Посещений:
ПЛАСТИЧНОСТЬ ОНТОГЕНЕТИЧЕСКАЯ И ДИВЕРСИФИКАЦИЯ ПРИЗНАКОВ



Значение структурной интеграции

Developmental plasticity associated with early structural integration and evolutionary patterns: Examples of developmental bias and developmental facilitation in the skeletal system
Kathryn Kavanagh
Volume22, Issue1-2 Special Issue: Developmental Bias in Evolution January-March 2020 Pages 196-204 |https://doi.org/10.1111/ede.12323

The relation of developmental plasticity to evolutionary diversification is a key component of evolutionary theory involving developmental bias, but the basis of the relationship varies among traits and among taxa. Here I review some scenarios of how structural integration during early organogenesis could influence this relationship. When condensations are highly integrated and dependent on each other during early organogenesis, both plasticity and evolution are restricted, for example size proportions in molar tooth rows and phalanges within a digit. When similar condensations develop and remain separate (in tracheal cartilages and feather buds), they show high levels of variation and diversity in number but not in shape and size, at least at early stages. When non-similar structures form separately and then integrate while still undergoing patterning, high levels of plasticity (in number, size, shape; in rib uncinate processes) or new dimensions of ecologically?significant variation (cusp offset, in mammal teeth) are seen. Although each of these structural integration scenarios is unique, the modulation of evolvability is detectable and informative. Parsing the influence of structural integration at these developmental levels, rather than later-stage structural correlations or only through genetic covariation, may be necessary to advance understanding of evolvability of the phenotype.
Каждый признак любого организма формируется путем согласования фундаментальных свойств биологической эволюции, это приводит к тому, что кажущаяся сначала парадоксальной - с одной стороны, что организмы развиваются в направлении оптимального фенотипа для их среды, т.е. естественный отбор приводит к потере менее благоприятных вариантов, но, с др. стороны, поддерживается изменчивость в популяции, являющаяся критической, позволяющая ветвям выживать и адаптироваться к изменениям внешней среды. Этот парадокс является сердцем эволюционной теории, объясняющей, почему эволюция имеет определенные траектории, ане др.
Концепция модулярности является одной из устойчивых идей теории эволюционного развития (evo-devo) (но не только) генеральной теоретической основы для разрешения этих конкурентных требований развивающегося организма. Модулярность измеряется относительной независимостью подчиненных частей системы организма; модуль является подчиненной частью (subpart), которая внутренне высоко скоординирована, но взаимодействует менее последовательно с др. модулями (Klingenberg, 2008). Разбивка на модули давно была теоретически оценена , чтобы облегчить разнообразие (diversification) путем создания способности независимой эволюции структуры, не испытывая влияния со стороны функции др. структур в теле, напр., формирование более длинных конечностей без нарушения роста др. частей тела. Интеграция между частями, следовательно, теоретически ограничивает диверсификацию путем создания взаимозависимости (Klingenberg, 2008, 2014). Интеграция может быть структурной (соединенной анатомически), функциональной (напр., биомеханической), или генетической регуляторной (напр., плейотропией). Измерение модулярности и интеграции является упражнением по идентификации относительной силы этих соединений, трудная