Первичная гетерономность сегментов у полихет и рост Nereis virens

В. В. Старунов, О. Б. Лаврова, И. А. Тихомиров

ПЕРВИЧНАЯ ГЕТЕРОНОМНОСТЬ СЕГМЕНТОВ У ПОЛИХЕТ И РОСТ NEREIS VIRENS *

Изучение строения и развития полихет на базе Морской биологической станции СПбГУ имеет довольно долгую историю. Наиболее известны исследования по изучению организации нервной системы полихет [3, 9, 18, 19], а также организации кластера и экспрессии гомеозисных генов в эмбриогенезе Nereis virens [1, 6, 7, 20, 21, 24, 25, 26]. Работа по изучению эмбрионального развития и роста полихеты N. virens ведется и по сей день. Этот вид полихет является массовым в беломорской фауне. Благодаря возможности получения огромного количества эмбрионального материала и легкости содержания в лабораторных условиях в настоящее время Nereis virens вместе с близким к нему видом Platynereis dumerilii стали модельными объектами для изучения процессов развития [23]. Основной упор при этом делается на изучение экспрессии различных генов [22, 27, 28]. Тем не менее по сей день не существует достаточно полной картины онтогенеза этих животных.

Согласно концепции П. П. Иванова, все тело червя можно подразделить на два отдела: ларвальный и постларвальный, которые имеют различные механизмы образования сегментов [4, 5]. То есть из гипосферы трохофоры единовременно образуется группа сегментов, называемых ларвальными. Мезодерма ларвальных сегментов по своему происхождению не метамерна и частично или полностью разделяется на сегменты под влиянием эктодермальной метамерии. После образования личиночного тела начинается развитие так называемых постларвальных сегментов в зоне роста. Они формируются последовательно один за другим, и мезодерма этих сегментов метамерна с самого начала.

Нами были изучены следующие аспекты роста N. virens: процесс формирования пе-ристомиума, процессы формирования параподий и процессы, происходящие при формировании нового сегмента.

Перистомиум взрослого червя формируется из первого ларвального сегмента и расположенной перед ним узкой зоны, несущей две пары усиков. Уже на стадии метатро-хофоры на гистологических срезах заметны четыре пары скоплений клеток, расположенных в передне-заднем направлении. Подобные скопления можно обнаружить и на продольных срезах через тело личинки в возрасте 6,5 сут [17]. Можно сделать предположение, что передняя пара скоплений соответствует остаткам еще одного ларвального сегмента, который мы предлагаем называть метастомиальным. Анализ развития пери-стомиальных усов позволяет подтвердить это предположение [13]. По-видимому, первая и вторая пары перистомиальных усов являются остатками параподий этого сегмента. Подобные предположения высказывались ранее В. А. Свешниковым [10].

Второй же и третий ларвальные сегменты входят в состав тела взрослого червя и присутствуют там всю жизнь, однако эти сегменты несколько отличаются от последующих. Это касается и строения их параподий. В общем случае параподия взрослого червя состоит из двух ветвей: нотоподии и невроподии. На невроподии расположены

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №09-04-01309-а).

© В. В. Старунов, О. Б. Лаврова, И. А. Тихомиров, 2010

Рис. 1. Схема строения заднего конца Nereis virens:

А — анальное отверстие; БНЦ — брюшная нервная цепочка; БС — брюшной кровеносный сосуд; КС — перианальный кровеносный синус; ПП — полость пигидия; СС — спинной кровеносный сосуд

спинной усик, спинная лопасть, спинной бугорок и средняя лопасть. Невроподия несет на себе брюшной бугорок, брюшную лопасть и брюшной усик. Различия ларвальных и постларвальных параподий взрослого червя касаются нотоподии. Нотоподии ларвальных сегментов не имеют ацикулы и щетинок и несут на себе лишь усик и одну лопасть [11, 13]. Тем не менее параподии этих сегментов в личиночный период имеют более полный состав: они несут две ацикулы и два пучка щетинок. В ходе метаморфоза они утрачиваются. Таким образом, изначально ларвальные параподии имели план строения, соответствующий постларвальным [17].

