Vergleichende und experimentelle Untersuchungen zur Embryonalentwicklung von freilebenden und parasitären Nematoden - Ewald, Vera; Justus Liebig University Giessen (My University, 2007)
Ziel dieser Arbeit war es, die bislang nur geringen Kenntnisse der Embryogenese von Nematoden zu erweitern, Gemeinsamkeiten und Unterschiede sowie die Kontrolle von embryologischen Prozessen bei verschiedenen Spezies aufzuklären und ihre Eignung als phylogenetische Marker zu überprüfen.Es wurden verschiedene Aspekte der Embryonalentwicklung von verwandtschaftlich unterschiedlich weit von C. elegans entfernten Nematodenspezies in Abhängigkeit von ihrer phylogenetischen Positionierung untersucht. Dabei wurden sowohl freilebenden als auch parasitäre Spezies verwendet. Basis für die phylogenetische Positionierung bildeten die auf molekularen Daten beruhenden Arbeiten von Blaxter et al. (1998) und De Ley & Blaxter (2002).Mittels DIC, DNA-Anfärbung, Narkotisierung, indirekter Immunfluoreszenz, Zellablation und Zellelimination wurde die frühe Embryogenese der verschiedenen Spezies untersucht. Schwerpunkte bildeten dabei die Morphologie, die Fortpflanzungsweise, die Reduktionsteilung, die Eiaktivierung, die Etablierung der Gründerzellen, das Verhalten der frühen Keimbahn, die Ausbildung und Kontrolle der Raumachsen, die frühe räumliche Musterbildung, die Herkunft der E-Zelle und die Einwanderung des Darmvorläufers, die Darmzelldifferenzierung, die Etablierung der bilateralen Symmetrie und die Regulationsfähigkeit. Es wurden dreidimensionale Computerrekonstruktionen früher Embryonen von C. elegans, D. coronatus, A. nanus und "Plectus mekong" unter Aufschlüsselung der einzelnen Zelllinien angefertigt.Anhand voneinander abweichender Eiaktivierung, Reduktionsteilung und Etablierung der anterior-posterior Achse konnte für die beiden parthenogenetischen Spezies D. coronatus und "P. mekong" eine verschiedene Anpassung an ihre Fortpflanzungsweise nachgewiesen werden.Bei D. coronatus wurden individuelle Variationen der frühen räumlichen Musterbildung und ihre Entstehungsweise beobachtet und aufgeklärt. Experimentell konnte die Kontrolle der Etablierung der anterior-posterior Achse und der dorso-ventralen Achse nachgewiesen werden.Aufgrund der in dieser Arbeit gefundenen embryologischen Gemeinsamkeiten (z. B. die frühe Keimbahn-Soma-Trennung) der Plectiden mit den Secernentea, nicht aber mit den Adenophorea, konnte die von Blaxter et al. (1998) vorgeschlagene Neupositionierung der traditionell als Adenophorea betrachteten Plectiden in die Nähe von secernentischen Spezies unterstützt werden.Durch die Untersuchungen an Plectiden und den Vergleich mit Spezies der Secernentea sowie Adenophora konnten embryologische Besonderheiten der Plectiden wie die frühe Etablierung der bilateralen Symmetrie und die Gastrulation mit nur einer Darmvorläuferzelle herausgefunden werden, die die frühe Trennung der Plectiden von anderen Secernentea nahelegen.Wegen der Gleichartigkeit dieser embryologischen Besonderheiten bei Plectiden, Chromadorida und Monhysterida erfolgte ihre Zusammenfassung in der PCM-Gruppe. Diese Ergebnisse widersprechen der traditionellen Sichtweise der phylogenetischen Positionierung von Plectiden, sind aber in Einklang mit den Schlussfolgerungen, die aus molekularen Daten gezogen werden.Durch die vergleichende Untersuchung von T. lirellus und Tylocephalus auriculatus mit anderen Plectiden konnte T. lirellus als Rhabditide idendifiziert und so die Abgrenzung der Plectiden gegenüber den Rhabditida vorgenommen werden.Die Untersuchung von N. dubius, N. brasiliensis, H. spumosa, T. spiralis und T. muris zeigte, dass die frühe Embryogenese von parasitären Spezies denselben Prinzipien wie die der nah mit ihnen verwandten freilebenden Spezies folgt.Bei T. spiralis und T. muris als verwandtschaftlich sehr weit von C. elegans entfernte Spezies konnten dementsprechend gravierende Unterschiede in der Etablierung der somatischen Gründerzellen und der frühen räumlichen Musterbildung zu C. elegans nachgewiesen werden. Bei T. spiralis konnte die unter Nematoden bis jetzt nur einmal in dieser Form nachgewiesene Bildung eines großen Blastocoels gezeigt werden.Aufgrund der Ergebnisse dieser Arbeit wurden Modifikationen des von Blaxter et al. (1998) erarbeiteten, phylogenetischen Stammbaums vorgeschlagen und begründet. Diese Änderungen beinhalten die Zusammenfassung von Plectiden mit Chromadorida und Monhysterida in einer neuen Clade 3 und den Tausch der alten Clade I mit Clade II. Die Gesamtzahl erhöht sich dadurch von fünf auf sechs Claden.Durch die Ergebnisse dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass embryologische Vorgänge zur Bestimmung phylogenetischer Verwandtschaftsbeziehungen geeignet sind und mit ihrer Hilfe Widersprüche hinsichtlich der Positionierung von Nematodenspezies aufgeklärt werden können. Ihre Erforschung als ergänzende Methode zur Morphologie und Molekularbiologie liefert Daten einer Qualität, die mit anderen Mitteln nicht erfassbare Details ans Licht bringen.

