Jeseter (Acipenser) představuje evoluční přechod od holoblastického k meroblastickému rýhování a unikátní způsob vývoje střeva

MSc. Mujahid Ali SHAH

Doctoral thesis

Sturgeon (Acipenser) represents the evolutionary transition from the holoblastic to meroblastic cleavage pattern and unique gut development

Abstract:

Rýhování embrya obratlovců je buď holoblastické (úplné), nebo meroblastické (částečné). Holoblastické rýhování je považováno za původní u obratlovců a vyskytuje se u obojživelníků, savců a chrupavčitých ryb. Meroblastické rýhování se v linii obratlovců vyvinulo pětkrát, včetně sliznatek, příčnoústých, latimérií, kostnatých ryb a amniot. Při holoblastickém rýhování (jako u embryí Xenopus laevis) přispívá každá blastomera k jedné ze zárodečných linií. Naopak při meroblastickém způsobu rýhování (jako u kostnatých a amniot - včetně ptáků a plazů) se na tvorbě zárodečných vrstev podílí pouze animální pól. K přechodu z holoblastického na meroblastický typ dochází obvykle zvětšením velikosti vajíčka ve srovnání se stavem ancestrální linie. Jeseteři (Acipenser) se vyvinuli asi před 200 miliony. Jejich jikry jsou významě větší než jikry X. laevis. Navzdory rozdílné velikosti si jejich embrya zachovávají téměř stejné vlastnosti jako embrya X. laevis. Nicméně vegetativní blastomery jeseterů jsou větší a dělí se pomaleji než u X. laevis. Byla vyslovena domněnka, že vegetativní blastomery jeseterů jsou extraembryonální jako žloutek kostnatých ryb (dánio pruhované) a žloutkové buňky bichirů - nejstarší divergentní žijící skupiny paprskoploutvích ryb, mihulí (Petromyzontidae) - zachovalé linie bezčelistnatých ryb a žáby - Eleutherodactylus coqui. Kromě toho byl dosud nedostatečně prozkoumán způsob vývoje střeva jeseterů a jeho evoluční konzervace. Nejprve jsme pro vývoj robustní techniky specifické inhibice blastomer embryí jeseterů použili polynenasycené aldehydy odvozené od rozsivek, 2, 4-dekadienal (DD; modelový aldehyd pro experimentální studie). Embryím jeseterů jsme aplikovali optimalizované množství DD (0,01 v/v) a následně je ozařovali viditelným světlem (91,15 - 44,86 W m2). Pozoruhodné je, že DD plus světlo, a nikoliv samotná injekce DD nebo ozáření světlem, mohou inhibovat rýhování. Kromě toho qPCR-tomografie odhalila, že lokalizace maternální mRNA zůstává u částečně se rýhujících embryích ve srovnání s normálními v ose animálního-vegetativního pólu konstantní. Druhá studie mapuje vývoj vegetativních blastomer jeseterů. Bylo zjištěno, že z těchto blastomer vznikají primordiální zárodečné buňky (PGC) a zbytek blastomer tvoří vegetativní žloutkové buňky. Histologie plastických řezů odhalila, že jádra vegetativních žloutkových buněk se během vývoje embryí výrazně zmenšovala. Inhibování vegetativních blastomér, RT-qPCR a pulz BrdU navíc odhalily, že žloutkové buňky se po MBT stávají transkripčně neaktivními. Naše výsledky zde naznačují, že meroblastické rýhování paprskoploutvích se vyvinulo fúzí vegetativních blastomer, což je paralelní s blízce příbuznou skupinou, např. kostlínů (Lepisosteidae), která se vyvinula přibližně před 57 miliony let. Nakonec jsme pokračovali ve sledování vývoje střeva jeseterů a jeho srovnání s dalšími taxony včetně holoblastických (X. laevis, bichir a myš) a meroblastických (kuře, kostlín a dánio) zástupců. K tomuto účelu jsme použili histologii, in-situ hybridizaci (HCR) a imunohistochemii. Zjistili jsme, že endodermální buňky jeseterů tvoří archenteron (primitivní střevo) jako u žab a bichirů. Tyto buňky však pokračovaly v lateroventrální proliferaci, aby obklopily obrovské množství žloutkové hmoty a daly vzniknout "žloutku uvnitř střeva". Mezidruhové srovnání ukázalo, že jeseteři si během evoluce obratlovců zachovali jedinečný způsob vývoje střeva. Závěrem lze říci, že naše současná zjištění naznačují, že vývoj embrya jeseterů představuje odlišný přechod od holoblastického k meroblastickému šrýhovaní a také odlišný archaický způs