Исходя из этого, нами была предпринята попытка изучения развития параподий на постларвальных сегментах с использованием сканирующего электронного микроскопа. Порядок образования частей параподии на этих сегментах является строго определенным, и его можно представить следующим образом: сначала образуются параподиаль-ные выросты, после этого на спинном выросте появляются спинной усик и средняя лопасть. Далее обособляются брюшной усик и брюшная лопасть. Сразу после этого появляется невроподиальный бугорок, а затем формируются спинная лопасть, невро-хеты, а чуть позже и нотохеты. В последнюю очередь появляется нотоподиальный бугорок. Оказалось, что в ходе развития параподий на постларвальных сегментах позже всех образуются те части, которые утрачиваются параподиями ларвальных сегментов (спинная лопасть и спинной подиальный бугорок с щетинками). Эти данные позволили нам высказать предположение, что части параподии, появляющиеся в онтогенезе позже всего, утрачиваются раньше всего при ее редукции [12, 13].

На заднем конце тела червя происходят главные ростовые процессы, поэтому данный отдел тела наиболее интересен для исследования. Задний конец тела Nereis virens можно разделить на три части: пигидий, зону роста и зону формирования сегментов (рис. 1).

Пигидий у полихет изучен крайне слабо. Специально этот отдел тела практически не изучался. В соответствии с общепринятым мнением целом имеется только в

Рис. 2. Реконструкция строения заднего конца тела Nereis virens по серии продольных гистологических срезов :

ПЛ — пигидиальные лопасти; ПН — пигидиальные нити; ПП — полость пигидия; СС — спинной кровеносный сосуд

сегментах тела (ларвальных и постларвальных), при этом пигидий считается несегментарным образованием и, следовательно, не имеет целомической полости [2, 8]. По нашим данным, пигидий Nereis virens представляет собой уникальный отдел в теле червя, играющий, по всей видимости, важную роль в процессах роста и регенерации. Пигидий располагается на заднем конце тела. Терминально на нем находится анальное отверстие. Его поверхность несет многочисленные продольные складки. С вентральной стороны на пигидии находятся две лопасти, от которых отходят пигидиальные нити [14, 15].

На основании сделанных реконструкций по сериям гистологических срезов было выявлено, что внутри пигидия располагается хорошо выраженная сплошная кольцевидная полость, охватывающая концевой отдел кишечника (рис. 2). Эта полость имеет собственную выстилку, подобную выстилке туловищных сегментов, и поэтому может быть обозначена как перианальный целом. Тем не менее полость пигидия отличается от целомов сегментов: она непарная и не имеет протоков (целомодуктов или нефридиев).

Полость пигидия отделена от остального тела червя соединительнотканной перегородкой, в которой находится перианальный кровеносный синус, связанный с дорсальным и вентральным кровеносными сосудами тела червя (рис. 3, А).

1 Все реконструкции были выполнены при помощи программы «Reconstruct» URL: http://synapses.clm.utexas.edu/tools/reconstruct/reconstruct.stm (дата обращения: 4.05.2009).

Рис. 3. Реконструкция заднего конца тела червя по серии поперечных срезов:

А — общий вид; Б — только клетки зоны роста; БНЦ — брюшная нервная цепочка; КГ — клетки вентральных симметричных групп; КК — клетки «кольца»; КС — перианальный кровеносный синус

Внутри вентральной поверхности пигидия проходят стволы брюшной нервной цепочки червя, заканчивающиеся в пигидиальных нитях. Мускулатура пигидия развита плохо и представлена лишь расположенными кольцом мускульными элементами. В пигидиальных нитях мускульные элементы отсутствуют (рис. 4).

Кпереди от перегородки, отделяющей пигидий от остального тела червя, располагается зона роста (рис. 3, А, Б). Эта зона является местом начала всех морфогенетических процессов, связанных с образованием постларвальных сегментов. Устроена она следующим образом. В стенке тела находится кольцо из крупных активно делящихся клеток, расположенных по передней границе перианального кровеносного синуса. С вентральной стороны имеются две симметрично расположенные группы клеток, подобные клеткам, образующим кольцо в стенке тела. Они начинаются парой клеток на уровне перегородки, отделяющей пигидиальную полость от зоны роста. Далее, ближе к головному концу, число клеток, входящих в состав этих образований, увеличивается. Они заканчиваются в области объединения брюшных нервных стволов в брюшную нервную цепочку [16].

Можно предположить, что клеточное кольцо является эктодермальной зоной роста, служащей источником покровных и ганглиозных клеток, а парные клеточные скопления представляют собой мезодермальную зону роста, дающую начало целомам, мышцам, метанефридиям.

Кпереди от зоны роста расположена зона формирования, где постларвальные сегменты находятся на различных этапах своего развития (см. рис. 1). Передней границей этой зоны можно считать сегмент с полностью сформированными параподиями.

