Bauchhärling Chaetonotus maximus in postparthenogenetischer Phase

[Michael]

Hallo in die Runde,

der folgende Beitrag ist eine ,,Zweitveröffentlichung" aus dem Mikro-Tümpler-Forum. Angeregt durch dem schönen Beitrag von Michel Plewka https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=26986.0 habe ich diesen Beitrag um einen Abschnitt ergänzt, in dem ich mich mit der Artbestimmung von Gastrotrichen beschäftige.

Ich möchte Euch den Gastrotrichen Chaetonotus maximus in seiner Lebensphase als Zwitter (postparthenogenetische Phase - ppP) vorstellen.

Über ein Jahrhundert lang ging man davon aus, dass bei Süßwasser-Gastrotrichen nur Weibchen vorkommen, die sich parthenogenetisch fortpflanzen. Erst Mitte der 80ger Jahre häuften sich Berichte von Spermabeobachtungen in diesen Tieren und man erkannte, dass sich Süßwasser-Gastrotrichen nach einer parthenogenetischen Phase in zwittrige Tiere umwandeln. Dieser Fortpflanzungsmechanismus gibt immer noch Rätsel auf, obwohl Sperma inzwischen in nahezu allen Süßwasser-Gastrotrichen nachgewiesen werden konnte. Meine Ausführungen basieren aus den Veröffentlichungen von M. R. Hummon [1-3], die sich mit der zellulären Entwicklung der ppP beschäftigen und von M. J. Weiss [4].
Vor einiger Zeit hatte ich das Glück, einen Ch. maximus in dieser Phase beobachten zu können.


Bild 1: Ch. maximus; oben in vivo, Stack aus zwei Schärfeebenen; unten gefärbt mit Methyl-Grün; PL40
Sp: Spermapakete; X: X-Organ; Ez: Eizelle; rb: Restkörper (residual body)

Da Gastrotrichen zellkonstante Lebewesen sind, war es eine Überaschung, dass sich im Laufe ihres Lebens neue Organe bilden konnten, Das Ovar von Süßwasser-Gastrotrichen besteht bereits beim Schlüpfen des Tieres aus beidseitig je 8 Zellen, aus denen sich dann die Eier entwickeln. Nach der Ablage von 4 Eiern beginnen sich einige der posterioren Zellen der verbleiben sechs Zellen zu teilen und formen beiderseits eine Zyste, in die sie ein Sekret unbekannter Funktion abgeben. Diese beiden kugelförmigen Gebilde werden X-Organ genannt, dessen Funktion bei der Fortpflanzung wohl immer noch unbekannt ist. Im unteren Teilbild von Bild 1 ist gut zu erkennen, dass sich keine Zellkerne im inneren des X-Organs befinden. Lediglich randständige Kerne sind vorhanden.
Gleichzeitig werden beidseitig des Darms in der Körpermitte Spermapakete in Zysten gebildet, die aus max. 16 Spermatozoen bestehen. Das linke Spermapaket in Bild 1 besteht – nach meiner Zählung – bereits aus 8 einzelnen, fadenförmigen Spermatozoen. Ich nehme deshalb an, dass noch eine Teilung aussteht. Das rechte Spermapaket ist bereits freigesetzt und liegt etwas dorsal zu der ursprünglichen Zystenposition. Die leere Zyste verbleibt als ein Restkörper (residual body) im Gewebe und löst sich später auf.
Die einzelnen fadenförmigen Spermatozoen haben eine Größe von ca. 6,5µ x 0,5µ und sind, wie die Kernfärbung nachweist, vollständig mit Kernmaterial gefüllt. Sie sind unbeweglich und es konnten keine Organe zur Fortbewegung gefunden werden. Deshalb ist es noch unbekannt, wie sie an einen Fortpflanzungspartner weitergegeben werden können. Eine Selbstbefruchtung findet, wie in Kulturexperimenten nachgewiesen, nicht statt.
Gleichzeitig mit den Spermapaketen reifen weitere Eizellen aus, die wohl von einem Partner befruchtet werden müssen. Gastrotrichen in dieser Lebensphase sind also wohl echt Zwitter.

