Строение и развитие френулятных погонофор при становлении уникального симбиоза с бактериямиНИР

The structure, development, and organogenesis of frenulate pogonophorans (Siboglinida: Annelida)

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 29 июля 2020 г.-30 июня 2021 г. Строение и развитие френулятных погонофор при становлении уникального симбиоза с бактериями
Результаты этапа: Siboglinidae - культовая группа червей, по современным представлениям принадлежащая к кольчатым червям, которые во взрослом состоянии лишены рта и кишечника и существуют исключительно за счет бактериальных симбионтов. Становление симбиоза с бактериями для бородоносцев является решающим событием во время развития животного из личинки во взрослого червя. Личинки бородоносцев оседают на илистый субстрат с бактериями, которые проникают в тело личинки и инициируют рост нового симбиотрофного органа, содержащего бактерии во взрослом черве. Считается, что заражение бактериями происходит алиментарно и что бактерии внедряются в эпителий стенки кишки, и та "переквалифицируется" в симбиотрофную ткань, содержащую бактерии. Однако, у личинок некоторых бородоносцев рта нет, кишка заполнена желтком и практически не имеет просвета, что свидетельствует о том, что пища не поступает через рот и не переваривается в кишке. Поэтому вопрос о способе заражения бородоносцев бактериями остаётся открытым, и пока неизвестно, что собой представляет симбиотрофная ткань, содержащая у взрослых червей бактерии. Все основополагающие работы по строению и развитию червей-бородоносцев (френулятных погонофор) были предприняты в середине прошлого века и проводились, исходя из представлений о близости бородоносцев ко вторичноротым животным (которые включают морских ежей и звезд, позвоночных животных и др), что существенным образом отразилось на превалирующих в литературе научных обобщениях. Так, в развитии и строении бородоносцев описаны признаки строения и развития вторичноротых животных, а не первичноротых, включающих кольчатых червей и моллюсков. Итак, в первый год проекта мы исследовали план строения личинок и взрослых особей бородоносцев Северного моря (Siboglinum fiordicum) и моря Лаптевых (Oligobrachia haakonmosbiensis) с тем, чтобы решить пробелы в понимании их «аннелидного» происхождения и с тем, чтобы создать фундаментальную базу о строении червей бородоносцев, необходимую для последующих этапов проекта, посвященных исследованиям процессов эмбрионального развития, а также поздних этапов развития таких, как заражение бактериями, развитие органа де ново симбиотрофного питания и становления взрослого организма. Кроме того, в первый год проекта мы исследовали особенности местообитаний и культивирования взрослых червей бородоносцев и их личинок, что необходимо для содержания личинок и инициацию процесов заражения личинок бактериями. Результаты нашего проекта показали формирование тело и органов бородоносцев S. fiordicum и O. haakonmosbiensis на анатомическом, гистологическом и клеточном уровнях. Мы изучили развитие нервной системы, целомических полостей, мускулатуры, а также миграцию зон пролиферации клеток. Вместе это позволило установить последовательность закладки сегментов тела и сегментарный план строения тела личинок и взрослых червей бородоносцев, который сопоставим с другими кольчатыми червями. План строения взрослого бородача включает головную лопасть, в основании которой располагается сегмент, несущий щупальца (у личинки - это соответстует самой передней лопасти, и околоротовому сегменту), передний сегмент (соответствует второму сегменту личинки несущему вентральное ресничное поле), сильно удлиненный туловищный сегмент (у личинки это третий сегмент) и короткие задние сегменты, вместе формирующие так зазываемую опистосому, которой взрослый бородоносец закапывается в илистых осадок. Интересно, что все перечисленные сегменты появляются в теле личинки не в строго передне-задней последовательности, как это известно из классических работ по исследованию модельного объекта кольчатого червей Платинереиса. Но на ранних личиночных стадиях первая септа отсекает заднюю часть тела, опистосому. Далее в опистосоме закладываются сегменты, разделяющие опистосому. На поздних личиночных стадиях впереди формируются третья септы между вторым (передний) и третьим (туловищным) сегментами. Остальные септы образуются один за другим на самом заднем конце опистосомы. Мы считаем личинок бородоносцев гетерохронными, в том смысле, что сегменты в каждой из частей тела развиваются в разное время и с разной скоростью, а не более типичный гомохронный паттерн, обнаруживаемый у других кольчатых червей, где формирование септ во время личиночного развития является последовательным. Гетерохрония, вероятно, эволюционировала вместе со специацией участков тела, обнаруженной у бородоносцев. Предложена модель установки по содержанию погонофор в лабораторных условиях. Бородатые черви живут в поверхностных слоях осадка, однако имея длинные трубки погружают задний конец в более глубокие бескислородные слои грунта. И хотя местообитания и субстрат исследуемых бородоносцев Siboglinum fiordicum и Oligobrachia haakonmosbiensis различается, но симбионты у тех и других окисляют восстановленные соединения серы. S. fiordicum обитает в прибрежных районах фьордов, где осадок насыщен разлагающимся органическим веществом и, соответственно, сероводородом. O haakonmosbiensis населяет метановые высачивания на арктическом шельфе, где метан взаимодействует с сульфатами, образуя все тот же сероводород. Таким образом, для лабораторного содержания погонофор наиболее логичным представляется создать градиент условий в осадке, так чтобы нижний конец трубки погонофоры находился в бескислородном слое с достаточным содержанием сероводорода. В ходе проекта все участники осваивают новые методы и приобретают новые знания по биологии бородоносцев, а также по биологии развития животных и культивации. Студенты в рамках работ по проекты выполняют кваллификационные работы и представляют результаты на международных школах.