Суммируя полученные данные, можно предположить, что личинка Nereididae состоит из четырех сегментов (нулевого, первого, второго и третьего), параподии второго и

Рис. 4- Мускулатура зад него конца тела червя:

Окраска TRITC-фаллоиди ном. Конфокальная микроско пия, максимальная проекция МВ — мышечные волокна цело мического эпителия пигидиаль ной полости

третьего ларвальных сегментов утрачивают в ходе своего развития те части, которые в морфогенезе постларвальных параподий появляются в последнюю очередь. Строение заднего конца тела червя оказывается значительно сложнее, чем представлялось ранее. По утверждению многих исследователей, пигидий является частью тела, унаследованной от личинки и обладающей лишь первичной полостью. Нами же было показано, что пигидий представляет собой хорошо выраженную часть тела, в которой есть нервные стволы и целом, обладающий выстилкой, вполне сопоставимой с выстилкой всех нормальных сегментов. Таким образом, классические представления о строении пиги-дия неприложимы, по крайней мере для Nereididae. Зона роста червя состоит из двух частей: эктодермального кольца и пары мезодермальных клеточных скоплений.

Полученные данные подтверждают наличие первичной гетерономности сегментов у полихеты Nereis virens. Параподии ларвальных сегментов отличаются от постларвальных по своему строению. Тем не менее факт существования перианального целома заставляет задуматься над верностью классических представлений о строении личинки полихет и сущности пигидиального отдела тела червя, во всяком случае у Nereididae. Наличие гетерономности подтверждается и данными по экспрессии HOX-генов [24, 25].

Полученные данные не дают окончательного представления о механизмах роста полихет, они, скорее, указывают на направления для дальнейших исследований. Эти исследования были бы невозможны без объединения усилий специалистов в различных областях биологии, а также без технической поддержки со стороны сотрудников Морской биологической станции СПбГУ.

* * *

Данная работа была выполнена при активной поддержке сотрудников лаборатории экспериментальной эмбриологии биологического НИИ СПбГУ в рамках основной темы их исследований; автор выражает им глубокую признательность и благодарность.

100 мк

1. Бакаленко Н. И., Кулакова М. А., Новикова Е. Л., Михайлова К. А., Нестеренко А. Ю., Андреева Т. Ф. Hox-гены Nereis virens: генетический контроль становления передне-задней оси тела нектохеты и взрослого животного // VII научная сессия Морской биологической станции Санкт-Петербургского государственного университета. Тезисы докладов. СПб., 2006. С. 92-93.

2. Беклемишев В. Н. Основы сравнительной анатомии беспозвоночных. Проморфология. М., 1964. Т. 1. 432 с.

3. Бубко О. В., Миничев Ю. С. Нервная система личинок полихет (Polychaeta) // Труды Петергофского биологического института Ленинградского университета. 1978. №26. С. 37-50.

4. Иванов П.П. Первичная и вторичная метамерия тела // Журн. общ. биол. 1944. T. 5, №2. С. 61-95.

5. Иванов П. П. Общая и сравнительная эмбриология. М., 1937. 809 с.

6. Корчагина Н. М., Андреева Т. Ф., Дондуа А. К. Исследование кластерной организации HOX-генов полихеты Nereis virens // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 3. 2001. Вып. 2. С. 138-141.

7. Кулакова М. А., Новикова Е.Л., Елисеева Е. В., Андреева Т. Ф. Экспрессия генов Нох-кластера в постларвальном развитии полихеты Nereis virens в норме и при регенерации // Цитология. №46 (10). 2004. С.931-932.

8. Ливанов Н. А. Класс полихет (Polychaeta). Руководство по зоологии. Беспозвоночные: кольчатые черви, моллюски. Л., 1940. Т. 2. С. 10-136.

9. Миничев Ю. С., Бубко О. В. Анатомические особенности нервной системы кольчатых червей (Annelida) // Труды Петергофского биологического института Ленинградского университета. 1978. №26. С. 17-36.

10. Свешников В. А. Морфология личинок полихет. М.: Наука, 1978. 125 с.

11. Старунов В. В., Тихомиров И. А. Судьба ларвальных сегментов в ходе развития поли-хеты Nereis virens (Sars) //VI научная сессия Морской биологической станции Санкт-Петербургского государственного университета. Тезисы докладов. СПб., 2005. С. 60.

12. Старунов В. В., Тихомиров И. А. Развитие постларвальных параподий Nereis virens (Sars 1835) // VII научная сессия Морской биологической станции Санкт-Петербургского государственного университета. Тезисы докладов. СПб., 2006. С. 75-76.

