Экзаптации у морских колониальных беспозвоночных: неканонические пути эволюции полового размножения и симбиоза: 2024 г.

Ostrovskii, Andrei (PI)
Vishniakov, Andrei (CoI)
Kotenko, Olga (CoI)
Багров, Сергей Викторович (CoI)
Квач, Анна Юрьевна (CoI)
Богданов, Евгений Александрович (CoI)
Demidova, Mariia (CoI)
Smelkova, Varvara (CoI)
Zhivaeva, Anna (CoI)

Description

Научнаяпроблема, на решение которой направлен проект: Проект направлен на изучениефеномена экзаптации ‒ приобретения новой (и/или дополнительной) функцииструктурой, исходно возникшей вне связи с этой функцией - как одного изпроявлений морфогенетической и эволюционной пластичности живых организмов.Будут исследованы структурные и функциональные основы экзаптаций, реализующихсяв онтогенезе и в эволюции у водных колониальных беспозвоночных (Bryozoa), изатрагивающих их половое размножение, личиночное развитие и формированиесимбиотических ассоциаций с прокариотами. Исследование этих трех тесносвязанных аспектов жизненного цикла позволит получить интегральную картину ролиэкзаптаций в эволюции данной группы животных. Актуальностьпроблемы, научная значимость решения проблемы: Экзаптации – смена/субституцияфункций структурами, исходно имеющими другую специализацию (Gould & Vrba1982), или приобретение ими дополнительной функции, – один из интереснейшихфеноменов эволюционной биологии, которому в последние десятилетия незаслуженноуделяется очень мало внимания. В последние два десятилетия стало очевидным, чтоисследования экзаптаций являются перспективными для решения многих вопросов нетолько сравнительной морфологии и физиологии (Pievani & Serrelli 2011;Fowler et al. 2011; Tramacere et al. 2017; Clarac & Quilhac 2019), но имолекулярной биологии (Hoen & Bureau 2012; Maex et al. 2018; Frenkel-Pinteret al. 2022), и имеют большое значение для эволюционной биологии в контекстепредставлений о неканонических путях эволюции (Lavialle et al. 2013; Ostrovsky2013a; Cui & Cao 2014). Тем не менее, количество работ по этой тематикеостается небольшим. Можно добавить, что в настоящее время с подачи автора этоготермина Гулда (Gould 1991) понятие экзаптации широко используется взоопсихологии и этологии (Sol 2015; Murray et al. 2017; Velasco et al. 2021), атакже в гуманитарных и технологических областях знаний (Larson et al. 2013;Garud et al. 2016) , что немало послужило их развитию.Анализсовременных данных указывает на широкое (хотя крайне недооцененное)распространение (а следовательно – эволюционную эффективность) «смены функций»как у растений (Ambruster et al. 2009; Sahu et al. 2016; Martel et al. 2020),так и у животных (Coates et al. 2008; Parmentier et al. 2017; Gearty et al.2021). Экзаптации, являющиеся ярким проявлением морфогенетической пластичности,рассматриваются рядом авторов, как материал для эволюционных инноваций,общепризнанно считающихся драйверами прогрессивной эволюции. Среди таковыхможно упомянуть, например, возникновение плацент на основе трансформациизародышевых оболочек у млекопитающих (Mess & Carter 2007) или смену функцииперьев у ранних птиц (Foth et al. 2014).Пикизучения морфо-функциональных основ экзаптаций пришелся на первую половину ХХстолетия, в результате чего был опубликован ряд работ по функциональнойморфологии преимущественно позвоночных животных (обобщено в работахШмальгаузена 1938 и Северцовых 1939, 1990). Небольшое количество статей поданной тематике, опубликованных с того времени, не дает возможности оценитьнасколько широко распространен этот феномен среди Animalia в целом, в том числесреди беспозвоночных, которые по биоразнообразию значительно превосходятпозвоночных животных. Ситуация весьма напоминает таковую с феноменомматротрофии, который преимущественно (и традиционно) описывали на примерепозвоночных, в то время как он, как недавно выяснилось, значительно болеешироко распространен у беспозвоночных животных (Ostrovsky et al. 2016).Учитывая потенциально важное, а в некоторых случаях, возможно, решающеезначение экзаптаций в эволюционном успехе различных групп, изменениесложившейся парадигмы должно включать изучение их распространения, разнообразияпроявлений и морфо-функциональных основ именно у беспозвоночных животных.Крайне важным и интересным является исследование реализации экзаптаций наразных стадиях жизненного цикла и в ходе образования симбиотических ассоциаций.В настоящем проекте эти направления исследований являются наиболее актуальными.В качествемодельной группы выбраны мшанки (тип Bryozoa). Эта древняя группамикроскопических колониальных эпибионтов-фильтраторов, при единстве иотносительной простоте плана строения основного модуля, отличается крайнеширокой вариабельностью в отношении многих признаков – от репродуктивныхпаттернов и зооидального полиморфизма (с образованием вынашивающих структур наоснове зооидов и их частей) до форм колоний и типов личинок. Этавариабельность, отражающая морфогенетическую пластичность, как считается,сыграла решающую роль в эволюционном успехе мшанок, занимающих одну издоминирующих позиций во многих донных биоценозах (McKinney & Jackson 1989;Schwaha 2021). Эволюция полового размножения и стадий жизненного цикла мшанокхарактеризовалась неоднократным изменением функций (и, соответственно,структуры) клеток, тканей и органов (Ostrovsky 2013b; Schwaha et al. 2020;Nekliudova et al. 2019, 2021; Kotenko et al. in press). Кроме того, жизненныйцикл многих видов Bryozoa тесно связан с симбиотическими прокариотами, вовзаимоотношениях с которыми экзаптации также играют важную роль. Причины такогоширокого распространения замещения функций у мшанок неясны. Можно предположить,что упростив свое строение в ходе миниатюризации, мшанки, тем не менее, напротяжении своей истории крайне "творчески" использовали тот минимумклеточных типов, органов и тканей, который у них "остался", меняя ихструктуру и функции в зависимости от конкретной задачи. Мы считаем, что даннаягруппа является идеальным модельным объектом для изучения феномена экзаптаций,в частности, возникновения новых функций на уровне органов и тканей зооидов, атакже смены функций отдельными зооидами в колонии. Такая пластичность,возможно, определила как репродуктивный успех данной группы, так и ее способностьвступать в устойчивые симбиотические ассоциации с прокариотами на разныхстадиях жизненного цикла.