задача. Значительное количество исследований изучало взаимоотношения между фенотипической интеграцией и эволюционной диверсификацией у взрослых форм (e.g., Curth et al., 2017; Drake et al., 2010; Goswami, Smaers, Soligo, & Polly, 2014; Heck, Wilson, Evin, Stange, & Sanchez-Villagra, 2018). Др. исследования использовали время оссификации скелета и анализировали ко-вариации среди структур, чтобы установить паттерны интеграции и скоррелировать их с диверсификацией (Goswami et al., 2016; Goswami, Weisbecker, & Sanchez-Villagra, 2009; Koyabu et al., 2014). Немногие эмпирические исследования измеряли онтогенетическую пластичность в этом контексте, но измерение такой пластичности в популяции показало, где отбор получает возможность управлять диверсификацией.
Органогенез является широко законсервированным периодом во время эмбриогенеза, когда основные органы и структуры закладываются и формируются. В скелетной системе форма и относительные размеры элементов детерминируются на ст. конденсации у эмбрионов. Самые ранние ст. органогенеза, известны как конденсации, плакоды или зачатки, когда клеточные популяции конденсируются и получают предопределение к развитию в определенны орган. Эта стадия, как полагают, является мишенью эволюции, т.к. это критическая точка, когда возникают паттерны модулярности и интеграции у эмбриона (Atchley & Hall, 1991; Giffen et al., 2019).
В скелетной системе физическая интеграция между частями почти универсальная, но интеграция часто трактуется как событие поздней стадии. Раннее развитие костей рассматривается как 4-ступенчатый процесс: миграция клеток (напр., клеток нервного гребня или производных сомитов), эпителиально-мезенхимные взаимодействия, образование конденсатов и дифференцировка (Giffin, Gaitor, & Franz-Odendaal, 2019; Hall & Miyake, 1995). Эта последовательность не включает структурную интеграцию во время стадии конденсаций, такой элемент как слияния или взаимодействия между соседними структурами. Известно немного исследований у видов на уровне разнообразия в структурной интеграции на ст. конденсаций для скелетных элементов и даже мало описано вариаций орган-специфических паттернов при ранней скелетной интеграции среди индивидов популяции, хотя такой подход мог быть информативным относительно наиболее высокого уровня паттернов фенотипической вариации (Table S1). Когда интеграция адресуется скелетным признакам, то подходы чаще всего базируются на перспективе генетических сопряженных изменений (covariation) скорее, чем на последующих величинах вариаций в ходе последовательных онтогенетических событий, даже для структурно интегрированных признаков, таких как лопатка или череп (Goswami, 2006; Marroig & Cheverud, 2001; Rolian, 2009; Sears, 2004; Young, 2004).
Было установлено, что сходные генетически сопряженные изменения структур могут быть результатом очень разных лежащих в основе паттернов онтогенетической интеграции признаков и это затеняет источник морфологической изменчивости, предоставляемый естественному отбору (Mitteroecker, 2009; Mitteroecker & Bookstein, 2007; Hallgrimson et al, 2009; Armbruster, Pelabon, Bolstad, & Hansen, 2014). Современные общие объяснения сложности эволюции онтогенетической интеграции недостаточны (Wilson, 2013; Green et al, 2017).
Здесь я исследую три общих паттерна ранней структурной интеграции на ст. конденсаций нескольких соседних развивающихся элементов cкелетной системы: высоко интегрированные, не интегрированные и интегрирующиеся вскоре после конденсаций. Очевидно, что уровень структурной интеграции в раннем органогенезе испытывает определенную степень влияния как со стороны онтогенетической пластичности, так эволюционных траекторий.

