Сходства и отличия быстрой и медленной паратомии: статистический анализ выбора места закладки зоны деления Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 591

И. В. Загаынова, А. В. Харин, Р. П. Костюченко

Вестник СПбГУ. Сер. 3,2004, вып. 4

СХОДСТВА И ОТЛИЧИЯ БЫСТРОЙ И МЕДЛЕННОЙ ПАРАТОМИИ: СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЫБОРА МЕСТА ЗАКЛАДКИ ЗОНЫ ДЕЛЕНИЯ

Введение. Среди представителей аннелид широко распространены процессы бесполого размножения по типу поперечного деления, т. е. такого способа бесполого размножения, при котором разделение происходит поперек длинной оси тела и дочерние особи сохраняют все оси материнского организма. В классе Oligohaeta такой тип размножения встречается у представителей семейств Aeolosomatidae, Naididae, Tubificidae, Enchytraeidae и Lumbriculidae и представлен двумя формами: архитомией и паратомией [1]. Архитомия представляет собой разделение тела червя на несколько фрагментов без заметной предшествующей подготовки. После разделения происходит регенерация недостающих участков тела. В случае паратомии формирование головных и хвостовых структур предшествует разделению дочерних особей. Появляющаяся перетяжка разделяет зону паратомии на переднюю (соматогенную) часть и заднюю (цефалогенную) часть. Из соматогенной части развивается задний конец переднего индивида, в то время как цефалогенная часть образует головной конец.заднего индивида. В результате образуются цепочки, состоящие из двух или нескольких зооидов. Наиболее широко паратомия распространена среди олигохет семейства Naididae и представлена двумя формами - медленной и быстрой. Медленная паратомия сопровождается образованием цепочек не более чем из двух зооидов, а при быстрой паратомии этот процесс идет более интенсивно и приводит к образованию цепочек из многих зооидов.

Важной проблемой, связанной с бесполым размножением по типу поперечного деления, является вопрос о выборе места закладки зоны деления и запуске механизмов, приводящих к развитию заново на каком-то участке тела животного головных и хвостовых структур. В случае архитомического деления этот вопрос остается полностью открытым и пути его изучения кажутся не очень ясными, так как согласно большинству авторов, описывающих этот процесс, деление происходит во'внешне случайных местах и во многих случаях не удается выявить морфологической подготовки этого процесса. В случае же паратомии детерминация места разделения представляется действительно существенным моментом, так как многие авторы указывают на конкретный сегмент у каждого вида, в котором происходит закладка зоны деления, что предполагает наличие жестких механизмов контроля. При этом необходимо понять, существуют ли принципиальные отличия выбора места разделения при быстрой и медленной паратомии. Возможно, что в пределах тела разных видов, реализующих разные способы паратомии, действуют одни и те же принципиальные схемы морфогенетической разметки (регионализации) вдоль переднезадней оси, и при наличии определенных сигналов происходят локальные изменения (возможно, дестабилизация), приводящие к разбиению этой системы на две, не зависимые друг от друга.

В настоящем исследовании с помощью методов математической статистики мы попытались ответить на вопрос о выборе места закладки зоны паратомии на примере двух видов олигохет — Nais communis, размножающегося путем медленной паратомии, и Pristina longiseta, размножающуюся быстрой паратомией.

Материалы и методы. В данной работе в качестве объекта были использованы два вида: Nais communis и Pristina longiseta (Oligochaeta, Naididae). В лабораторных условиях эти виды размножаются исключительно бес-

© И. В. Загайнова, А. В. Харин, Р. П. Костюченко, 2004

полым образом по типу паратомии, половое размножение не наблюдаете^. Для поддержания размножающейся бесполым способом культуры достаточно соблюдения следующих условий: температуру необходимо поддерживать в пределах от +15 до +25°С, при этом соотношение дня и ночи должно составлять 16 ч света и 8 ч темноты. Эти условия являются общими и для других видов наидид [10, 11, 13, 14, 15], при этом авторы, описывавшие динамику популяций при данных условиях, также отмечают отсутствие полового размножения. Червей содержали в кристаллизаторах на культуре нитчатых Chlorophyta. Кормом служили живущие на водорослях микроорганизмы.

Статистические методы. Для обработки статистическими методами из культуры случайным образом были отобраны черви с различимой под бинокуляром МБС10 (JIOMO) перетяжкой. Подсчет количества сегментов производился под бинокуляром. При проведении математического анализа места закладки перетяжки использовали метод однофакторного дисперсионного анализа [6].

Результаты исследований и их обсуждение. Для изученных нами представителей семейства Naididae, Nais communis и Pristina longiseta, характерно бесполое размножение по типу паратомии, т. е. поперечного деления, при котором формирование недостающих головных и хвостовых отделов предшествует разделению вновь образованных зооидов.

Тело изучаемых олигохет состоит из простомиума, перистомиума, специализированных головных сегментов, сегментов тела и пигидия. Количество головных сегментов специфично для каждого вида - у P. longiseta оно составляет шесть, а у N. communis - четыре. При бесполом размножении обоих исследованных нами видов в пределах одного из сегментов закладывается перетяжка. По мере роста она разделяется кольцевой бороздой на две части - цефапогенную и соматогенную. Цефалогенная часть дает начало простомиуму, пе-ристомиуму и головным сегментам заднего зооида, а из соматогенной образуется пигидий и несколько сегментов тела переднего зооида. Разделение зооидов происходит только.после окончательного формирования этих структур. В отличие от N. communis и P. longiseta, у которых в цефалогенной части всегда развиваются только головные сегменты, имеющие отличную от других сегментов морфологию, у Chaetogaster lymnaei, исследованного Е. А. Сапаевым, происходит закладка позади головных сегментов еще некоторого количества сегментов тела [4].

Для N. communis нами описана медленная паратомия (рис. 1), а для P. longiseta - быстрая. В то время как у N. communis одновременно формируются только два зооида, у P. longiseta образуются цепочки, состоящие из нескольких зооидов (не более четырех). При этом каждая следующая зона деления (перетяжка) закладывается в сегменте, лежащем впереди от предыдущей (рис. 2). Поэтому с каждым актом деления материнский зооид укорачивается на один сегмент: когда он уменьшается до определенного числа сегментов (13-14), бесполое размножение приостанавливается, задние зооиды начинают отделяться от цепочки, а передний зооид восстанавливает утраченные сегменты.

Данные, приводимые различными авторами [2, 3, 7, 12] по разным видам олигохет, не позволяют выделить общей для класса закономерности образования зоны, деления. Рядом авторов было показано влияние со стороны головного конца на инициацию процессов деления [5, 8, 9], что и привело к появлению предположения о том, что нейрогуморальное влияние головного конца может определять и место инициации процессов деления. По результатам некоторых авторов, декапитация, или повреждение нервной цепочки, способна стимулировать бесполое размножение у ряда видов олигохет [5, 9]. Удаление головного конца (передних двух сегментов, содержащих головной мозг и подглоточный ганглий) стимулирует и архитомию у вида Enchytraeus japonensis (Enchytraeidae) [9]. Кроме того, деление, способна вызвать и перерезка брюшной нервной цепочки.

Единственная попытка применения математических моделей к видам, имеющим фиксированный сегмент закладки зоны паратомии, где была показана зависимость положения этого сегмента от ростовых процессов, предпринята В. Б. Касиновым [2,'3]. Касинов ввел понятие «равновесной точки», которая делит тело червя на две части с одинаковой скоростью роста. У изученных автором видов эта точка фиксирована на определенном сегменте, именно в этом сегменте находится зона деления. Модель Касинова никак не объясняет

Пер Гс

Головной регион и цефалогенная часть перетяжки

Соматогенная часть перетяжки и ее производные

Зона роста

Рис. 1. Схема медленной паратомии у N. communis. '

Пр - простомиум; Пер - перистомиум; Гс - головные сегменты; Зр - зона роста;

Пг - пигидий; Зп - зона паратомии. ■

появление второй, третьей и последующих перетяжек у видов, размножающихся быстрой паратомией, у которых в течение жизни происходит смещение закладки зоны паратомии.