Abstract:

A vertebrate embryo's cleavage pattern is either holoblastic (complete) or meroblastic (partial). Holoblastic cleavage is thought to be ancestral to vertebrates and is most likely to occur in amphibians, mammals, and chondrosteans. Meroblastic cleavage has evolved five times in vertebrate lineages, including hagfish, elasmobranchs, coelacanths, teleosts, and amniotes. In holoblastic cleavage (as in Xenopus laevis embryos), all blastomeres contribute to one of the germ layers. On the contrary, in meroblastic cleavage pattern (as in teleosts and amniotes-including birds and reptiles), only the animal pole contributes the formation of the germ layers. The transition from holoblastic to meroblastic is usually occurred by an increase in egg size in comparison to the lineage's ancestral state. Sturgeons evolved about 200 million years ago (mya). Their eggs are significantly larger than that of X. laevis. Despite the variation in sizes, their embryos retain nearly characteristics the same as that of X. laevis. Nevertheless, vegetal blastomeres of sturgeons are bigger and divide slower than that of X. laevis. It was speculated that vegetal blastomeres of sturgeon are extraembryonic as in yolk of teleost (zebrafish) and Yolk cells of (YCs) of bichir-earliest diverged living group of actinopterygian fishes, agnathan lampreys (Petromyzontidae)-an extant lineage of jawless fishes and an Eleutherodactylus coqui (direct developing frog). Furthermore, the gut development pattern of sturgeon (Acipenser) and its evolutionary conservation was poorly understood so far. First, we developed the robust technique for specific blastomeres inhibition of sturgeon embryos using diatoms-derived polyunsaturated aldehydes, 2, 4-Decadienal (DD; a model aldehyde for experimental studies). The sturgeon's embryos were injected with optimal DD percentage (0.01 v/v) and subsequently irradiating them by visible light (91.15 - 44.86 W m2). Notably, DD plus light, and not DD injection or light irradiation alone can inhibit cleavage. Furthermore, qPCR-tomography revealed that localized pattern of maternal mRNA remained constant through animal-vegetal axis in partially cleaved embryos when compared to normal. Second, fate-mapping of sturgeon vegetal blastomeres revealed that these blastomeres gave rise to primordial germ cells (PGCs), and the rest of the descendants were vegetal yolk cells. Plastic section histology showed that the nuclei of vegetal yolky cells sharply declined as embryos developed. In addition, inhibition of vegetal blastomeres, RT-qPCR and BrdU pulse revealed that yolk cells become transcriptionally inactive after mid-blastula transition. Here, our results suggested that the meroblastic cleavage in actinopterygian lineage had evolved by the fusion of vegetal blastomeres, which is parallel to the closely related group, e.g., gar (Lepisosteidae), that evolved at approximately 57 mya. Lastly, we continued the observation of sturgeon gut development and its comparison with other taxa including holoblastic (X. laevis, bichir, and mice) and meroblastic (chicks, gars, and zebrafish) representatives. For this purpose, we used histology, in-situ hybridization (HCR), and Immunohistochemistry. We found that sturgeon's endodermal cells formed the Archenteron (primitive gut) as frog and bichir. However, these cells continued to proliferate lateroventrally to encompass a massive amount of yolk mass to give rise "yolk inside the gut." Cross-species comparison revealed that sturgeon retained a unique mode of gut developmental pattern during vertebrate evolution. In conclusion, our current findings suggest that sturgeon embryo development represents a distinct transition from holoblastic to meroblastic cleavage, as well as a distinct archaic mode of gut-endoderm development.

Abstract:

ob vývoje střevního endodermu.

Keywords

Holoblastické rýhování, meroblastické rýhování, evoluce obratlovců, inhibice rýhování, lokalizace RNA, fate-mapping, vegetativní blastomery, extraembryonální výživa, Vývoj střevního endodermu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 8. 2022

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Martin Pšenička, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery