 1999), что свидетельствует о родственных отношениях между этими видами.

В настоящей работе впервые описаны аксиальные микротрубочки для спермиев с формулой аксонем 9+1, у представителя семейства Mecynostomidae - Paedomecynostomum bruneum. В отличие от других спермиев с аксиальными микротрубочками, микротрубочки у этого вида не собраны в группы, а распределены по всей цитоплазме и ассоциированы с митохондриями и плотными гранулами. Анализ литературы показывает, что сходные по строению аксиальные микротрубочки могут быть найдены и у других представителей семейства Mecynostomidae.

Эволюция спермиев. В качестве одного из возможных путей эволюции цитоплазматических микротрубочек предлагается следующий эволюционный ряд, включающий описанные в работе спермии как промежуточные варианты (рис. 3). Исходным считается состояние, когда все цитоплазматические микротрубочки занимают кортикальное положение. У Otocelis sandara значительная часть микротрубочек еще располагается в кортикальной позиции, но некоторые из них уже вытесняются плотными гранулами к центру клетки и формируют две зеркально-симметричные полуцилиндрические группы. Организация микротрубочек Otocelis sandara представляет, вероятно, первый шаг на пути, ведущем к появлению аксиальных микротрубочек. У Daku woorimensis наблюдается более продвинутое состояние - сходные парные группы микротрубочек уже почти полностью отделены от плазматической мембраны и имеют вид нерегулярных цилиндрических лент, каждая из которых окружает цепочку плотных гранул. У бескишечных турбеллярий с аксонемами формулы 9+0 (Sagittiferidae, Convolutidae и часть Anaperidae) сохраняется только один из этих микротрубочковых цилиндров, в спермиях этого типа он занимает центральное (аксиальное) положение в клетке. Потеря одного микротрубочкового цилиндра у высших Acoela подтверждается тем, что у D. woorimensis число аксиальных микротрубочек приблизительно вдвое выше, чем у представителей конволютид и анаперид.