Поэтому в данной работе мы попытались выявить закономерности образования зоны паратомии у видов, не имеющих фиксированного сегмента, закладывающего перетяжку.

Для прояснения вопроса о характере выбора места закладки зоны деления из культуры обоих видов произвольно были отобраны делящиеся черви на ранних стадиях образования зоны паратомии, у которых было подсчитано количество сегментов от головного конца до перетяжки и от перетяжки — до хвостового конца.

Рис. 2. Схема быстрой паратомии у P. longiseta.

Зп I - первая зона паратомии, Зп II - вторая зона пататомии; остальные условные обозначения - как на рис. 1.

У особей N. communis перетяжка закладывается в пределах от 12-го до 23-го сегмента от головы, при этом общее количество сегментов составляет от 21 до 41. У особей P. longiseta первая перетяжка закладывается в пределах от 14-го до 20-го сегмента от головы, при этом общее количество сегментов — от 21 до 33. То есть фиксированный для вида сегмент, образующий перетяжку в обоих случаях, отсутствует. Отсутствует также преемственность между родительской и дочерними особями, что исключает возможность существования в составе популяции нескольких бесполых рас, различающихся по этому признаку.

На основании литературных данных о нейральном контроле инициации развития зоны паратомии [5, 9] было высказано предположение о том, что положение зоны паратомии определяется в первую очередь расстоянием от головного конца.

Полученные нами количественные данные по расположению зоны деления на определенном сегменте относительно головного конца были проанализированы методами математической статистики. Дисперсионный анализ данных для вида N. communis показал, что эти числа не относятся к одной генеральной совокупности. А это, в свою очередь, означает, что расстояние от головного конца не может быть единственным фактором, определяющим место закладки зоны деления. У P. longiseta дисперсионный анализ показал принадлежность значений расстояний от головного конца до первой перетяжки к одной генеральной совокупности и выявил зависимость места образования первой перетяжки от общей длины

Количество червей

о

5"

К

ч

о

701 60 -

50 ■ 40 -30 -2010 -0

20

5 ■

1

1

13 14 15 16 17 18 19

Количество сегментов от головы до перетяжки

Рис. 3. Частота образования перетяжки при различном количестве сегментов от головного конца до перетяжки у N. communis (А) и P. longiseta (Б).

20

^ 0 Сегмент, на котором образуется перетяжка

Щ 14

■ 15! :П16

І ш 17

\ш 18

.Ш 19'

■ 20

Длина червя (общее количество сегментов)

Рис. 4. Частота образования перетяжки на определенном сегменте от головы мости от обшей длины червя у Р. 1оп§1зе1а.

червя (рис. 3, 4), хотя расстояния от головного конца до второй, третьей и последующих перетяжек не относились к одной генеральной совокупности.

Так как полученные нами на N. communis и P. longiseta результаты статистических подсчетов с использованием дисперсионного анализа не показали прямой зависимости места закладки зоны деления только от головного конца, в качестве рабочей гипотезы мы использовали предположение о комплексном влиянии со стороны головного конца и зоны роста, расположенной в хвостовом конце. Для характеристики этого влияния нами было введено отношение количества сегментов от головного конца до перетяжки и от перетяжки до хвостового конца. Это отношение должно выражать систему координат, определяющую действие неизвестных нам факторов вдоль оси тела червя. Дисперсионный анализ данных полученных на N. communis и P. longiseta, показал статистическую значимость этого отношения. Оно варьирует в довольно широких пределах (от 0,55 до 2,83 у N. communis и от 1,14 до 2,5 у P. longiseta). Данное отношение зависит от общей длины червей, оно уменьшается с увеличением общего количества сегментов, что должно выражать уменьшение влияния со стороны хвостового конца (табл. 1,2). •

Таблица!. Распределение значений отношения длины переднего конца к длине заднего конца при определенном расстоянии от головы до перетяжки и от перетяжки до хвостового конца у P. longiseta

Колич.сегментов ч от головы • Кол ичество сегментов от перетяжки до хвостового конца

6 7 8 9 10 11 12 . 13 14

13 1,63 2- 1,4

14 4-2 7 • 1,75 6- 1,56 6 • 1,4 1,27 1.17

15 2,5 3-2,14 17- 1,87 22- 1,67 9-1,5 6-1,36 3 • 1,25 1,15

16 2-2 5 • 1,78 4-1,6 3 ■ 1,45 3 • 1,33 2 • 1,23 1,14

17 1,7 1,42 2 • 1,31 1 21

18 1,14

19 1,36

Примечание. В ячейках табл. 1 приведено отношение длины переднего конца к длине заднего конца и количество червей, имеющих данное отношение (то же для табл. 2).

Таким образом, первичный выбор места разделения при быстрой паратомии у P. longiseta, вероятно, осуществляется по такому принципу, как и в случае медленной паратомии у N. communis. - .

У P. longiseta, размножающейся быстрой паратомией, к'моменту образования последующей перетяжки в цефалогенной части предыдущей уже происходит формирование головного ганглия, а в соматогенной части в это время начинается сегментация, которая идет значительно более быстрыми темпами и с большей частотой пролиферации сегментов, чем при нормальном росте, т. е. к моменту закладки новой перетяжки у P. longiseta, вероятнее всего, процессы разворачиваются в пределах системы координат материнского зооида, а дочерними зооидами при подсчетах следует пренебрегать. Поэтому мы предполагаем, что выбор места закладки второй и последующих перетяжек осуществляется по такому же принципу, что и при закладке первой, кроме того, считаем, что до появления морфологических границ сегментов в соматогенной части уже существуют молекулярно-генетические границы. Поэтому нет возможности применять отношение количества морфологически хорошо выраженных сегментов до перетяжки к количеству сегментов после нее для проверки данной гипотезы. к

Таким образом, несмотря на кажущуюся разницу процессов быстрой и медленной паратомии, первичный выбор места разделения в обоих случаях и, вероятно, закладка последующих перетяжек у P. longiseta определяются одним и тем же принципом.

Таблица 2. Распределение значений отношения длины переднего конца к длине заднего конца при определенном расстоянии от головы до перетяжки и от перетяжки до хвостового конца у N. communis

Колич. сегментов от головы до перетяжки Количество сегментов от перетяжки до хвостового конца

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

11 0,73 0,55

12 2 • 1,33

13 • .

14 2 1.4 1,27 2 • 1,08 1 • 0,88

15 2- 1,67 1,5 4- 1,37 2- 1,25 1,15 2-1,07 2- 1 0,94

16 2-2 1,78 3 • 1,6 2 • 1,45 3 • 1,33 3 - 1,23 1,14 4 • 1

17 2,8 2- 1,89 3 • 1,7 4 • 1,55 3 • 1,42 2- 1,21 1,06 2 • 0,99

18 2 • 2,25 2-2 4- 1,64 3 • 1,5 2- 1,39, 1,29 1,13 0,86

19 2,11 1,9 2- 1,73' 4- 1,58 4 • 1,46 1,27 1,19 U2 2- 1,06 0,9

20 1,82 1,54 1,43 1,33 1,25 1,11 1

21 2,63 1,75 3 • 1,5 1,4

22 2,75 1,29

Проблема бесполого размножения у аннелид представляет интерес в связи с изменением спецификации структур вдоль переднезадней оси. Механизмы, отвечающие за этот процесс у олигохет, ранее никем не описывались. Наши данные позволяют предположить наличие системы координат морфогенетической активности, отвечающей за спецификацию частей тела вдоль переднезадней оси. . .