The aim of this work has been to broaden the presently only limited knowledge of embryogenesis in nematodes. The presented data demonstrate both, similarities and differences, in nematode development among different species as well as in the control of embryological processes. Special emphasis was placed on solving contradictions regarding the positioning in different phylogenetic trees, and examining the suitability of embryonic events as phylogenetic markers.Several nematode species closely or more distantly related to Caenorhabditis elegans have been examined concerning different aspects of embryonic development. For the phylogenetic positioning of the investigated nematode species, the works of Blaxter et al. (1998) and De Ley & Blaxter (2002) were taken as a basis and extented in the course of this work. The investigated species comprise on the one hand free-living species like Cephalobidae, Diploscapteridae, Plectids, and the closely related Teratocephalus lirellus and on the other hand parasitic species like Nematospiroides dubius, Nippostrongylus brasiliensis, Heterakis spumosa, Trichinella spiralis, and Trichuris muris.By means of differential interference contrast microscopy, DNA staining, anaesthetising, indirect immunfluorescence, cell ablation and cell elimination early embryogenesis of the different nematode species was examined. The emphasis of the investigation was placed onthe morphologythe way of reproductionthe meiosisthe egg activationthe establishment of founder cellsthe behaviour of the early germline cellthe establishment of the embryonic axes and its controlthe early spatial arrangement of blastomeresthe origin of the gut precursor cell(s) and its immigrationthe differentiation of gutthe establishment of bilateral symmetryand the ability to compensate for lost cells.Three dimensional computer reconstructions of early C. elegans, D. coronatus, A. nanus and, "Plectus mekong" embryos were developed considering single cell lineages.Visualizing differences in egg activation and meiosis in the parthenogenetic species D. coronatus and "P. mekong" a different adaptation to their way of reproduction could be demonstrated.Within the D. coronatus species individual variations in early pattern formation were observed and how these eventually merge into one pattern. Experimentally, the control of the establishment of the anterior-posterior and the dorsal-ventral axis was analyzed.Based on embryological aspects studied in this work which Plectids share with Secernentea but not with Adenophorea (e.g. early germline-soma-separation), the phylogenetical repositioning of Plectids traditionally considered as adenophorean species, to a close neighborhood to secernentean species could be supported as suggested by Blaxter et al. (1998).As a result of the studies on Plectids and the comparison with species of Secernentea and Adenophorea, embryological characteristics of Plectids could be identified like early establishment of bilateral symmetry and gastrulation with only one gut precursor cell. This suggests that Plectids separated early from other secernentean species. Because of the restriction of these embryological characteristics to Plectids, Chromadorida and Monhysterida these species are unified in the PCM-group.These results are in conflict to the traditional phylogenetic positioning of Plectids but are in agreement with the conclusions drawn from molecular data.Furthermore, Tylocephalus auriculatus was identified as a Rhabditid by comparating gastrulation with T. lirellus and other Plectids. Thus, we detected this way the demarcation line between Plectida and Rhabditida.The analysis of N. dubius, N. brasiliensis, H. spumosa, T. spiralis, and T. muris showed that early embryogenesis of parasitic species follows the same principles as closely related free-living species. In T. spiralis and T. muris - which are very distantly related to C. elegans - fundamental differences in the establishment of somatic founder cells and the early pattern formation could be found. In T. spiralis the formation of a large blastocoel could be shown which was demonstrated only in one additional case among nematode species so far.Based on the results of this work, modifications of the phylogenetic tree of Blaxter et al., 1998 were suggested. These changes include the unification of Plectids with Chromadorida and Monhysterida in a newly defined clade 3 and the switch of the old clades I and II. The total number of clades increases thereby from five to six.The results of this work demonstrate that the study of embryological processes is a valuable tool for the identification of phylogenetic relationships among nematodes and that this approach provides detailed insights into aspects which are not available via morphology and molecular biology.
Keywords: C. elegans; Embryologie; Parasiten; Nematoden; bilaterale Symmetrie; embryonic pattern formation; bilateral symmetry; Diploscapter coronatus; cell lineage; nematode; ddc:630