Конкретнаязадача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб: Основнойзадачей представленного проекта является изучение морфо-функциональных основзамещения функций у беспозвоночных на примере типа Bryozoa. Основное вниманиебудет уделено исследованию экзаптаций, реализующихся как в индивидуальномразвитии, так и в эволюции, и затрагивающих половое размножение, личиночные типыи симбиотические ассоциации между мшанками и бактериями.Важнейшейзадачей проекта также будет выявление закономерностей, характеризующихэкзаптации в виде смены функции или приобретения дополнительной новой функцииразличными структурами. В частности будут изучены структурные преобразования,сопровождающие изменения функций клеток, тканей и органов в ходе оогенеза,инкубации эмбрионов, личиночного развития, а также при формировании специальныхкамер, содержащих бактериальных симбионтов.Сравнительныйанализ полученных результатов позволит выдвинуть предположения о возможныхпричинах замещения или приобретения новых дополнительных функций различнымиструктурами, описать сопровождающие их морфологические изменения и оценитьсходства и различия в характере экзаптаций, реализуемых на разных уровнях(клеточном, тканевом, на уровне систем органов и на уровне отдельных зооидов впределах колониального организма). Таким образом, в качестве третьей задачирассматривается проверка следующих новых гипотез. (1) Мы предполагаем,что влияние развивающихся эмбрионов и бактерий на окружающие ткани и клеткиматеринского организма/хозяина, может приводить не только к смене(неофункционализации) или приобретению ими дополнительных функций, но, внекоторых случаях, к возникновению новых структур, обеспечивающих выполнениеновой/дополнительной функции. В частности, будет осуществлена проверка путейформирования содержащих бактериальных симбионтов, так называемых фуникулярныхтел у хейлостомных мшанок, источник возникновения которых остается неясным. Мыпредполагаем, что они возникают не из фуникулярной ткани, как считалось ранее(Karagodina et al. 2018), а на основе целомоцитов.(2) Вкачестве одной из гипотетических закономерностей, сопровождающих возникновениеэкзаптаций, могут рассматриваться схожие изменения ультраструктуры клетокразных органов/тканей, сопровождающие возникновение сходных экзаптаций.Например, эпителиальные клетки, дающие начало фолликулярным клеткам овариев илиплацентарным клеткам инкубационных камер, меняя функционал, начинаютспециализироваться на выполнении сходных функций синтеза и передачи питательныхвеществ ооцитам или эмбрионам.(3) Приизменении функциональной нагрузки ультраструктура некоторых специализированныхклеток также изменяется. Например, целомоциты, выполняющие функции поглощения(фагоцитарные функции) чужеродных клеток, переключаясь на трофические функцииподдержания размножающихся в их цитоплазме бактерий, должны приобретатьразвитый белоксинтетическимй аппарат.(4)Эпителиальные клетки личинок приобретают дополнительные функции: у плацентарныхвидов – трофическую, что должно отражаться в наличии ультраструктурныхсвидетельств транспорта веществ, тогда как у видов, образующих ассоциации сбактериями, цитоплазматические выросты, гликокаликс, и складки поверхностногоэпителия личинок обеспечивают удержание бактерий на поверхности.Комплексныйхарактер поставленных в заявленном проекте задач определяет направления имасштаб исследования. В ходе проекта впервые будут изучены представители двухклассов Bryozoa – Stenolaemata (отряд Cyclostomata) и Gymnolaemata (отрядыCtenostomata и Cheilostomata). Всего будут изучены 35 видов мшанок, относящихсяк 33 родам из 23 семейств (список таксонов приводится в п. 4.13 Приложение 2).При помощикомплексного методического подхода на примере представителей указанных группвпервые будет предпринято широкое сравнительное исследование «смены функций»при: (1)формировании внутренних инкубационных камер (выводковых сумок и гонозооидов),образующихся за счет модификации питающихся модулей (аутозооидов) или ихчастей; (2)формировании овариев, фолликулы которых образуются из дедифференцированныхмезотелиальных клеток стенки тела; (3)возникновении личинок разных типов, эволюция которых характеризовалась сменой функцийпаллиального эпителия, раковины и мышечной системы;(4)преобразованиях транспортной фуникулярной системы, участки которой несутспециализированные камеры (фуникулярные тела) – хранилища-инкубаторысимбионтов.