2 SYSTEMS WITH ADJACENT HOMOLOGOUS SKELETAL CONDENSATIONS STRUCTURALLY INTEGRATED THROUGH ITERATIVE OUTGROWTH AND SEGMENTATION SHOW A RESTRICTED SUITE OF VARIATIONS


2.1 Size proportions in molars and phalanges


Коренные зубы и фаланги являются примерами скелетных структур, которые формируются посредством морфогенетического процесса ориентированного роста и последовательной сегментации. Новые скелетные элементы формируются, когда ингибирующие события действуют, чтобы отделить новый кусочек конденсирующиеся мезенхимы позади растущего кончика (Figure 1). In vitro экспериментальные исследования зачатков нижних молярных зубов у мышей установили, что управляющие ингибирующие и активирующие сигналы в первом моляре могут изменять пропорции размера по всему ряду моляров (Kavanagh, Evans, & Jernvall, 2007). Существенное подавление первого моляра приводит к возникновению относительно меньшему размеру второго и третьего моляров, тогда как существенная активация приводит к относительно большему размеру задних моляров. Эти наблюдения стали основой модели Inhibitory Cascade (IC), которая связана с относительными уровнями активации и подавления моляров мышей в отношении пропорций размеров. Пропорции размеров, как было экспериментально установлено, варьируют предсказуемым образом от одинакового размера в виде градиента от крупного к мелкому (Kavanagh et al., 2007). Чтобы определить, действительно ли онтогенетическое правило затрагивает эволюционные паттерны, измеряли пропорциональность размеров у разных видов грызунов, у которых обнаружено соответствие предсказаниям IC. Недавно была исследована онтогенетическая изменчивость пропорций размеров ряда моляров в популяциях мышей от возвратных скрещиваний в отношении QTLs для ингибирующих локусов (Navarro & Maga, 2018). Было установлено, что изменчивость соответствовала как ожидаемому, исходя из IC, так и направлению эволюционных паттернов и что QTLs были ассоциированы с подозреваемыми IC ингибирующими сигналами белков (Navarro & Maga, 2018). The relationship QTLs (rQTLs; Pavlicev, Cheverud, & Wagner, 2011) перекрываются с генами Shh, Sostdc1 и Fst . В этом случае, присутствуют вариации, которым "позволено" существовать внутри сильно интегрированных, но эволюционно гибких систем, несмотря на ожидания плейотропии. Механистически было предположено, что гены, ассоциированные с rQTLs, могут усиливать способность к развитию организмов путем облегчения соответствия новой изменчивости к селекционным градиентам, путем генерации онтогенетически канализованной изменчивости ("may enhance organismal evolvability by facilitating the alignment of new variation to selection gradients, by generating developmentally channeled variation") (Navarro & Maga, 2018). Здесь мы ограничимся пределами изменчивости пропорций размеров в системе моляров, что достаточно для крупной адаптивной диверсификации у млекопитающих, которая согласуется с предсказаниями IC, подтверждая, что пропорции размеров моляров у млекопитающих являются примером экологически-управляемой эволюции по линии минимальной онтогенетической резистентности, продуцирующей смещенный (biased) набор вариантов пропорций размеров для отбора, чтобы действовать соответственно (Evans et al., 2016; Kavanagh et al., 2007; Polly, 2007).



Figure 1 Open in figure viewerPowerPoint

Outgrowth and sequential segmentation in molars and phalanges. A 5?day?old (a) and 10?day?old (b) developing digit of an embryonic chicken foot, stained with Alcian Blue, and cleared with KOH shows lengthening chondrogenic condensations periodically separated by spaced joints, where chondrogenesis is inhibited. In molars, the first molar tooth germ condenses within the growing dental lamina (c), which buds posteriorly, forms the second molar tooth germ, and separates from the first tooth germ by an inhibitory field (d)

Базирующаяся на наблюдениях над молярами, IC модель была сформулирована как общая, базирующаяся на активаторе/ингибиторе модель регуляции пропорций размеров в последовательно формирующихся сегментах. Она была применена к др. системам развития, действующим в стиле разрастания и сегментации, фалангам, которые широко варьируют в отношении пропорций количества и размеров разных пальцах. В сравнительном исследовании фаланг, исключая когтистую концевую, измеряли у широкого круга видов. За небольшим исключением пропорции размеров, как было установлено, исходят из равных размеров по отношению с градиентом связанной функции и твердо придерживаются предсказаний модели Inhibitory Cascade, вплоть до 20 сегментов (Young et al., 2015). Пропорции размеров фаланг были ассоциированы с определенными локомоторными функциями, напр., распространение было ассоциировано со ступенчатым от большого к малому градиентом, тогда как устройство на насест (perching) (у птиц) связано с более равными по размеру фалангами (Kavanagh et al., 2013). Др. сегментированные системы, такие как сегменты конечностей и сомиты также конвергируют в той же самой степени онтогнетически канализованной изменчивости (channeled variation) (Young et al., 2015; Figure 2). Беспорно, во всех этих системах соседние сегменты сильно интегрированы во время этой ранней морфогенетической стадии, используют те же самые повторяющиеся сигнальные сети в сегментах внутри серии. Эта интеграция и совместная регуляция (coregulation), по-видимому, приводят к снижению онтогенетической изменчивости и тенденциозной (biased) макроэволюции пропорций размеров.