2 1 июля 2021 г.-30 июня 2022 г. Строение и развитие френулятных погонофор при становлении уникального симбиоза с бактериями
Результаты этапа: В ходе второго года проекта нам удалось провести собственный химический анализ осадка и придонной воды мелководного участка фьордов Северного моря, где обитают френулятные погонофоры Siboglinum fiordicum. На основании этих данных, а также на основании опубликованных данных о местообитаниях погонофор и метаболизме их симбионтов и опыта содержания вестиментифер в лабораторных условиях, нами была спроектирована и введена в эксплуатацию аквариумная система для содержания погонофор. Эта экспериментальная установка испытана на представителях френулятных погонофор S. fiordicum и является первым опытом по долговременному содержанию погонофор в полностью искусственных условиях вне морского стационара. Выживаемость червей составила 7%. Опираясь на отличное состояние оставшихся особей и отсутствие у них признаков деградации тканей по прошествии 64 дней, мы считаем подобранные в нашей аквариумной установке условия по содержанию френулятных погонофор достаточными для поддержания жизнеспособности симбионтов и их хозяев. Высокий процент смертности, по нашему мнению, связан не с условиями содержания, а скорее со стрессом при транспортировке животных, а также с неизбежно травмирующим способом добывания червей из естественной среды обитания. Проведено успешное осаждение в осадок личиночных стадий погонофор S. fiordicum. Впервые мы провели детальное изучение анатомии и ультраструктуры ювенильных особей спустя первый и второй месяцы после осаждения. У ювенилей имеется хорошо развитая кишка. Она начинается ротовым отверстием, проходит вдоль всего тела, занимая его больший объем и доходит до анальной ямки, но не соединяется с нею. В переднем отделе тела в кишке хорошо заметен просвет, заполненный микровосинками и ресничками. Апикальная мембрана клеток кишки на всем своем протяжении формирует многочисленные окаймленные ямки, а апикальная цитоплазма содержит окаймленные пузырьки. В клетках имеется хорошо развитый синтетический аппарат: крупный комплекс Гольджи и каналы шероховатого ЭПР. Цитоплазма клеток заполнена гранулами гликогена, а так же крупными желточными гранулами и липидными каплями. Наличие в клетках кишки окаймленных ямок и окаймленных пузырьков позволяет предполагать, что в клетках кишки происходит активной эндоцитоз. Из полученных извне нутриентов формируются желточные гранулы. Вероятно, на этой стадии кишка функционирует обычным образом, она не обнаруживает признаков дегенерации и не заселена бактериями. Эксперименты по осаждению и заражению ювенилей погонофор бактериями продолжаются. Успешно проведены исследования раннего развития. По нашим данным симметрия дробления полностью соответствует спиральному типу. Однако внушительные запасы желтка, крупный размер и удлиненная форма ооцитов, лежащих вдоль оси материнской трубки, обуславливают соответствующие модификации спирального паттерна дробления. Однако эти модификации специфичны именно для зибоглинид и не сходны с теми, что встречаются у крупных зародышей олигохет и пиявок. У S. fiordicum отсутствует характерная для клителлят чрезвычайная аллометрия анимальных и вегетативных бластомеров, что согласуется с не плоскостной, а трехмерной формой зародыша. Впервые мы наблюдали выделение полярных телец. Первые раунды дробления идут в меридиональных плоскостях с врезающимися бороздами, которые закладываются на боковых сторонах клеток (т.