Перечисленныеособенности размножения, развития и симбиоза характеризуют разные стадииединого жизненного цикла, и будут рассмотрены в своем единстве. Научнаяновизна поставленной задачи, обоснование достижимости решения поставленнойзадачи и возможности получения запланированных результатов: Проект развивает новое и крайне перспективное направление исследований,объединяющее изучение структурной и функциональной составляющих экзаптаций,реализующихся в индивидуальном развитии и в эволюции беспозвоночных. Внастоящее время в мировой научной литературе отсутствуют указания на подобныекомплексные исследования, поскольку до сих пор основные усилия ученых в даннойобласти традиционно были сосредоточены на позвоночных животных. Исследованияэкзаптаций на примере одной из крупных и разнообразных групп беспозвоночных –мшанок, позволят устранить диспропорцию, сложившуюся в данной областиэволюционной биологии, нащупать эволюционные параллели между позвоночными ибеспозвоночными животными и приблизиться к пониманию роли экзаптаций в эволюциив целом. Проект развивает новое и крайне перспективноенаправление исследований, объединяющее изучение структурной и функциональнойсоставляющих экзаптаций, реализующихся в индивидуальном развитии и в эволюциитипа Bryozoa. В настоящее время в мировой научной литературе отсутствуютуказания на подобные комплексные исследования экзаптаций на примеребеспозвоночных, поскольку до сих пор основные усилия ученых в данной областитрадиционно были сосредоточены на позвоночных животных. Исследования экзаптацийна примере одной из крупных и разнообразных групп беспозвоночных – мшанок,позволят устранить диспропорцию, сложившуюся в данной области эволюционнойбиологии и нащупать параллели между позвоночными и беспозвоночными животными.Впервые будут исследованы:(1) Экзаптации в ходе инкубации эмбрионов. Как в эволюции, так и вонтогенезе зооидов у мшанок неоднократно осуществлялся/осуществляется переход квнутренней инкубации эмбрионов, в ходе которого основной питающийся модульколонии – аутозооид, частично или полностью трансформируется в инкубационнуюкамеру. Такая камера может формироваться на основе (а) целомической полостимодифицированного аутозооида при трансформации его в гонозооид, (б) полостиувеличенного щупальцевого влагалища, (в) специализированного марсупия – карманавестибулюма или щупальцевого влагалища, или же (г) впячивания фронтальнойстенки тела аутозооида при образовании эндозооидальных, эндотойхальных ипогруженных овицелл. Имеющиеся данные о структуре и развитии этих разнообразныхвыводковых структур у мшанок крайне неполны и фрагментарны (Borg 1926; Reed1988; Ostrovsky 2013b). Сравнение структуры камер разных типов, а такжеанатомии аузооидов и вынашивающих зооидов, и ультраструктуры эпителиев,участвующих в образовании выводковых камер (а в некоторых случаях ‒ вэкстраэмбриональном питании), позволит описать основные сходства и различияэкзаптаций, неоднократно реализовавшихся в ходе конвергентного переходааутозооидов к инкубации эмбрионов в разных группах мшанок.Впервые будут исследованы морфо-функциональные различия междуразличными типами выводковых камер на микроанатомическом и ультраструктурномуровне. В частности, у ряда гимнолемных мшанок выводковые камеры формируются входе репродуктивного периода на основе щупальцевого влагалища - выворачивающегосяучастка стенки тела, представленного чехлом для втянутой щупальцевой кроны иисходно выполняющего механическую функцию. Впервые будут изучены перестройкизооида и его структур, задействованных в этом процессе. У гонозооидовциклостомных мшанок будут изучены тканевые и клеточные перестройки в питающемсямодуле (аутозооиде) в процессе его полной трансформации в камеру для инкубацииэмбрионов. Особое внимание будет уделено гидростатическому аппарату, который изэпителиального мешка становится трофическим синцитием, окружающим развивающиесяэмбрионы.На примере овицелл хейлостомных мшанок будут изученыморфо-функциональные изменения фронтальной стенки аутозооида при переходе отнаружного к внутреннему вынашиванию. Будут исследованы особенности строениястенок (обызвествленных и необызвествленных) ‘внутренних’ овицелл разных типови их эпителиальная выстилка, а также степень погружения выводковой полости,особенности строения нервной и мышечной систем и склерита ооэциальногопузырька, степень развития этого пузырька и наличие плацент, а такжекоммуникационные образования, связывающие висцеральный и ооэциальный целомы.Будет проведено сравнение с наружными выводковыми камерами.Данные исследования также впервые помогут оценить роль экзаптаций вэволюции полового зооидального полиморфизма – морфо-функциональнойспециализации модулей, участвующих в половом размножении.(2) Экзаптации при формировании овариев. Будут изучены источники ифеноменология закладки женских гонад, а также этапы их развития и окончательнойлокализации. Впервые особое внимание будет уделено ультраструктурефолликулярных клеток, меняющейся в процессе трансформации мезотелиальных клетокстенки тела в клетки стенки овария. В данном случае клетки мезотелия, исходновыполняющие механическую функцию, меняют ее на функцию питания развивающихсяполовых клеток. Дополнительно будет проведен сравнительный анализ локусовзакладки, микроанатомии и ультраструктуры овариев у мшанок с контрастнымирепродуктивными паттернами (зигопария, вынашивание и живорождение), что поможетопределить особенности эволюционных траекторий при формировании овариев разныхтипов.(3) Экзаптации у личинок. Вэволюции мшанок наряду с изменениями репродуктивной системы (возникновениевынашивания, переход от олиго- к макролецитальному оогенезу, появлениеплацентотрофии) происходило неоднократное изменение строения личинок (Kotenkoet al. in press). Ряд личиночных органов и тканей приобрели новые,дополнительные функции, например, клетки покровного эпителия личинокматротрофных видов способны запасать питательные вещества, получаемые отплацентоподобных структур для дальнейшей утилизации при метаморфозе.