Figure 2

Macroevolutionary diversity of phalanges, limb, and somite segment proportions (which all develop by sequential segmentation and outgrowth at the earliest stages) exhibit similar proportions. Ternary diagram showing comparative species-level variation in 2000+-segment proportions of various structures. Solid line shows the multivariate regression, and dashed line shows 95% confidence intervals. Modified from Young et al. (2015)

3 TRAITS WITH ADJACENT HOMOLOGOUS SKELETAL CONDENSATIONS FORMED BY ITERATIVE PROCESSES THAT DO NOT STRUCTURALLY INTEGRATE, SHOW VARYING LEVELS OF DEVELOPMENTAL PLASTICITY


3.1 Number of tracheal cartilages and feather buds


В немногих скелетных элементах конденсации формируются, но физически не интегрируются с соседними конденсациями. Большинство скелетных элементов физически соединены посредством суставов или слияний, но трахейные хрящи формируются как отдельные последовательные кольца вдоль трахеи (Figure 3). У взрослых людей описана определенная изменчивость формы колец трахеи со случайными слияниями (Premakumar, Griffin, & Szarko, 2018). Некоторые исследования сообщают об изменчивости количества колец трахеи, демонстрируя изменчивость как внутри вида так и между видами (Table S2; Byanet, Bosha, & Onaja, 2014; Cano & Perez, 2009; Dabanoglu, Ocal, & Kara, 2001; Premakumar et al., 2018). В этих немногочисленных исследованиях, количество хрящей в трахее варьирует от 16 до 87 с вариацией в 25-67% внутри видов. Очевидно, что количество хрящевых колец в трахее не фиксировано для каждого данного вида и присутствует избирательная пластичность. Разнообразие в форме и размере в таких случаях низкое (Figure 3).



Figure 3 Feather buds and tracheal cartilages bird embryos. Left: Feather buds in a duck embryo (image from The Scientist March 31, 2014. Denis Headon). Right: Tracheal cartilages in a Day 16 chick embryo

Перья не рассматриваются как часть скелетной системы, но формируются как эпителиальные органы, очень сходные с зубами ранних стадий (Pispa & Thesleff, 2003). Эпителиальные органы, такие как зубы, железы, волосы, чешуйки и перья, все они инициируются из конденсаций или плакод. Перья формируются из отдельных самостоятельных конденсаций (зачатков), которые остаются раздельными всю жизнь. Изменчивость в количестве перьев между индивидами и между видами птиц высокая; колеблются между 79 видами семейства воробьиных от 940 до 2973 перьев (Table S3; Wetmore, 1936). Изменчивость не просто обусловлена различиями в области поверхности кожи, а может возникать исключительно из модульной чувствительности пространственного распределения плакод перьев (micropatterning) к сигнальным изменениям (Mou et al., 2011) Здесь снова неинтегрированные конденсации обнаруживают высокий уровень избирательной изменчивости в количестве между индивидами, при этом сохраняется сходство в форме, по крайней мере, на ранних стадиях.

