Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Torben Stemme

The chemical architecture of the nervous system as a

character complex of arthropod phylogeny

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-108583

title (ger.)

 Die chemische Architektur des Nervensystems als Merkmalskomplex der Arthropoda-Phylogenie

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/stemmet_ss16.pdf

abstract (deutsch)

 Die phylogenetischen Beziehungen der Arthropoda werden seit über einem Jahrhundert kontrovers diskutiert. Obwohl eine nahe Verwandtschaft von Crustacea und Hexapoda, bezeichnet als Tetraconata, weitestgehend akzeptiert wird, sind ihre internen Verwandtschaftsbeziehungen noch immer ungelöst. Eine der umstrittensten Fragen ist die Schwesterngruppe der Crustacea zu den Hexapoda. Aufgrund zahlreicher oft widersprüchlicher Hypothesen sind unabhängige Daten unverzichtbar, um neue Einblicke in die Tetraconata- und Arthropoda-Phylogenie zu erlangen. Die Untersuchung der Struktur und Entwicklung von Nervensystemen mit Fokus auf deren Evolution hat zunehmend Beachtung erhalten und eine beeindruckende Zahl neuroanatomischer Studien wurde in den letzten Jahrzehnten hervorgebracht. Allerdings ist unser Wissen bezüglich des Nervensystems bestimmter Schlüsseltaxa, wie dem Crustacea-Taxon Remipedia und basaler Insekten, immer noch begrenzt.

In der vorliegenden Arbeit habe ich mich auf zwei Aspekte des Tetraconata-Nervensystems als mögliche phylogenetische Merkmale konzentriert. Im ersten Teil habe ich die Neuroanatomie des Gehirns der Remipedia, speziell das olfaktorische System untersucht. Neuronale Verschaltungen sowie Neuropil-Morphologie wurden mithilfe von Antisera gegen acetyliertes alpha-Tubulin und Synapsin erforscht. Zur detaillierten Beschreibung des olfaktorischen Systems habe ich sowohl eine Immunmarkierung der katalytischen Untereinheit der cAMP-abhängigen Proteinkinase A (DC0) und der Glutamat-Decarboxylase (GAD), als auch DiI-Markierungen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden durch eine ähnliche Studie an zwei Arten mariner Isopoda ergänzt. Im zweiten Teil habe ich die Verteilung individuell identifizierbarer Neurone und deren Neuriten-Morphologie in der ventralen Nervenkette der basalen Insektengruppen Archaeognatha und Zygentoma mit einem Antikörper gegen Serotonin beschrieben. Das Standardprotokoll wurde ergänzt durch Immunmarkierung der Tryptophanhydroxylase und Präinkubations-Experimente mit dem Serotonin-Vorläufer 5-Hydroxy-L-Tryptophan und Serotonin. Die Präinkubations-Experimente ermöglichten die Unterscheidung zwischen neuronaler Serotonin-Aufnahme und enzymatischer Serotonin-Synthese.

Die Hirnanatomie der Remipedia, besonders aber die des olfaktorischen Systems, ähnelt der von Malacostraca und Hexapoda. Dies umfasst die Konnektivität der beiden unpaaren medialen Mittellinien-Neuropile (Protocerebrale Brücke und Zentralkörper) durch vier Trakte, welche als W-, X-, Y-, Z-Trakte bezeichnet werden. Eine auffällige Kreuzung der olfaktorischen globularen Trakte, welche die Axone der olfaktorischen Projektionsneurone enthalten, ist wahrscheinlich als eine Synapomorphie der Remipedia und Malacostraca zu betrachten. Das Vorhandensein einer GABAergen Rückkopplungsschleife im lateralen Protocerebrum vereint Remipedia und Hexapoda. Allerdings sind die meisten strukturellen Ähnlichkeiten des olfaktorischen Systems als plesiomorphe Merkmale in Tetraconata oder sogar Mandibulata zu interpretieren, welche der Überprüfung durch die Untersuchung weiterer Taxa bedürfen. Das Muster von Serotonin enthaltenden Neuronen in basalen Insekten, speziell das Vorhandensein individuell identifizierbarer Zellen in medialer Position, lässt eine nahe Verwandtschaft von Remipedia, Cephalocarida und Hexapoda vermuten. Allerdings sind Daten bezüglich der ontogenetischen Abstammung dieser Zellen und von Außengruppen der Tetraconata eher gering, was detaillierte phylogenetische Schlussfolgerungen erschwert. Die neuroanatomischen Daten dieser Arbeit liefern neuartige Merkmale für phylogenetische Analysen und unterstützen eine wachsende Anzahl von Studien, welche Remipedia als ein abgeleitetes Crustacea-Taxon mit einer potentiellen Verwandtschaft zu den Hexapoda einstufen. 