Возникновение симбиотических ассоциаций с прокариотами выразилось в том, чтоклетки покровного (паллиального) эпителия личинок могут удерживать (и,возможно, захватывать) симбиотические бактерии. У ряда пелагическихдолгоживущих личинок хейлостомных мшанок возникновение двустворчатой раковиныобеспечило не только их защиту, но и привело к появлению дополнительногомеханизма регуляции плавучести. Быстрое уменьшение объема тела личинки испособность втягивать локомоторный ресничный шнур под раковину обеспечиваетсяза счет сопутствующей перестройки мышечной системы. Кроме того, кутикула ираковина личинок получила дополнительную функцию, обеспечивая защиту организмаво время метаморфоза. В то же время, у личинок циклостомных мшанок и унекоторых личинок хейлостомат кутикула утратила свою исходную функцию защитыличинки, поскольку секретируется внутри складки покровного эпителия. Тем неменее, на этапе оседания она выворачивается наружу вместе с эпителием, выполняясвою защитную функцию только в ходе метаморфоза. В ходе проекта впервыеподробно будут изучены ультраструктурные основы вышеперечисленных экзаптаций уличинок разных типов, а также исследована их роль в эволюции новых личиночныхтипов.(4) Экзаптации при симбиотических взаимодействиях. Наши предварительныеисследования показали связь фуникулярной системы мшанок с содержащимисимбионтов органами ‒ фуникулярными телами (Karagodina et al. 2018; Vishnyakovet al. 2021). Однако, механизмформирования этих органов за счет структур и клеток, исходно выполняющих другиефункции, остается неисследованным. Кроме того, решение вопроса формированияфуникулярных тел неразрывно связано с тем, как симбиотические бактерии попадаютв зооиды мшанок и передаются от одного поколения к другому. В настоящий моментясная картина способов приобретения и передачи симбионтов мшанками даже унаиболее изученных в этом отношении видов отсутствует. В ходе проекта впервыебудут исследованы морфо-функциональные основы формирования фуникулярных тел иприобретение новых функций клетками фуникулярной системы для обеспеченияустойчивых симбиотических ассоциаций с прокариотами.Решение поставленных задач и получение запланированных результатовбудут обеспечены благодаря наличию у руководителя и исполнителей проектамноголетнего опыта микроанатомических и ультраструктурных исследований мшанок,а также опыта изучения симбиотических взаимоотношений беспозвоночных ибактерий. Проект будет осуществляться на базе ресурсных центров и морскогостационара СПбГУ, оснащенных для решения задач проекта. Коллектив имеетдостаточную квалификацию в применении всех методик, задействованных в ходевыполнения проекта.Современноесостояние исследований по данной проблеме: Изменениефункции является одним из широко распространенных аспектов функциональнойэволюции, включая такие знаковые примеры, как превращение яйцеклада насекомых вжало и ходных конечностей позвоночных в ласты. Замещение одних функций надругие, часто сопровождаемые изменением структуры органов или их систем вонтогенезе и ходе эволюции, были детально описаны и классифицированы рядомавторов в конце XIX-первой половине ХХ вв. (Dohrn 1875; Kleinenberg 1886; Plate1912, 1924; Федотов 1927). Эти работы преимущественно посвящены позвоночнымживотным, на примере которых были сделаны попытки сформулировать основныепринципы функциональной эволюции (см. обзоры Северцов 1928, 1929, 1939;Шмальгаузен 1938). В частности, было отмечено, что замещение одной функции надругую может осуществляться как посредством морфологических (Kleinenberg 1886),так и физиологических изменений (Федотов 1927; Северцов 1928, 1939). Примерысреди беспозвоночных в этих работах использовались редко, что создает искусственноевпечатление об их меньшей встречаемости. Например, у вынашивающих офиуринкубация потомства осуществляется внутри бурс, исходными функциями которыхявляются газообмен, экскреция и выведение гамет. У матротрофных видов стенкибурс, по-видимому, обеспечивают питание для развивающихся личинок (Byrne 1994;Ostrovsky et al. 2016). Некоторые двустворчатые моллюски вынашивают своихличинок в определенных участках жабр (Mackie, 1984). Инкубация сопровождаетсяуменьшением циркуляции воды через эти участки жаберного аппарата, и в некоторыхслучаях сопровождается экстраэмбриональным питанием. Таким образом, основнаяфункция жабр (газообмен) во время вынашивания временно утрачивается, замещаясьна матротрофную инкубацию. Такой вариант можно рассматривать как ослаблениеосновной или усиление дополнительной функции, что приводит к перестройкеоргана, в то время как исходная функция либо становится вторичной или исчезает.Эти примеры можно также рассматривать как расширение спектра функций черезприобретение органом дополнительных (вторичных) функций (Plate 1912).Количество современных работ, посвященных морфологическим основамэкзаптаций у беспозвоночных весьма мало (см. например, Beisel & Médoc 2010;Klompmaker & Kelley 2015; Pérez & Soto 2021), что существенно тормозитпрогресс в осмыслении значимости этого интереснейшего феномена в эволюцииразличных групп. Тем не менее, в последние пару десятилетий можно отметить ростинтереса морфологов к явлению замещения функций. Кроме того, в настоящее время исследованияэкзаптаций получили развитие применительно к паттернам молекулярной эволюции(см. обзоры Ludwig 2002; Fay & Wu 2003).Комплексных исследований экзаптаций у Bryozoa, как и у другихбеспозвоночных, до сих пор не проводилось. Несмотря на то, что мшанкихарактеризуются широким распространением проявлений этого феномена (обсуждаетсяв работе Nekliudova et al. 2021), структурные и функциональные основы «сменыфункций», а также приобретения новых дополнительных функций у мшанокпрактически не изучены. В частности, хотя наружные выводковые камеры мшанокдетально исследованы (см. обзор Ostrovsky 2013b), внутренней инкубациипосвящено всего несколько статей, охватывающих представителей всего трехсемейств Gymnolaemata (Reed 1988; Ostrovsky et al. 2006, 2007, 2009). Болеетого, за единственным исключением работы по живорождению у Cyslostomata былиопубликованы около столетия назад (Harmer 1893, 1896, 1898; Robertson 1903;Borg 1926). Во всех этих случаях при рассмотрении направлений эволюциивнутреннего вынашивания такой важный аспект как экзаптации, не учитывался. Невелико и количество статей, включающих сведения по ультраструктурефолликулярных клеток Bryozoa (Hageman 1983; Dyrynda & King 1983; Hughes1987; Reed 1988; Moosbrugger et al. 2012; Nekliudova et al. 2019). Более того,особенности трансформации мезотелиальных клеток в дефинитивные клетки стенкиженской гонады не были исследованы ни разу. В целом, скудность ифрагментарность имеющихся в нашем распоряжении данных по внутреннемувынашиванию и формированию овариев требует детальных исследований на широкомкруге объектов, что позволило бы выдвигать предположения об их эволюции и ролиэкзаптаций в ней.