Функциональная геномика кольчатых червей раскрывает происхождение билатеральных жизненных циклов

Jan 06, 2024

Nature, том 615, страницы 105–110 (2023 г.) Процитировать эту статью

16 тысяч доступов

5 цитат

266 Альтметрика

Подробности о метриках

Непрямое развитие с промежуточной личинкой существует во всех основных линиях животных1, что делает личинки центральными в большинстве сценариев эволюции животных2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Однако вопрос о том, как развивались личинки, остается спорным. Здесь мы показываем, что временные сдвиги (то есть гетерохронии) в формировании ствола лежат в основе диверсификации личинок и билатеральных жизненных циклов. Мы выполнили секвенирование генома в масштабе хромосом у кольчатых червей Owenia fusiformis с транскриптомным и эпигеномным профилированием в течение жизненных циклов этой и двух других кольчатых червей. Мы обнаружили, что у питающейся личинки O. fusiformis развитие туловища откладывается до преметаморфических стадий, но начинается после гаструляции у непитающейся личинки с постепенным метаморфозом Capitella teleta и непосредственно развивающегося зародыша Dimorphilus gyrociliatus. Соответственно, эмбрионы O. fusiformis сначала развиваются в увеличенный передний домен, который формирует личиночные ткани и голову взрослой особи12. Примечательно, что это также происходит у так называемых «головных личинок» других билатерий13,14,15,16,17, с которыми личинка O. fusiformis обнаруживает обширное транскриптомное сходство. В совокупности наши результаты показывают, что временное разделение формирования головы и туловища, которое максимально наблюдается у головных личинок, облегчает личиночную эволюцию у Bilateria. Это расходится с преобладающими сценариями, которые предлагают либо коопцию9,10, либо инновацию11 программ генной регуляции для объяснения происхождения личинок и взрослых особей.

Многие эмбрионы животных развиваются в личинку, которая превращается в сексуально компетентную взрослую особь1. Личинки морфологически и экологически разнообразны, и, учитывая их широкое филогенетическое распространение, они играют центральную роль в основных сценариях эволюции животных2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Однако эти сценарии расходятся во мнениях относительно того, являются ли личинки предковыми2,3,4,5,6 или вторично эволюционировавшими9,10, а также относительно механизмов, которые способствовали эволюции личинок2,9,10,11. Поэтому происхождение личинок и их важность для объяснения эволюции животных до сих пор остаются спорными.

Трохофора — широко распространенный личиночный тип, характеризующийся апикальным сенсорным органом и преоральной локомотивной ресничной полоской18, которая обычно присуща Annelida и Mollusca. Однако кольчатые черви демонстрируют разнообразные жизненные циклы и морфологию личинок, включая виды с прямым и непрямым развитием, а также планктотрофные или лецитотрофные личинки19. Примечательно, что группы Oweniidae и Magelonidae, которые образуют Oweniida, сестринский таксон всех других кольчатых червей20, имеют характерные планктотрофные личинки (рис. 1a и расширенные данные, рис. 1a). В частности, личинка Oweniidae, названная «митрарией»12, имеет увеличенную предоральную область и пучок задних щетинок, а также пару нефридиев и длинную моноресничную ресничную полоску, аналогичную таковым у филогенетически отдаленных личинок. иглокожих и полухордовых21,22. Тем не менее, овенииды демонстрируют множество характеристик развития, которые считаются предками Annelida и даже Spiralia в целом23,24, включая сходство в молекулярных паттернах личинок с другими трохофорными и двусторонними личинками22,23,25,26. Таким образом, разнообразие жизненных циклов и личиночных форм, но в целом консервативный ранний эмбриогенез и строение тела взрослых кольчатых червей являются отличной моделью для изучения того, как развиваются личиночные черты. Это также идеальная модель для формулирования и оценки гипотез о происхождении личинок и жизненных циклах животных.

а — Личинки овениид и магелонид не похожи на других личинок кольчатых червей. Изображения дифференциального интерфейсного контраста (DIC) и изображения конфокального лазерного сканирования z-stack O. fusiformis mitraria и Magelona spp. личинка, окрашенная на ядра с использованием DAPI и ацетилированного α-тубулина (Ac Tub). б. Анализ основных компонентов комплемента генов многоклеточных животных показывает, что O. fusiformis кластеризуется с другими линиями с консервативно развивающимися комплементами генов. См. расширенные данные на рис. 1e, где представлен полностью размеченный график. На врезке изображение взрослой особи O. fusiformis. c, Процент сохранившихся ортогрупп предметазоа и многоклеточного организма на вид. Пунктирная вертикальная линия представляет значение для O. fusiformis. Список названий видов представлен в дополнительной таблице 2. d, Кариотипическое соответствие между O. fusiformis и Pecten maximus, которое иллюстрирует набор предковых спиральных хромосом. Каждый цвет представляет предковую билатеральную группу сцепления. Схематические рисунки выполнены не в масштабе. ан, анус; ат, апикальный хохолок; ch, щетинки; он, голова; мо, рот; пт, прототрох; тт: телотрох. Масштабные линейки, 50 мкм (а) или 2,5 мм (б).