13. Старунов В. В., Тихомиров И. А., Сотникова Е. В. Развитие ларвальных и пост-ларвальных параподий полихеты Nereis virens (Sars, 1835). Annelida: Polychaeta: Nereididae // Вестн. С.-Петерб. гос. ун-та. Сер. 3. 2006. Вып. 4. С. 53-60.

14. Старунов В. В., Тихомиров И. А., Лаврова О. Б. Строение пигидия Nereis virens (Sars, 1835) // VIII научная сессия Морской биологической станции Санкт-Петербургского государственного университета. Тезисы докладов. СПб., 2007. С. 67-68.

15. Старунов В. В., Тихомиров И. А., Лаврова О. Б. Изучение строения пигидия полихеты Nereis virens методами конфокальной микроскопии // Международный научно-методический семинар «Современные методы микроскопии в исследовании живых систем». Тезисы докладов. СПб., 2008. С. 38.

16. Старунов В. В., Лаврова О. Б., Тихомиров И. А. Морфологическое исследование клеточных источников роста полихеты Nereis virens // X научная сессия Морской биологической станции Санкт-Петербургского государственного университета. Тезисы докладов. СПб., 2009.

С. 53-54.

17. Старунов В. В., Тихомиров И. А. Развитие параподий Nereis virens Sars, 1835. Annelida: Polychaeta: Nereididae // Эволюционная морфология животных. Ч. 1. Труды Санкт-Петербургского общества естествоиспытателей. Сер. 1. 2009. Т. 97. В печати.

18. Ушакова О. О., Евдонин Л. А. Архитектоника нервной системы личиночных стадий Nereis virens Sars (Polychaeta, Nereidae) // Многощетинковые черви. Морфология, систематика, экология. Л., 1985. С. 128-132.

19. Ушакова О. О., Евдонин Л. А. Архитектоника нервной системы в личиночном развитии многощетинковых червей // Труды Зоологического института АН ССР. 1988. Т. 183. С. 78-93.

20. Щербинина М. А., Андреева Т. Ф., Дондуа А. К. Экспрессия HOX-генов у полихеты Nereis virens // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 3. 2000. Вып. 2. С. 142-144.

21. Andreeva T. F., Kuk Ch., Korchagina N. M., Eikem M., Dondua A. K. Cloning, analysis of structural organization of Hox genes in the polychaete Nereis virens // Russian j. developmental biol. 2001. Vol. 32, N3. P.183-191.

22. Denes A. S., JUkely G., Steinmetz P. R. H., Raible F., Snyman H., Prud’homme B., Fer-rier D. E. K., Balavoine G., Arendt D. Molecular Architecture of Annelid Nerve Cord Supports Common Origin of Nervous System Centralization in Bilateria // Cell. 2007. Vol. 129, Iss. 2. P. 277288.

23. Fisher A., Dorresteijn A. The polychaete Platynereis dumerilii (Annelida): a laboratory animal with spiralian cleavage, lifelong segment proliferation and a mixed benthic/pelagic life cycle // BioEssays. 2004. Vol. 26. P. 314-325.

24. Kulakova M.A., Kostyuchenko R.P., Andreeva T.F., Dondua A. K. The Abdominal-B-like gene expression during larval development of Nereis virens (Polychaeta) // Mechanisms of development. 2002. Vol. 115. P. 177-179.

25. Kulalova M., Bakalenko N., Novikova E., Cook C.E., Eliseeva E., Steinmz P.R.H., Kostyuchenko R. P., Dondua A., Arendt D., Akam M., Andreeva T. Hox gene expression in larval development of the polychaetes Nereis virens, Platynereis dumerilii (Annelida, Lophotrochozoa) // Dev. Genes. Evol. 2007. Vol. 217. P. 39-54.

26. Kulakova M. A., Cook C. E., Andreeva T. F. ParaHox gene expression in larval and postlarval development of the polychaete Nereis virens (Annelida, Lophotrochozoa) // BMC Developmental Biology. 2008. Vol. 8. P. 61.

27. de Rosa R., Prud’homme B., Balavoine G. Caudal and even-skipped in the annelid Platynereis dumerilii, the ancestry of posterior growth // Evolution and development. Vol. 7. 2005. N 6. P. 574-587.

28. Saudemont A., Dray N., Hudry B., Le Gouar M., Vervoort M., Balavoine G. Complementary striped expression patterns of NK homeobox genes during segment formation in the annelid Platynereis // Developmental Biology. 2008. Vol. 317. Iss. 2. P. 430-443.

Статья поступила в редакцию 3 декабря 2009 г.