Практически не изучены ультраструктурные основы экзаптаций,реализовавшихся в эволюции новых типов личинок мшанок. Единственная работа,косвенно освещающая эти вопросы, представлена к печати руководителем иисполнителем данного проекта (Kotenko et al., in press). Также до сих пор непроводилось анализа смены функций презумптивных и провизорных структур в ходераннего онтогенеза (на стадии личинки и при метаморфозе). Между тем, данныеисследования являются перспективными для решения вопросов о «смене функций» илиприобретении новых дополнительных функций структурами в ходе онтогенетическихпреобразований на разных стадиях жизненного цикла.В контексте экзаптаций вопрос формирования бактериальных симбиотическихсистем у мшанок также практически не исследован. Ассоциации бактерий сразличными структурами мшанок, изначально описанные на гистологическом уровне(Lutaud 1964, 1965, 1969), были подкреплены единичными работами поультраструктуре симбионтов и их локализации в личинках (Woollacott 1981; Zimmerand Woollacott 1983, 1989; Boyle et al. 1987). Предполагаемая вертикальнаяпередача симбионтов, обозначенная в единственной посвященной этому вопросуработе (Sharp et al. 2007), не подтверждается нашими исследованиями (Bogdanovet al., submitted), ориентированными прежде всего на детальноеультраструктурное исследование организации и динамики развития фуникулярныхтел. Метагеномные исследования симбионтов Bugula neretina свидетельствуют отом, что существующие симбиотические системы могут быть не облигатными, ибактерии могут попадать в колонии не только через личинок, но и из внешнейсреду (Miller et al., 2016 a, b). В этой связи актуальным является изучениевозможных механизмов клеточных и тканевых экзаптаций, которые определяют уровниформирования симбиотических ассоциаций у разных видов мшанок.В Российской Федерации специалистом, активно исследующим анатомию иультраструктуру мшанок, является доцент СПбГУ Н.Н. Шунатова. За рубежом,единственной научной группой, изучающей анатомию Bryozoa является группа Dr T.Schwaha (University of Vienna, Austria), интересующаяся различными аспектамиэволюции ктеностомных мшанок. Однако экзаптациями эта группа не занимается.Эволюцией личиночного развития мшанок на настоящий момент в мире не занимаетсяникто.Молекулярными исследованиями бактериальных симбионтов Bryozoa активнозанимаются научные группы, возглавляемые Dr N. Lopanik (University of Atlanta,USA) и Dr G. Lim-Fong (University of California, San-Diego, USA). Тем не менее,в их исследованиях отсутствует морфологическая составляющая, так как онипосвящены преимущественно молекулярной филогении и экологии бактерий и иххозяев-мшанок. Предлагаемыеметоды и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта: 1. Материал. Для исследования экзаптаций, характеризующих переход квнутреннему вынашиванию были выбраны 22 вида мшанок, являющиеся представителями16 семейств, относящихся к классам Stenolaemata (отряд Cyclostomata) иGymnolaemata (отряды Ctenostomata и Cheilostomata): Thalamoporellidae,Steginoporellidae, Cellariidae, Calloporidae, Onychocellidae, Chaperiidae,Flustridae, Cribrilinidae, Cryptosulidae, Umbonulidae и Watersiporidae,Flustrellidridae и Alcyoniididae (Gymnolaemata), и Crisiidae, Tubuliporidae иLichenoporidae (Stenolaemata) (список видов приведен в п. 4.13 (Приложение 2)).Наличие внутреннего вынашивания было выявлено в ходе наших предварительныхисследований или известно из литературы. Формирование овариев будет исследованоу 4 видов гимнолемат из семейств Calloporidae, Umbonulidae, Cribrilinidae иFlustrellidridae. Микроанатомия и ультраструктура личинок будут исследованы у 6видов, относящихся к 6 семействам гимнолемат и у 2 видов, относящихся к 2семействам циклостомат. Экзаптации, связанные с формированием симбиотическихассоциаций будут изучены у 10 видов из 5 семейств циклостомных и хейлостомныхмшанок.Часть образцов уже имеются в нашем распоряжении и подготовлена длямикроскопических исследований. Остальной материал будет собран в акваторииКандалакшского залива Белого моря (преимущественно в районе Учебно-научной базыСПбГУ «Беломорская») (колонии 17 видов из 14 семейств), в бухте КазачьейЧерного моря (колонии 1 вида), и в бухте Восток Японского моря на Морскойбиологической станции «Восток» Института биологии моря им. А. В. ЖирмунскогоДВО РАН (колонии двух видов из двух семейств), в ходе драгировок и сиспользованием легководолазной техники.2. Морфологические исследования. Планируется использованиегистологических методов, методов световой, трансмиссионной и сканирующейэлектронной и конфокальной лазерной микроскопии, а также иммуноцитохимии.Микроскопические методы позволят реконструировать общую анатомию внутренних выводковыхкамер и ультраструктуру клеток, образующих их стенки, а также ультраструктуруфолликулярных клеток овариев. Также при помощи этих техник будет исследованостроение личинок и локализация бактериальных эндосимбионтов в личинках и втканях взрослых мшанок. Микроскопические методы будут дополнены методамиобъемной реконструкции исследуемых структур.3. Исследования бактериальных симбионтов. Базовым подходом висследованиях симбиотических ассоциаций является изучение морфологии иультраструктуры тканей и клеток хозяина и симбионта с помощью методовэлектронной и световой микроскопии. Изучение тонких деталей строения позволяютанализировать характер функциональные взаимодействия между хозяином исимбионтами. Следующим шагом является определение таксономического статусасимбиотических бактерий при помощи молекулярных методов из колоний мшанок intoto. Будет осуществлено прямое выделение фуникулярных тел с бактериями, атакже использован метод микродиссекции на гистологических срезах. Определениебактерий по результатам секвенирования последовательностей SSU р-ДНК симбионтови последующего анализа с использованием молекулярных баз данных позволитвыдвинуть предположения о возможных функциональных особенностях симбионтов, атакже верифицировать присутствие конкретных симбионтов в аутозооидах мшанок иих личинках при помощи флуоресцентной in situ гибридизации. Предлагаемые подходы и методы являются адекватными для решения задач,поставленных в проекте.По результатам проекта будут опубликованы не менее 10 статей вмеждународных рецензируемых журналах по эволюционной биологии, морфологиибеспозвоночных и симбиозу. Результаты исследований будут доложены намеждународных конференциях, в том числе 6-м Конгрессе Международной ассоциацииморфологии беспозвоночных (2025 г., Университет г. Косепсьон, Чили) и 20-йконференции Международной бриозоологической ассоциации (2025 г., УниверситетТокио, Япония). Также будут подготовлены четыре кандидатские диссертации(Защита кандидатской диссертации К.М. Серовой планируется в 2023 г., защитыЕ.Т. Шевченко и О.Н. Котенко планируются в 2024 г., защита А.Ю. Квач – в 2025г.), одна магистерская диссертация и одна бакалаврская квалификационная работа(защиты планируются в 2023 и 2024 гг.). Результаты исследований будутиспользованы в разработке и модернизации лекций и практических занятий дляподготовки бакалавров и магистров по направлению Биология (020200) в СПбГУ, вчастности, будут включены в курсы лекций «Онтогенез и жизненные циклыбеспозвоночных» (магистратура, 2 к.), «Концепции эволюции беспозвоночных»(магистратура, 2 к.), «Сравнительная эмбриология беспозвоночных животных»(бакалавриат, 4 к.), «Основы зоологии: Tentaculata» (бакалавриат, 4 курс).Общий план работ на весь период выполнения проекта:2023 год(1) Сбор и фиксация материала в Кандалакшском заливе Белого моря вокрестностях биологических станций СПбГУ и МГУ, в бухте Казачьей Черного моря,и в бухте Восток Японского моря.(2) Изучение микроанатомии и ультраструктуры внутренних выводковыхкамер разных типов и их сравнение с исходными структурами у мшанок из шестисемейств (Thalamoporellidae, Steginoporellidae, Cellariidae, Calloporidae,Chaperiidae и Crisiidae).(3) Изучение ультраструктуры овариев у представителей семействCribrilinidae и Calloporidae.(4) Исследование микроанатомии и ультраструктуры личинок мшанок изсемейств Flustrellidrae, Alcyinidiidae и Electridae.(5) Исследование симбиотических систем мшанок на примере видов изсемейств Bugulidae, Candidae и Lichenoporidae. Ультраструктурные исследованияфуникулярных тел и взаимоотношений бактерий с клетками хозяина, в том числе наначальных стадиях морфогенеза анцеструлы. Молекулярная идентификация симбионтову мшанок Aquiloniella scabra, Patinella verrucaria и Dendrobeania fruticosa,включая использование метода FISHгибридизации для подтверждения локализации бактериальных симбионтов в личинках.По результатам будут подготовлены не менее трех научных статей поэкзаптациям, реализующимся в ходе формирования (1) гонозооидов у циклостомныхмшанок и (2) фуникулярных тел у хейлостомных мшанок, а также (3) эволюцииличинок гимнолемат.2024 год(1) Дополнительные сборы и фиксация материала.(2) Изучение строения внутренних выводковых камер разных типов и ихсравнение с исходными структурами у мшанок из пяти семейств (Onychocellidae,Flustridae, Cribrilinidae, Umbonulidae и Tubuliporidae).(3) Изучение ультраструктуры овариев у представителей семействUmbonulidae и Flustrellidridae.(4) Изучение микроанатомии и ультраструктуры личинок мшанок изсемейств Tubuliporidae и Lichenoporidae. (5) Исследования особенностейлокализации и транспорта бактериальных симбионтов, а также . ультраструктурыфуникулярных тел и взаимоотношений бактерий с клетками хозяина у представителейсемейств Bugulidae, Tendridae, Catenicellidae и Flustridae.По результатам будут подготовлены четыре научных статьи по экзаптациям,реализующимся в ходе формирования (1) внутренних выводковых камер ухейлостомных мшанок, а также по (2) их оогенезу и (3) личинкам, и (4)симбиотическим ассоциациям у циклостомных мшанок.2025 год(1) Изучение строения внутренних выводковых камер разных типов и ихсравнение с исходными структурами у мшанок из пяти оставшихся семейств(Watersiporidae, Cryptosulidae, Flustrellidridae, Alcyoniididae иLichenoporidae).(3) Исследование оогенеза у Crisiidae.