Die Artbestimmung bei Gastrotrichen ist immer recht problematisch, da innerhalb der Arten meist eine große Variabilität existiert. Auf dieses Problem bin ich auch bei dem oben vorgestellten Exemplar gestoßen:


Bild 2: Ch. maximus in vivo; oben dorsal, unten ventral

In der dorsalen Ansicht erkennt man die typische Bestachelung des Rücken des Tieres. An Kopf und Hals sind die Stacheln aber reduziert oder ganz verschwunden. Dies entspricht nicht der Artbeschreibung von Ch. maximus bei Schwank [5].
Es existieren nur sehr wenige Chaetonotusarten, die eine so unterschiedliche Ausbildung der Stacheln zeigen (Sektion Heterospinosus), von denen aus unterschiedlichen Gründen keine Art in Frage kommt. Die Beobachtung der Schuppen des ventralen Zwischenfeldes (vZw) ist meist sehr schwer und gelang mir nicht (Bild 2, unten). Lediglich die Terminalplatten konnten erahnt werden. Auffallend war, dass die Zilienbänder sich, wie für Ch. maximus typisch, am Kopf verbreitern (oder verzweigen?). Eine zuverlässige Artzuschreibung war nur durch eine genaue Schuppenanalyse möglich.
Die folgenden Bilder sind aus den Ergebnissen von drei Individuen der selben Art entstanden, bei denen ich die Schuppen wie in https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=26302.0 gezeigt, abgelöst und gefärbt habe.


Bild 3: Ch. maximus Schuppenpräparate
Sp: Querspangen; TP: Terminalplatte; SS: Sinnesschuppe

Bei einem Exemplar gelang es, die Beschuppung des vZw einigermaßen ungestört zu erhalten (Bild 3, oben). So konnten die für Ch. maximus typischen 9 Querspangen beim Kopf dargestellt werden. Ebenso arttypisch sind die großen Terminalplatten, die runden, kurzbestachelten Zwischenschuppen und die Sinnesschuppen. Bilder 3, unten zeigen die dorsalen Rückenschuppen, deren Form ebenfalls Ch. maximus entspricht.
Alle bei Schwank aufgeführten Artmerkmale – mit Ausnahme der Hals- und Kopfstacheln – sind also erfüllt. Deshalb halte ich die vorliegenden Tiere für Ch. maximus.

Ein Hinweis auf die große Variabilität von Ch. maximus findet sich auch bei Schwank:

"Die genaue Variabilitätsbreite dieser variablen und häufigen Art ist noch unbekannt. Es werden laufend neue, +/- abweichende Sonderformen gefunden, vor allem Mischformen zu den Serien laroides und similis/heterospinosus, was die Artabgrenzungen weiter erschwert (eigene Funde)."

Ich glaube, dass eine Artbestimmung im Amateurbereich bei Gastrotrichen immer mit einer mehr oder weniger begründeten Vermutung enden muss. Endgültige Gewissheit ist wohl den erfahrenen Profis vorbehalten.


Viel Spaß beim Lesen

Michael



Literatur:

[1] Margaret R. Hummon: Reproduction and sexual development in a freshwater gastrotrich.
1. Oogenesis of parthenogenic eggs (Gastrotricha), Zoomorphology (1984) 104:33-41, Download

[2] Margaret R. Hummon: Reproduction and sexual development in a freshwater gastrotrich.
2. Kinetics and fine structure of postparthenogenic sperm formation, Cell Tissue Res (1984) 236:619-628, Download

[3] Margaret R. Hummon: Reproduction and sexual development in a freshwater gastrotrich.
3. Postparthenogenic development of primary oocytes and the X-body, Cell Tissue Res (1984) 236:629-636, Download

[4] Mitchell J. Weiss: Widespread hermaphroditism in freshwater gastrotrichs, Invertebrate Biology 120(4): 308-341, Download

[5] Schwank, P. (1990) Gastrotricha. In: Schwoerbel, J. & Zwick, P. (eds), Süsswasserfauna von Mitteleuropa, Band 3. Gastrotricha und Nemertini. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, Jena, New York

[JB]

Hallo Michael,

Tolle Dokumentation, sehr interessant.

Um die Arten abzugrenzen muesste man sich wohl richtig dahinter klemmen. Reinkulturen anlegen um die Variabilitaet zu untersuchen. Morphologische Typen in Alkohol sammeln und die rDNA sequenzieren.

Beste Gruesse,

Jon

[Michael]

Hallo Jon,
schön, dass mein Beitrag für Dich interessant war.

Ich fürchte, mit Reinkulturen käme man nicht weiter. Gastrotrichen-Kulturen basieren immer auf dem enormen Populationszuwachs der Tiere in der parthenogenetischen Phase (ca. 50% pro Tag). Die Tiere sind dann aber immer ein Klon des Muttertiers und zeigen praktisch keine Variabilität. Gegenseitige Befruchtung wurde in Kulturen bisher nicht beobachtet. Die Variationsbreite bezieht sich auf unterschiedliche Populationen. Hier könnte nur die "Schwarmintelligenz" innerhalb eines Forums wie diesem weiterhelfen, indem Tiere aus vielen unterschiedlichen Habitaten vergleicht.

Ein schönes Wochenende

Michael

[Michael Plewka]

hallo Michael,

vielen Dank für diesen tollen Beitrag. Da steckt bestimmt viel Arbeit drin. Respekt!
Vielen Dank auch für die weiterführenden Literaturtips! Hab sie mir gleich mal runtergeladen.
Nach oberflächlichem Studium dieser Literatur kann man dich nur zu den von dir gemachten Beobachtungen beglückwünschen; sie decken sich ja mit den Beobachtungen aus der Literatur.
Der Vollständigkeit halber füge ich hier noch den link zu Ole Riemanns Beitrag ein, der sich ebenfalls mit demThema beschäftigt:
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=24340.0
Als jemand, der sich schwerpunktmäßig für Rädertiere interessiert, liegen natürlich Parallelen nahe; die Bedeutung der fakultativen Parthenogenese der monogononten Rädertiere liegt ja ebenso wie beispielsweise bei den Copepoden in der schnellen Vermehrungsrate, ohne auf einen Fortpflanzungspartner angewiesen zu sein, während die sexuelle Phase mit einem ,,miktischen Stimulus" startet, von dem man vermutet, dass dieser durch (schlechter werdende) Umweltbedingungen ausgelöst wird.  Die Folge sind befruchtete Dauereier, die sich in Form und Funktion von den parthenogenetisch erzeugten deutlich unterscheiden.

Etwas ähnliches könnte man sich bei den Gastrotrichen ebenfalls vorstellen. Allerdings ist mir nicht klar, wie man bei Gastrtrichen Dauereier von parthenogenetisch erzeugten unterscheidet. Unterscheiden sich die Eiformen (parthenogenetisch erzeugt- befruchtet) morphologisch? Laut Hummon wurden ,,resting eggs" gefunden. Woher weiß man, dass/ ob diese befruchtet sind?
Wie sieht es mit einem miktischen Stimulus aus? Aus den Ausführungen von Hummon habe ich den Eindruck gewonnen, dass die Kulturbedingungen weitgehend konstant gehalten wurden. Ein miktischer Stimulus würde dann fehlen. Vielleicht könnte das ein Grund dafür sein, dass die weitere Entwicklung der Spermien bzw. die Befruchtung der Eizellen nicht  beobachtet werden konnte?
Ich weiß nicht, wie schwer oder leicht es ist, Gastrotrichen in Kultur zu nehmen, aber bestimmt wäre es lohnenswert, mit veränderbaren Kulturbedingungen zu experimentieren.

Beste Grüße
Michael Plewka

[Michael]

Hallo Michael,
vielen Dank für Deine lobenden Worte - sowas ist immer ein Ansporn für weitere Untersuchungen.
Die Beschäftigung mit diesem Thema hat einige Zeit gekostet, auch wenn ich für mein Hobby den Ausdruck "Arbeit" vermeiden würde. Vielen Dank auch für den Link auf Oles schönen Beitrag, der erstmals meine Aufmerksamkeit für dieses Thema geweckt hatte. Ohne ihn hätte ich sicherlich nicht erkannt, ob sich ein Tier in der postparthenogenetischen Phase befindet.

Die Fortpflanzungsbiologie bei Gastrotrichen ist wohl einzigartig. Meines Kenntnisstandes (der sicherlich einige Jahre hinter dem aktuellen Stand hinterherhinkt) nach stellen sich die Verhältnisse folgendermaßen dar:
Beim Schlüpfen der Jungtiere sind die ersten Eier bereits angelegt und innerhalb eines Tages wird das erste parthenogenetische Ei abgelegt. Im Abstand von ca. einem Tage werden insgesamt 3 tachyblastische (sich sofort entwickelnde) Eier abgelegt, aus denen dann nach ebenfalls etwa einen Tag die Jungtiere schlüpfen. Dadurch kommt es zu einer explosionsartigen Populationsentwicklung (ca. 50% Zuwachs pro Tag). Das letzte (vierte) parthenogenetsche Ei ist dann meist ein Dauerei (opsiblastisch), dass sich morphologisch von den tachyblastischen Eiern durch Größe und einer dickeren Schale unterscheidet. Die Dauereier überstehen Austrocknung und extreme Temperaturen, so dass das Überleben der Art auch unter ungünstigen Bedingungen gewährleistet ist.
Die bis jetzt überlebenden Tieren (der Prozentsatz ist wohl nicht sonderlich groß, wenn man bedenkt, dass sie Eiablage durch "Aufreißen" des Tieres erfolgt) entwickeln sich innerhalb ca. einer Woche zu Zwittern. Die weitere Einentwicklung / Befruchtung ist bis jetzt noch nicht geklärt. Es wurde vereinzelt eine weitere Eiart beobachtet ("plaquebearing eggs"), die sich von den anderen morphologisch unterscheidet und von denen man annimmt, dass es sich um befruchtete Eier handelt.
In Kulturen wurde eine Befruchtung der Eier nicht beobachtet, obwohl sich postparthenogenetische Tiere hier ebenfalls entwickelten. Unbefruchtete postparthenogenetische Eier wurden zu Teil abgelegt, es entwickelten sich aber keine lebensfähigen Tiere aus ihnen. Ob ein Stimulus zur Befruchtung fehlt oder sich nur Tiere mit unterschiedliche genetischen Ausprägung gegenseitig befruchten, scheint ungeklärt. Ebenso ungeklärt ist, wie die unbeweglichen Spermien in den Fortpflanzungspartner gelangen sollen (es wurden "exotische" Mechanismen wie Kannibalismus vorgeschlagen).

Viele Grüße

Michael

[Michael Plewka]

hallo Michael,

Vielen Dank für deine Antwort.
Du hast dich ja  sehr intensiv mit der Fortpflanzung der Gastrotrichen beschäftigt. Dennoch ist mir  -trotz deiner ausführlichen Antwort- eines noch nicht ganz klar:


Wie gesagt: gedanklich von den Rädertieren herkommend, sind bei diesen die Dauereier das Produkt der Verschmelzung zweier haploider Geschlechtszellen.  Um es ganz deutlich herauszustellen  (weil in diesem Forum schon einmal etwas anderes behauptet worden ist): die Dauereier selbst eines Klons von   demzufolge genetisch identischen Tieren sind genetisch von ihren Eltern unterschiedlich. Theoretisch können deshalb sogar bei Selbstbefruchtung innerhalb eines Organismus Nachkommen entstehen, die sich genetisch und/ oder  phänotypisch sowohl untereinander als auch vom Elternteil unterscheiden.
Aus evolutionsbiologischer Sicht ,,macht das Sinn", d.h. die genetische Variabilität der so entstehenden Dauereier/ Organismen  erhöht die ,,Fitness" des Klons bei sich ändernden Umweltbedingungen, da die Wahrscheinlichkeit der Anpassungsmöglichkeiten steigt.

Sollte dieses bei den Gastrotrichen anders sein, d.h. wären sowohl die opsiblastischen als auch die tachyblastischen Eier  durch rein mitotische Teilung entstanden, so wären sie genetisch identisch mit ihrem Elternteil. Ihre evolutionsbiologische Fitness wäre gleich, d.h. es gibt keine Möglichkeit der Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen auf diesem Weg.

Für mich ist das schlecht vorstellbar.

Alternativ wäre eine Selbstbefruchtung nach vorheriger Meiose  denkbar mit den entsprechenden Konsequenzen: genetisch variable (Dauer)eier, die sich von genotypisch dem Elter unterscheiden; somit wäre der Phänotyp variabel und die Chance des Überlebens bei sich ändernden Umweltbedingungen wäre höher als bei Parthenogenese.

Somit stellt sich für mich die konkrete Frage:
Wie hat man geprüft, dass  die opsiblastischen Eier durch Mitose und nicht durch Selbstbefruchtung entstanden sind?
Vielleicht weißt Du ja dazu etwas......


beste Grüße
Michael Plewka

[Michael]

Hallo Michael,

die Fragen, die Du ansprichst, werden ausführlich in

Hummon,M.R. 1986. Reproduction and sexual development in a fresh-water gastrotrich. 4. Life history traits and the possibility of sexual reproduction. Trans. Am. Microsc. Soc. 105: 97-109 (Download)

diskutiert. Hier werden auch die Unterschiede zu monogonaten Rädertiere beleuchtet.  Für alle, die hier mitlesen und sich das englischsprachige Paper nicht antun wollen, fasse ich es gerne zusammen:
Die parthenogenetischen Eier sind bei Gastrotrichen bereits im Embryo angelegt und reifen nach dem Schlüpfen lediglich aus. Eine Teilung wird im geschlüpften Tier nicht beobachtet. Über Markeruntersuchungen kann eine Meiose in der parthenogenetischen Phase ausgeschlossen werden. Diese tritt erst beim Umbau zum Zwitter in der postparthenogenetischen Phase (ppP) auf. Die Dauereier sind rein apomiktisch. Die daraus entstehenden Tiere sind Klone des Muttertieres.
Erst in der ppP werden Eier produziert, die wohl eine Fremdbefruchtung zur Entwicklung benötigen. Hier liegt der Schlüssel zur genetischen Anpassung an die Umweltbedingungen.

