Katja Kümmerlen

• The detection and discrimination of chemical signals are fundamental across the animal kingdom, and chemical senses like olfaction, gustation and chemoreception are key mechanisms for processing these cues. Although the olfactory sense organs and their associated neurons exhibit morphological variation, certain patterns are indicative of arthropod olfactory systems. Olfactory sensory neurons are associated with specialized sensory organs, the sensilla, and project their axons into the brain, where they form synapse-dense regions with inter- and projection neurons, called olfactory glomeruli due to their spherical shape. A notable feature of olfactory systems is the convergence of numerous olfactory sensory neurons onto fewer inter- and projection neurons, forming a smaller number of olfactory glomeruli. These connectivity patterns of cells with the same function point towards homology. However, differences in the olfactory pathway exist across pancrustacean groups. Insects evolved from a crustacean-like ancestor and with malacostracan crustaceans form the group of Pancrustacea. Insect olfactory systems have apomorphies like metabotropic receptor molecules in the olfactory sensory neurons in addition to the more ancient ionotropic receptor molecules, as well as differences in the number and connectivity of the involved cells and glomeruli. Within Pancrustacea, the olfactory systems of insects are well-studied, particularly Drosophila species. Therefore, analysing the olfactory system of malacostracan crustaceans and comparing it to the olfactory system of insects offers a multitude of insights into patterns of convergence, divergence, and the evolution of olfactory systems. The most detailed analysis of an olfactory system of malacostracan crustaceans comes from the group of Decapoda (“ten-footed” crustaceans), whereas comparatively little data is available for peracarid crustaceans (“crustaceans with a pouch” for offspring development). In addition to being an understudied crustacean group, peracarid crustaceans are likely closer to the stem line than the highly derived Decapoda. The similar body size of Peracarid and Hexapoda makes their olfactory systems more comparable, as they are likely to be faced with similar energy constrains, a selective pressure on neural tissue. Therefore, two members of Peracarida were analysed in this thesis: the amphipod Parhyale hawaiensis, and the mysid Neomysis interger. Within this thesis, a high level of neurochemical diversity was demonstrated in the olfactory pathway of both species. Contrary to decapods or insects, peracarid crustaceans develop without a larval stage. For P. hawaiensis, the morphology of the olfactory pathway and the neurotransmitter pattern in hatchlings mirrored the morphology of adults, indicating that the complexity of the olfactory system is established early in ontogeny and reflects their environment. In N. integer, a sexual dimorphism in the olfactory pathway was observed in the presence of male and female-specific sensilla and the male-specific neuropil. Within both species, morphological variability was observed for the spherical olfactory glomeruli, and an extensive analysis of the olfactory pathway of P. hawaiensis showed high variability in the morphology and the number of cells and glomeruli of the olfactory pathway, indicating a so-called distributed olfactory coding. It can be hypothesised that a more distributed olfactory coding was found in the common pancrustacean ancestors and insect species like Drosophila melanogaster developed a highly derived stereotyped one-to-one olfactory coding.
• Die Detektion und Differenzierung chemischer Signale ist im gesamten Tierreich eine fundamentale Fähigkeit. Chemosensorische Systeme – insbesondere Geruchssinn, Geschmackssinn und allgemeine Chemorezeption – sind essenzielle Mechanismen zur Verarbeitung solcher Umweltreize. Trotz der morphologischen Diversität olfaktorischer Sinnesorgane und der zugehörigen sensorischen Nervenzellen (Neuronen) zeigen sich in der Organisation des Geruchssinns bei Arthropoden konservierte Muster. Olfaktorische sensorische Neuronen (OSNs) sind mit spezialisierten Sinnesstrukturen, den Sensillen, assoziiert und projizieren ihre Axone in das zentrale Nervensystem. Dort bilden sie synapsenreiche Areale, sogenannte Glomeruli („olfactory glomeruli“), in denen sie synaptisch mit Interneuronen und Projektionsneuronen verschaltet sind. Ein charakteristisches Merkmal olfaktorischer Verschaltung bei Arthropoden ist die Konvergenz vieler OSNs auf eine kleinere Anzahl von Interneuronen und Projektionsneuronen, und eine noch kleinere Anzahl Glomeruli. Diese Muster an Konnektivität von Zellen mit der gleichen Funktion deutet auf eine Homologie hin. Innerhalb der Pancrustacea, zu denen Insekten und Krebstiere gehören, zeigen sich jedoch divergente Merkmale in der olfaktorischen Organisation. Insekten, die sich aus einem krebsähnlichen Vorfahren ableiteten, weisen eine Reihe von Apomorphien im Geruchssystem auf. Dazu gehören insbesondere metabotrope Rezeptormoleküle in den OSNs, welche zusätzlich zu den evolutionär älteren ionotropen Rezeptoren exprimiert werden, sowie Unterschiede in der Zahl, Morphologie und Verschaltung der beteiligten Neuronen und Glomeruli. Während das olfaktorische System der Insekten, insbesondere der Modellorganismen der Gattung Drosophila, gut charakterisiert ist, liegen vergleichsweise wenige Daten zum Geruchssystem der Höheren Krebse (Malacostraca) vor. Innerhalb dieser Gruppe stammen die bislang detailliertesten Analysen von Vertretern der Zehnfußkrebse (Decapoda), wohingegen Untersuchungen an Ranzenkrebsen (Peracarida) bislang rar sind. Peracarida sind aus phylogenetischer Sicht jedoch von besonderem Interesse, da sie vermutlich näher an der basalen Linie der Malacostraca stehen als die stark abgeleiteten Decapoda. Darüber hinaus ähnelt ihre Körpergröße derjenigen vieler Insekten, was unter energetischen Gesichtspunkten – insbesondere im Hinblick auf Beschränkungen bei der Entwicklung und Erhaltung von Nervengewebe – vergleichbare Selektionsdrücke impliziert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden daher zwei Vertreter der Peracarida untersucht: der Amphipode Parhyale hawaiensis und die Myside Neomysis integer. Für beide Arten konnte eine ausgeprägte neurochemische Diversität im olfaktorischen System nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu Insekten und Decapoda durchlaufen Peracariden keine Larvenstadien. Bei P. hawaiensis zeigte sich, dass sowohl die Morphologie des Geruchssystems als auch das Muster der Neurotransmitterexpression bei juvenilen Tieren bereits dem adulten Zustand entspricht. Dies deutet auf eine frühe Festlegung der funktionellen Organisation des olfaktorischen Systems während der Ontogenese hin und spricht für eine Anpassung an spezifische Umweltbedingungen bereits im frühen Lebensstadium. Bei N. integer wurde ein deutlicher sexueller Dimorphismus festgestellt: Männchen und Weibchen haben geschlechtspezifische Sensillen, und Männchen weisen zusätzlich ein weiteres Neuropil auf, das als „male-specific neuropil“ bezeichnet wird. Beide untersuchten Arten zeigen zudem eine hohe morphologische Variabilität der olfaktorischen Glomeruli. Die detaillierte Analyse des olfaktorischen Neuropils von P. hawaiensis offenbarte eine beträchtliche Variabilität in der Morphologie, Zellzahl und Anzahl der Glomeruli, was auf ein sogenanntes „distributed olfactory coding“ hindeutet. Die Ergebnisse legen nahe, dass ein „distributed olfactory coding“ bei den gemeinsamen Vorfahren der Pancrustacea zu finden war und Insektenarten wie Drosophila melanogaster eine hochgradig abgeleitete stereotype „one-to-one olfactory coding“ entwickelt haben.