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Evolutionäre Morphologie ist nie nur beschreibend, sondern versucht morphologische Vielfalt immer auch zu erklären. Spermien im Allgemeinen und Spinnenspermien im Besonderen sind für ihre enorme morphologische Vielfalt bekannt. Spinnenspermien werden eingerollt und von einer Sekrethülle umschlossen übertragen. Außerdem werden Spinnenspermien sowohl als individuelle Spermien, aber auch als Spermienkonjugate übertragen. Synspermien, wo mehrere Spermien vollständig Sicherung am Ende der Spermiogenese sind charakteristisch für eine bestimmte Spinn Taxon, der sogenannten Synspermiata. Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die evolutionäre Morphologie der Spermien der Dysderoidea, einem gut definierten Taxon innerhalb der Synspermiata. Das Taxon Dysderoidea besteht aus vier Familien, den Segestriidae, Dysderidae, Orsolobidae und Oonopidae. Die kleine Familie der Caponiidae ist die vermutete Schwestergruppe der Dysdeoidea. Interessanterweise werden Spermienkonjugate bestimmter Arten der Orsolobidae und Oonopidae, sowie eines Vertreters der Caponiidae, nicht von einer Sekrethülle umgeben. Die Funktion der Sekrethülle ist bislang noch nicht klar. Jedoch muss die Sekrethülle vor der Aktivierung der Spermien innerhalb des weiblichen Genitalsystems zunächst wieder entfernt werden. Dieser Prozess wird vermutlich vom Weibchen gesteuert und kann dem Weibchen unter anderem die gezielte Wahl der zu aktivierenden Spermien ermöglichen. Die nicht von einer Sekrethülle umschlossenen Spermienkonjugate könnten daher eine hoch spezialisierte männliche Paarungsstrategie darstellen, um den Einfluss des Weibchens und damit der gezielten postkopulatorischen Weibchenwahl zu umgehen. Innerhalb der Dysderoidea ist die morphologische Diversität der Spermien der Oonopidae besonders hoch. Hier werden in bestimmten Arten z.B. aflagellate Spermien, oder nicht eingerollte Spermien übertragen. Die Anzahl der fusionieren Spermien, sowie die Größe und Form der Spermienkonjugate ist innerhalb der Dysderoidea sehr variabel. Basierend auf der traditionell angewandten, zweidimensionalen (2D) Mikroskopie allein wird eine detaillierte Analyse der oftmals enorm komplexen Spermienkonjugate jedoch oft erschwert. Für das Verständnis von (ultra)struktureller Komplexität sind dreidimensionale (3D) Rekonstruktionen oftmals besonders hilfreich. Doch dies unweigerlich erfordert Serienbilder, die durch verschiedene Methoden erreicht werden können. Traditionell werden diese seriellen Bilder durch serielle Ultradünnschnittmikrotomie, gefolgt von der Analyse mittels Transmissionselektronenmikroskopie (ssTEM), erstellt. Allerdings ist ssTEM höchst anspruchsvoll, zeitaufwendig und sehr anfällig für Artefakte, wie zB der Verlust von Einzelschnittbildern, oder Bildverzerrungen. Neuere Methoden, wie Serial-Block-Face Rasterelektronenmikroskopie (SBFSEM) überwinden diese Einschränkungen, aber die Bildqualität, und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis sind stark abhängig von den vorausgehenden Fixier- und Kontrastiereigenschaften. Spinnenspermien sind hoch komplex und daher besonders nützlich, um die Anwendbarkeit der SBFSEM mit der traditionellen ssTEM zu vergleichen. Obwohl SBFSEM in hochwertigen Bilddaten des somatischen Gewebes resultierte, konnten aufgrund der hohen Elektronendichten bestimmter Spermienzellkomponenten keine detaillierten Analysen der Spinnenspermien erfolgen. Somit bleibt ssTEM bislang die einzig Methode für die Generierung der seriellen Schnittbilder für die Rekonstruktion der Spinnenspermien. Serienschnitte und 3D Rekonstruktionen im Allgemeinen sind nicht nur sinnvoll um ultrastrukturelle Details zu visualisieren, sondern auch für das allgemeine Verständnis von komplexen Strukturen besonders hilfreich. Nichtsdestotrotz gehen Informationen über die natürliche Kohärenz durch den Schneidprozess in der Regel verloren. Non-destruktive Methoden, wie die Röntgenstrahlen Mikrocomputertomografie (Mikro-CT) überwinden diese Beschränkungen und haben sich als ein wertvolles Werkzeug für das Verständnis und die Visualisierung inneren Anatomie einer Vielzahl von Taxa, einschließlich Arthropoden, erwiesen. Dennoch ist nur wenig über die Anwendbarkeit dieses Verfahrens zur Analyse von Weichgewebe bekannt. Um das Potential und auch die Grenzen dieses Verfahrens zu analysieren wurden daher wurden die männlichen Kopulationsorgane von Spinnen, die Pedipalpen, sowie die Anatomie des Gehirns von drei Vertretern der Hexapoda analysiert, und mit den Ergebnissen vorangegangener histologischer und immunhistochemischer Untersuchungen vergleichen. Basierend auf diesen Daten wurde ein Protokoll für die Mikro-CT Analyse von Weichgewebe entwickelt und evaluiert
Background
Pycnogonida (sea spiders) is the sister group of all other extant chelicerates (spiders, scorpions and relatives) and thus represents an important taxon to inform early chelicerate evolution. Notably, phylogenetic analyses have challenged traditional hypotheses on the relationships of the major pycnogonid lineages (families), indicating external morphological traits previously used to deduce inter-familial affinities to be highly homoplastic. This erodes some of the support for phylogenetic information content in external morphology and calls for the study of additional data classes to test and underpin in-group relationships advocated in molecular analyses. In this regard, pycnogonid internal anatomy remains largely unexplored and taxon coverage in the studies available is limited.
Results
Based on micro-computed X-ray tomography and 3D reconstruction, we created a comprehensive atlas of in-situ representations of the central nervous system and midgut layout in all pycnogonid families. Beyond that, immunolabeling for tubulin and synapsin was used to reveal selected details of ganglionic architecture. The ventral nerve cord consistently features an array of separate ganglia, but some lineages exhibit extended composite ganglia, due to neuromere fusion. Further, inter-ganglionic distances and ganglion positions relative to segment borders vary, with an anterior shift in several families. Intersegmental nerves target longitudinal muscles and are lacking if the latter are reduced. Across families, the midgut displays linear leg diverticula. In Pycnogonidae, however, complex multi-branching diverticula occur, which may be evolutionarily correlated with a reduction of the heart.
Conclusions
Several gross neuroanatomical features are linked to external morphology, including intersegmental nerve reduction in concert with trunk segment fusion, or antero-posterior ganglion shifts in partial correlation to trunk elongation/compaction. Mapping on a recent phylogenomic phylogeny shows disjunct distributions of these traits. Other characters show no such dependency and help to underpin closer affinities in sub-branches of the pycnogonid tree, as exemplified by the tripartite subesophageal ganglion of Pycnogonidae and Rhynchothoracidae. Building on this gross anatomical atlas, future studies should now aim to leverage the full potential of neuroanatomy for phylogenetic interrogation by deciphering pycnogonid nervous system architecture in more detail, given that pioneering work on neuron subsets revealed complex character sets with unequivocal homologies across some families.