Entscheidend scheint mir, dass wegen der geringen Lebensdauer der Gastrotrichen (ca. einen Monat) in jeder Population gleichzeitig alle drei Eiertypen vorliegen. So kann sowohl parthenogenetisch durch Dauereier und tachyblastische Eier schnell auf z.B. ein Austrocknen des Lebensraumes reagiert werden und die Population wieder aufgebaut werden als auch durch die befruchteten Eier eine genetische Anpassung erfolgen.

Dass durch Selbstbefruchtung eine genetische Differenzierung erfolgen kann, war mir neu. Könntest Du zu diesem Mechanismus ein paar Worte erklären oder mir eine Quelle zum Nachlesen nennen?

Danke,

Michael

[Michael Plewka]

hallo Michael,

vielen Dank für deine Ausführungen.
Ich werde mir das Paper nochmal in Ruhe ansehen....
Zu deiner Frage:
Das ergibt sich ganz einfach aus der Anwendung der 3 klass. Vererbungsregeln von MENDEL.

Gegeben sei ein hypothetischer diploider Organismus, der 3 Chromosomenpaare in jeder Körperzelle besitze. In dem unten stehende Schema ist das der Zellkern in der Mitte.
In den Keimdrüsen, egal ob Hoden oder Eierstock, findet durch Meiose eine zufällige Verteilung dieser 6 Chromosomen auf die Keimzellen statt  (wobei natürlich die homologen Chromosomenpaare auf die Tochterzellen verteilt werden). Folglich können 2hoch3 = 8 genetisch unterschiedliche Keimzellen mit je 3 Chromosomen entstehen,  von denen sich zwei wiederum durch Befruchtung zu einer Zygote zusammenschließen.




Beispiel:

1.Nehmen wir an, das rote Chromosomenpaar enthält ein Gen für einen Abwehrstoff, das Allel für den Abwehrstoff sei rezessiv (das rezessive Allel sei das rot durchscheinende).

2.Nehmen wir an, das grüne Chromosomenpaar enthält ein Gen für den Nahrungserwerb, das Allel für Pflanzenfresser (grün massiv) und das Allel für die möglichkeit der Verdauung tierischer Kost (grün durchscheinend) seien intermediär zueinander, der heterozygote Genotyp sei dann Allesfresser.

2.Nehmen wir an, das blaue  Chromosomenpaar enthält ein Gen für Stacheln bzw. deren Länge, welches entsprechend dominant-rezessiv vererbt werde.

Der Elter  demzufolge hätte keinen Abwehrstoff, wäre Allesfresser und bestachelt.

Ein Nachkomme aus der Kombination der Keimzellen (2) und (4 ) könnte einen Abwehrstoff produzieren, wäre Pflanzenfresser  und unbestachelt.
Ein Nachkomme aus der Kombination der Keimzellen (6) und (6 ) könnte keinen Abwehrstoff produzieren, wäre Pflanzenfresser  und bestachelt.
usw.

D.h. es besteht eine sehr große Wahrscheinlichkeit, dass die Nachkommen andere Eigenschaften als der eine Elter aufweisen.

beste Grüße
Michael Plewka

[Michael]

Hallo Michael,

besten Dank für Deine anschaulichen Erklärungen - das konnte sogar ein Physiker verstehen!

Etwas schlauere Grüße

Michael

[JB]

Hallo,

Weil wir schon dabei sind  , gibt es neben

• Schwank, P. (1990) Gastrotricha. In: Schwoerbel, J. & Zwick, P. (eds), Süsswasserfauna von Mitteleuropa, Band 3. Gastrotricha und Nemertini.

noch weitere, empfehlenswerte Bestimmungsliteratur fuer die Gastrotichen-Arten des Suesswassers?

Beste Gruesse,

Jon

[Michael]

Hallo Jon,

leider kenne ich keine weitere, neuere Bestimmungsliteratur als den Schwank. Natürlich werden laufend neu Arten beschrieben und auch Neubeschreibungen älterer Arten veröffentlicht, aber zur Bestimmung ist der Schwank unentbehrlich.
Da das Buch seit Jahren bestenfalls noch antiquarisch erhältlich ist, kann man es sich wohl bestenfalls per Fernleihe ausleihen und sich für eigene wissenschaftliche Zwecke eine (PDF-) Kopie machen.

Ein schönes Wochenende

Michael