(4) Исследования личинок мшанок из семейств Vesiculariidae,Hippothoidae, Cribrilinidae(5) Ультраструктурные исследования бактериальных симбионтов видовмшанок из семейств Tendridae и Catenicellidae; По результатам будут подготовлены три научных статьи по экзаптациям,реализующимся в ходе формирования (1) внутренних выводковых камер ухейлостомных мшанок, а также (2) симбиотическим ассоциациям у хейлостомныхмшанок и (3) роли экзаптаций в эволюции полового полиморфизма. Имеющийсяу коллектива исполнителей научный задел по проекту (указываются основные ранееполученные результаты (за последние 3 года), связанные непосредственно с темойНИОКТР, которые могут быть использованы для достижения цели. Указываютсяверифицированные ссылки на публикации (не более 10 публикаций), реализованныенаучно-исследовательские работы по теме НИОКТР (не более 5научно-исследовательских работ), результат интеллектуальной деятельности (неболее 10 РИД), защищенные диссертации (кандидатские, докторские), доклады потематике исследования на российских и международных научных(научно-практических) семинарах и конференциях (не более 5 докладов) и другиерезультаты):Коллектив имеет многолетний опыт исследований беспозвоночных,профинансированных несколькими грантами РФФИ и РНФ. Результаты этих исследований были опубликованы в ведущих биологических журналах, в том числе в Science Advances, Scientific Reports, Biological Reviews, Evolution,Frontiers in Zoology, Evolutionary Ecology, Marine Ecology Progress Series,Symbiosis, BMC Evolutionary Biology, и Organisms Diversity andEvolution. Кроме того, имеющийся у коллективазадел включает предварительную работу по всем перечисленным выше направлениямпланируемого исследования. Руководитель проекта – ведущий специалист по Bryozoa и эволюцииполового размножения морских беспозвоночных. Лауреат премии РАН имени А.Н.Северцова (2017 г.) В частности, руководителем были опубликованы три монографии(одна в соавторстве) по морфо-функциональной эволюции размножения убеспозвоночных (Батыгина с соавт. 2006; Островский 2009; Ostrovsky 2013a).Проведенные под его руководством исследования наружных выводковых камер,экстраэмбрионального питания и оогенеза Bryozoa, поддержанные грантами РФФИ(2007-2009, 2010-2012, 2013-2015, 2016-2018 гг.), несколькими грантами СПбГУ(2015-2017 гг.) и грантом РНФ (2018-2022 гг.), а также рядом зарубежныхгрантов, позволили обосновать предположение о неоднократном возникновениизаботы потомстве в этой группе, исследовать продуктивность оогенеза в контекстерепродуктивных стратегий мшанок, а также впервые показали значительно болееширокое, чем считалось ранее распространение плацентарных аналогов убеспозвоночных в целом (Moosbrugger et al. 2012; Ostrovsky 2013a, b; Ostrovskyet al. 2009, 2016; Nekliudova et al. 2019, 2021; Bibermair et al. 2021). Такжев ходе исследований в рамках упомянутого проекта РНФ научной группой подруководством А.Н. Островского на основе сезонных наблюдений были впервыеописаны жизненные циклы пяти видов беломорских мшанок, были полученыпредварительные данные о локализации и динамике состояния бактериальныхсимбионтов в тканях беломорских мшанок (Karagodina et al. 2018; Vishnyakov etal. 2021; Bogdanov et al. submitted). Кроме того, у мшанок впервые были описанывирусы. В отдельном обзоре была проанализирована информация о симбиотическихсистемах у ископаемых и современных мшанок в сравнении с аналогичнымиассоциациями у других беспозвоночных (Bogdanov et al., 2022). Всего порезультатам данного гранта РНФ было опубликовано 20 научных статей (из них 7 вжурналах первого квартиля) и одна глава в учебнике.К.б.н. А.Э. Вишняков (основной исполнитель) имеет многолетний опытработы в области изучения бактериальных симбионтов беспозвоночных (Vishnyakov& Ereskovsky 2008, 2009; Karagodina et al. 2018; Vishnyakov et al. 2021;Klimov et al. 2022). Он обладает большим опытом работы в области световой,трансмиссионной электронной и флюоресцентной микроскопии, а также всеминеобходимыми для выполнения задач проекта молекулярными методами, включая FISH.О.Н. Котенко (основной исполнитель) в совершенстве владеет методамигистологии, иммуногистохимии и конфокальной микроскопии, а также обладаетбольшим опытом работы в области сканирующей и трансмиссионной микроскопии. О.Н.Котенко в настоящее время является ведущим специалистом в мире по строениюличинок мшанок Bryozoa. Ею наработан значительный материал по морфологии иультраструктуре личинок лецитотрофных мшанок (Котенко и др., 2016; Kotenko etal. in press), а также их бактериальных симбионтов. Защита кандидатскойдиссертации по материалам проекта планируется в 2024 г.Аспирант А.Ю. Квач (основной исполнитель) имеет значительный опытработы по изучению размножения мшанок (Кvach et al. 2019), а также анатомии иультраструктуры их овариев и выводковых камер. Она владеет широким спектроммикроскопических методов, включая световую, сканирующую и трансмиссионнуюэлектронную микроскопию. Защита кандидатской диссертации А.Ю. Квач планируетсяв 2025 г.Все участники научной группы ранее совместно работали по проектам подруководством А.Н. Островского. Ссылки напубликации коллектива исполнителей за последние 3 года, непосредственносвязанные с темой НИОТКР (не более 10 публикаций):Orr R.J.S., Di Martino E., Ramsfjell M., Gordon D.P., Berning B.,Chowdhury I., Craig S., Cumming R.L., Figuerola B., Florence W., HarmelinJ.-G., Hirose M., Huang D., Jain S.S., Jenkins H.L., Kotenko O.N., KuklinskiP., Lee H.E., Madurell T., McCann L., Mello H.L., Obst M., Ostrovsky A.N.,Paulay G., Porter J.S., Shunatova N.N., Smith A.M., Souto-Derungs J., VieiraL.M., Voje K.L., Waeschenbach A., Zágoršek K., Warnock R.C.M., Liow L.H.(2022). Paleozoicorigins of cheilostome bryozoans and their parental care inferred by a newgenome-skimmed phylogeny. Science Advances8(13): eabm7452. DOI: 10.1126/sciadv.abm7452, IF=14.96, Q1Shunatova N., Serova K.,Denisova S., Shchenkov S. & Ostrovsky A. (2022). Small, but smart: finestructure of an avicularium in Dendrobeania fruticosa (Bryozoa: Chelostomata).Journal of Morphology 283(2): 174-206. DOI: 10.1002/jmor.21436, IF=1,96, Q1Serova K.M., Belikova E.V.,Kotenko O.N., Vishnyakov A.E., Bogdanov E.A., Zaitseva O.V., Shunatova N.N.