 

abstract (englisch)

The phylogenetic relationships within the Arthropoda are a matter of debate for more than a century. Although the close relationship of Crustacea and Hexapoda, termed Tetraconata, is now widely accepted, their internal affinities remain unresolved. One of the most controversial issues is the crustacean sister group to the Hexapoda. Because of numerous often conflicting hypotheses independent data are crucial to contribute new insights to tetraconate and arthropod phylogeny. The investigation of the structure and development of nervous systems with an evolutionary emphasis has gained increasing attention and an impressive amount of neurophylogenetic studies has emerged over the last decades. However, our knowledge of the nervous system in certain key taxa like the crustacean Remipedia and basal insects is still limited.

In this thesis, I focused on two aspects of the tetraconate nervous system as phylogenetic characters. In the first part, I explored the neuroanatomy of the remipede brain and in particular the olfactory pathway. Neurite connectivity and neuropil outlines were investigated using antisera against acetylated alpha-tubulin and synapsin. I applied immunolabeling of the catalytic subunit of the cAMP-dependent protein kinase (DC0) and the glutamic acid decarboxylase (GAD), as well as DiI labeling. The results were supplemented by a similar study in two species of marine Isopoda. In the second part, I described the distribution of individually identifiable neurons and their neurite morphology in the ventral nerve cord of the basal insect taxa Archaeognatha and Zygentoma with an antibody against serotonin. This standard protocol was complemented by immunolabeling of tryptophan hydroxylase and preincubation experiments with the serotonin precursor 5-hydroxy-L-tryptophan and serotonin. The preincubation experiments allowed the distinction between neuronal serotonin uptake and enzymatic serotonin synthesis.

The brain anatomy of Remipedia, especially in the olfactory pathway, resembles that of Malacostraca and Hexapoda. This comprises the connectivity of the two unpaired medial midline neuropils (protocerebral bridge and central body) by four tracts termed W-, X-, Y-, Z-tracts. A conspicuous chiasm of the olfactory globular tracts, which house the axons of olfactory projection neurons, is a synapomorphy of Remipedia and Malacostraca. The presence of a GABAergic interneuronal feedback loop in the lateral protocerebrum unites Remipedia and Hexapoda. However, most of the structural similarities in the olfactory pathway have to be interpreted as plesiomorphic features of Tetraconata or even Mandibulata requiring verification by denser taxon sampling. The pattern of serotonin containing neurons in basal insects, in particular the presence of medially positioned individually identifiable cells, suggests a close relationship of Remipedia, Cephalocarida, and Hexapoda. However, data on developmental origins of these cells and tetraconate outgroup taxa are rather sparse, hindering detailed phylogenetic conclusions. The neuroanatomical data on adult animals of this thesis provide novel characters for evolutionary analyses and support a growing corpus of studies proposing Remipedia as a derived crustacean taxon with a potential phylogenetic affinity to Hexapoda.

 

keywords

Neurophylogenie, olfaktorisches System, serotonerge Neurone / neurophylogeny, olfactory pathway, serotonergic neurons

kb

10.877