е. не на анимальном или вегетативном полюсе, как у других обогащенных желтком яиц). Степень синхронности при этом невысока: встречаются 2, 3 и 4-х клеточные стадии. На третьем клеточном цикле у живых зародышей можно явственно наблюдать лопастевидные выпячивания на анимальном полюсе, заворачивающиеся по часовой стрелке, как при дексиотропном гетероквадрантном дроблении. Дальнейшая ориентация борозд не вполне соответствует строгим законам деления микромеров с чередованием дексио- и леотропных поворотов, однако общая симметрия зародыша имеет именно вращательный характер. Уже с 16-ти клеточной стадии темпы делений более мелких бластомеров будущего переднего полюса личинки, слагаемого микромерами квадрантов А и В, начинают ускоряться. Этот домен клеток смещается в сторону острого (переднего) конца яйца. Эпиболическое распространение все еще крупных анимальных клеток идет параллельно с их делениями и уплощением. Так формируется плотная стерробластула/стеррогаструла с утолщенной вегетативной стенкой. В ходе проекта члены научной группы получили опыт полевой работы и приняли участие в двух экспедициях для сбора материала в Карское (вместо моря Лаптевых) и Северное моря (http://invert.bio.msu.ru/ru/science-ru/conferences/285-kara-sea-expedition и https://t.me/+6EoSkMDH_2Y5MWNi). Студентами коллектива подготовлены две магистерские диссертации (Тимофей Пименов по анатомии и трехмерной организации головных концов сабеллид, Мадина Канафина по ультструктуре трофосомы френулят), защиты которых состоятся 18го мая 2022. Кроме того, студенты приняли участие и получили опыт работе в экспедициях: Варвара Кроленко, рейс в Карское море на НИС “Академик Мстислав Келдыш”, а Тимофей Пименов и Мадина Канафина экспедиция на Северное море. Студенты приняли участие и показали результаты своих работ на конференции в феврале 2022 года, Беломорская научная сессия, 2022. Результаты проекта также обнародованы на конференции Актуальные проекты в биологии развития, 2021 и в сети интернет http://invert.bio.msu.ru/ru/science-ru/conferences/288-paper-siboglinid-larval-myogenesis.
3 1 июля 2022 г.-30 июня 2023 г. Строение и развитие френулятных погонофор при становлении уникального симбиоза с бактериями
Результаты этапа: Культивирование животных в лабораторных условий необходимо для обеспечения базы для проведения физиологических экспериментов, исследования биологии поведения и развития. В ходе работ 2022-2023 были продолжены эксперименты по культивированию взрослых погонофор и их личинок Siboglinum fiordicum. Показано, что культивирование взрослых червей и их личинок в долгосрочной перспективе имеет шансы при соблюдении режимов постоянного обновления воды в аквариуме и обновления осадка в культуре. Благодаря наличию в лаборатории культур взрослы погонофор и их личинок мы смогли провести исследования по развитию и строению внутренних органов, со специальными вниманием на строение кишки и трофосомы. Трофосома представляем собой цилиндрический орган, занимающий центральное положение в теле. Его стенки представлены двумя слоями эпителия, наружного и внутреннего. Последний включает бактерий симбионтов. Жизненный цикл симбионтов похож на тот, что известно у склеролинумов, то есть в ходе развития бактериоциты мигрируют в задние части трофосомы, где наблюдаются признаки деградации внутри бактериоцитов. Применение молекулярно-генетического метода FISH подтвердило распределение бактерий внутри трофосомы, но также показало множество эпибионтов, расположенных на поверхности покровного эпителия тела червей. Показано, что у исследованных погонофор трофосома развивается из энтодермальной ткани ювенилей, таким образом не является гомологичным органом мезодермальной трофосомы у вестиментифер, костоедов и склеролинумов. Таким образом, в эволюции зибоглинид от общего внешнего предка появились две линии, зибоглиниды с эндодермальной трофосомой (френулятные погонофоры) и зибоглиниды с мезодермальной трофосомой (костоеды, склеролинумы, вестиментиферы). Гипотетически такое разное формирование трофосом зависит от способа заражения бактерий-симбионтов (через рот или через кожу), что требует продолжения исследований.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".