& Ostrovsky A.N. (2022). Reduction, rearrangement, fusion and hypertrophy:evolution of the muscular system in polymorphic zooids of cheilostome Bryozoa.Organisms Diversity and Evolution: 1-40. DOI: 10.1007/s13127-022-00562-y; IF=2,66, Q1Vishnyakov, A. E.,Karagodina, N. P., Lim-Fong, G., Ivanov, P. A., Schwaha, T. F., Letarov, A. V.,& Ostrovsky, A. N. (2021). First evidence of virus-like particles in thebacterial symbionts of Bryozoa. Scientific Reports, 11(1), 1-15. DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-020-78616-4, IF=4,38, Q1Nekliudova, U. A., Schwaha,T. F., Kotenko, O. N., Gruber, D., Cyran, N., & Ostrovsky, A. N. (2021).Three in one: evolution of viviparity, coenocytic placenta and polyembryony incyclostome bryozoans. BMC Ecology and Evolution, 21(1), 1-34. DOI: https://doi.org/10.1186/s12862-021-01775-z,IF=3,73, Q1Bibermair, J., Ostrovsky,A. N., Wanninger, A., & Schwaha, T. (2021). Reproductive biology, embryonicdevelopment and matrotrophy in the phylactolaemate bryozoan Plumatellacasmiana. Organisms Diversity & Evolution, 1-24. DOI:https://doi.org/10.1007/s13127-021-00497-w, IF=2,66, Q1Bogdanov, E. A.,Vishnyakov, A. E., Kotenko, O. N., Grischenko, A. V., Letarov, A. V., &Ostrovsky, A. N. (2023). Seasonal dynamics of a complex cheilostome bryozoansymbiosis: vertical transfer challenged. Scientific Reports, 13(1), 375.Klimov P.B., ChetverikovP.E., Dodueva I.E., Vishnyakov A.E., Bolton S. J., Paponova S.S., Lutova L.A., Tolstikov A.V. (2022) Symbioticbacteria of the gall‑inducing mite Fragariocoptes setiger (Eriophyoidea) andphylogenomic resolution of the eriophyoid position among Acari.. ScientificReports 12: 3811.Kotenko, O. N., Bagrov, S.,Ostrovsky, A. N. Aboral (pallial) epithelium in bryozoan larvae: a comparativemorpho-functional analysis. Invertebrate zoology. 2022. 19(4), 369-403. https://doi.org/10.15298/invertzool.19.4.04Shevchenko E.T.,Varfolomeeva M.A., Nekliudova U.A., Kotenko O.N., Usov N.V., Granovitch A.I.,Ostrovsky A.N. (2020) Electra vs Callopora: Life-histories of two bryozoanswith contrasting reproductive patterns from the White Sea. Invertebrate Reproduction and Development 64(2): 137-157.Реализованныенаучно-исследовательские работы по теме НИОКТР (не более 5научно-исследовательских работ): РНФ 18-14-00086 Эволюция плацентарных аналогов у водных колониальныхбеспозвоночных (Bryozoa). 2018-2022 (руководитель: Островский А.Н.)РФФИ 20-34-90081 Аспиранты "Эволюция нервно-мышечной системыавикуляриев Bryozoa" (руководитель: Островский А.Н.) Результатыинтеллектуальной деятельности:Главы в учебнике:1. Ostrovsky A.N. Sexual reproduction in Bryozoa. Pp.101-121 (DOI: 10.1515/9783110586312-004) in Schwaha T.F. (ed.) Handbook ofZoology. Phylum Bryozoa. De Gruyter, Berlin. ISBN: 978-3-11-058540-7 (Print),978-3-11-058568-1 (Online). DOI: 10.1515/97831105863122. Martha S., Vieira L., Souto J., Grischenko A.V., GordonD. P., Ostrovsky A.N. Gymnolaemata, Cheilostomata. Pp. 317-433 (DOI:10.1515/9783110586312-011) in Schwaha T.F. (ed.) Handbook of Zoology. PhylumBryozoa. De Gruyter, Berlin. ISBN: 978-3-11-058540-7 (Print), 978-3-11-058568-1(Online). DOI: 10.1515/9783110586312Монографическая статья:3. Grischenko A.V., Gordon D.P., Taylor P.D., Kuklinski P.,Denisenko N.V., Spencer Jones M.E., Ostrovsky A.N. Taxonomy, ecology andzoogeography of the Recent species of Rhamphostomella Lorenz, 1886 andMixtoscutella gen. nov. (Bryozoa,Cheilostomata). Zootaxa 5131(1): 1–115. DOI: 10.11646/ZOOTAXA.5131.1.1, IF=1,09 доклады потематике исследования на российских и международных научных(научно-практических) семинарах и конференциях (не более 5 докладов):1. Богданов Е.А., Вишняков А.Э., Островский А.Н. «Бактериальныеэндосимбионты и вирусоподобные частицы: Динамика развития фуникулярных тел умшанки Dendrobeania fruticosa (Cheilostomata)», XI Международнаянаучно-практическая конференция «Морские исследования и образование MARESEDU -2022», 24-28 октября 2022, Институт океанологии имени П. П. Ширшова РАН.Электронный ресурс: https://maresedu.com/ Тезисы опубликованы в сборникематериалов конференции. Способ участия: устный доклад.2. Демидова М.А., Карагодина Н.П., Вишняков А.Э., Котенко О.Н.,Островский А.Н. «Идентификация и локализация симбиотических бактерий мшанкиPatinella verrucaria (Cyclostomata)», Международная научно-практическаяконференция «Морские исследования и образование MARESEDU - 2022», 24-28 октября2022, Институт океанологии имени П. П. Ширшова РАН. Тезисы будут опубликованы всборнике материалов конференции (в печати). Электронный ресурс:https://maresedu.com/. Способ участия: стендовый доклад.3. Kotenko O., Bagrov S.,Ostrovsky A. The pallial epithelium in bryozoan larvae - how to 'dress' well.19th International Bryozoological Association conference, 22-26 August, 2022,Dublin. Без публикации тезисов - ссылка на грант указана в презентации доклада. Способ участия: устный доклад онлайн.4. Bogdanov E.А., Vishnyakov A.E., Ostrovsky A.N. «Vertical transfer of bacterialsymbionts in cheilostome bryozoans – questioned paradigm». 19th InternationalBryozoological Association conference, 22-26 August, 2022, Dublin. Без публикации тезисов - ссылка на грант указана в презентации доклада. Способ участия: устный доклад он-лайн.5. Ostrovsky A., Vlasov G.,Bogdanov E., Kotenko O. Everything is not like in everyone: coenocytes andexaptations in cyclostome bryozoans. 5th International Congress on InvertebrateMorphology, 8 - 12 August 2022, Vienna, Austria. Без публикации тезисов - ссылка на грант указана в презентации доклада. Способ участия: устный доклад.

Acronym	RSF_RG_2023 - 2
Status	Active
Effective start/end date	1/01/24 → 31/12/24

ID: 115585721

Экзаптации у морских колониальных беспозвоночных: неканонические пути эволюции полового размножения и симбиоза: 2024 г. - этап 2

Description