Статья рекомендована проф. Л. К. Дондуа. . ■ '

Summary

I

Zagainova 1. V., KharinA. У., Kostyuchenko R. P. Similarities and differences between fast and slow paratomy: statistical analysis of choice of the location for a fission zone to occur.

Asexual reproduction by the way of paratomy when at one of the segments a fission zone forms, giving rise to the lacking structures of new zooids, is characteristic for N. communis and P. longiseta. Supposing a complex influence of the head end and a growth zone at the tail end, we tried to derive a statistical rule of determining the choice of a location, for the fission zone to form. The statistical analysis showed that originally the choice by fast paratomy in P. longiseta is probably made according to the same principle as in N. communis.

Литература

1. Иванова-Казас О. М. Бесполое размножение животных. J1., 1977. 2. Касинов В. Б. Линейные приросты зооидов при бесполом размножении некоторых олигохет // Докл. АН СССР. 1962. Т. 143, № 4. С. 967-980. 3. Касинов В. Б. Авторегуляция бесполого размножения у олигохет // Онтогенез. 1970. Т. 1. С. 147-156. 4. Сапаев Е. А. Ультраструктурные аспекты морфогенетических процессов в задней части зоны паратомии олигохеты Chaetogaster lymnaei И Цитология. 1978. Т. 20, №2. С. 149-153. 5. Урбах В. Ю. Биометрические методы. М., 1964. 6- Стерлинг. С. О нервной регуляции размножения у кольчатого червя Lumbriculus variegatus // Докл. АН СССР. 1955. Т. 104, №4. С. 67(^-673. 7. Christensen В. Asexual reproduction in the Enchytraeidae (Oligochaeta) // Natufe. 1959. Vol. 184, N 4643. P. 1159-1166. 8. Hyman L. The fragmentation of Nais paraguayensis II Phys. Zool. 1938. Vol. 11, N 2. P. 126-143 . 9. Inomata K., Kobari F., Yochida-Norod?, Myohara М., Tochinai S. Possible neural control of asexually reproductive fragmentation in Enchytraeus japonensis (Oligochaeta, Annelida) // Invert. Repr. and Dev. 2000. Vol. 37, N 1. P. 35-42. 10. Lochhead G, Learner M. A. The effect of temperature on asexual population growth of three species of Naididae (Oligochaeta) // Hydrobiologia. 1983. Vol. 98. P. 107-112. 11. Loden M. Reproductive ecology of Naididae (Oligochaeta)// Hydrobiologia. 1981. Vol. 83. P. 115-123. 12. MyoharaM., Yochida-Noro C., Kobari'F., Tochinai S. Fragmenting oligochaete Enchytraeus japonensis'. A new material for regeneration study // Develop. Growth Differ. 1999. Vol. 41, N 5. P. 549-555. 13. Schierwater B„ Hauenschild C. A photoperiod determined life-cycle in an oligochaete worm // Biol. Bull. 1990a.Vol. 178. P. 111—117. 14. Schierwater B., Hauenschild C. The position and consequences of vegetative mode of reproduction in the life cycle of a hydromedusa and an oligochaete worm // Advances in Invertebrate Reproduction / Ed. by M. Hochi, O. Yamashita. Elsevier Science Publishers B. 1990b. Vol. 5. P. 37-42. 15. Smith М. E. Population and reproductive dynamics of Nais communis (Oligochaeta, Naididae) from a Wisconsin limnocrene // Proc. Biol. Soc. Washington, 1985. Vol. 98, N 2. P. 470-475.

Статья поступила в редакцию 17 нюня 2004 г.