4 SYSTEMS WITH NONHOMOLOGOUS CONDENSATIONS THAT FORM SEPARATELY THEN INTEGRATE WITH ADJACENT CONDENSATIONS ARE ASSOCIATED WITH HIGH LEVELS OF NOVEL VARIATION


4.1 Uncinate processes on bird ribs; tooth cusp offset in rodents


Крючковидные отростки являются уплощенными костными выростами на торакальных ребрах, которые облегчают дыхание птиц. Ребра и крючковидные отростки развиваются в параксиальной мезенхиме. Крючковидные отростки развиваться как отдельные конденсации, которые сливаются с ближайшим ребром у эмбрионов до начала оссификации (Figure 4; Codd, 2010; Tickle, Ennos, Lennox, Perry, & Codd, 2007). Здесь я сообщу о результатах исследования ранних стадий ребер и крючковидных отростков у 248 окрашенных Alcian цыплят (White Leghorn), эмбрионов на 13-16 день развития. Вариант с наивысшей частотой (4 крючковидных отростка на ребрах, ассоциированных с позвонками 15-18; Figure 4a) наз. "наиболее распространенный фенотип." 65% цыплят имеют вариант крючковидных отростков отличный от наиболее распространенного фенотипа, при этом огромное количество отличающихся вариантов наблюдается в отношении размера, формы, количества конденсаций на одном ребре, подчиненных отростках и ассоциации с позвонками; Figure 4a-n). Среди видов наблюдаются те же самые категории изменчивости (Figure 4o-r), при этом некоторые эмбриональные варианты обнаруживаются в большой выборке цыплят в качестве индивидуальных вариантов у др видов (Figure 4 owl). Эти результаты отличаются от простых теоретических ожиданий, когда интегрированные структуры уменьшают изменчивость.



Figure 3 A-N: Examples of developmental plasticity in uncinate processes on embryonic chick ribs. Chondrogenic condensations were visualized with Alcian Blue staining in Day 13-16 chick embryos. Variations in uncinate processes include which rib they are on, doubles, shapes, lengths, subprocesses, total number of uncinate processes. (o-r) Evolutionary diversity in uncinate processes. (o) Barred owl rib with two uncinate processes of different shape. P. Chicken ribs and uncinate processes. (q) Cassawary. (r) Razorbill. (q and r modified from Webster & Goff, 1977). Similar categories of variations are seen among species (q, r) as
Др. система, в которой возникают интеграции во время ст. ранних конденсаций, является зародыши молярных зубов. Выше отмечалась интеграция зародышей зубов вдоль ряда моляров; здесь мы исследовали выступы на коронке первого моляра скорее, чем пропорции размеров зуба целиком вдоль ряда зубов. Интеграция первого моляра с окружающей костью челюсти происходит на эмбриональной стадии, когда формируется паттерн коронки на всю жизнь. Паттерн коронки зубов млекопитающих оказывается важной модельной системой для эволюционной биологии развития, при этом продуктивное соединение сравнительных, экспериментальных, экологических, компьютерного моделирования и палеонтологических данных отвечает на вопрос, как возникает разнообразие формы зубов у млекопитающих (Calamari, Hu, & Klein, 2018; Jernvall & Thesleff, 2000). Предпосылкой, лежащей в основе всех этих исследований, была относительная независимость зубного модуля во время формирования онтогенетического паттерна. Недавно, Renvoise et al. (2017) установили, что соседняя кость нижней челюсти взаимодействует с ранним зародышем зуба во время критического периода, когда формируется паттерн бугорков моляра у разных грызунов.
Одним из различий паттерна бугорков у млекопитающих является "cusp offset," которое четко выявляется на примере полевок и мышей. В частности, мыши имеют "паралельный" рисунок бугорков, тогда как полевки имеют "чередующийся" или зигзагообразный рисунок бугорков (Figure 5); они являются зубными характеристиками, связанными с экологическими отличиями (Jernvall & Salazar?Ciudad, 2007; Rekovets & Kovalchuk, 2017). Зубы являются длинными само-регулирующимися органами с окончательным рисунком бугорков, определяемым с помощью взаимодействий внутри развивающегося зуба. Положение бугорков детерминируется с помощью повторяющихся эпителиальных сигнальных центров, вторичных узелков эмали, внутри растущей коронки моляра, при этом ингибирующие поля отделяют бугорки (Jernvall & Thesleff, 2000). Прирожденные онтогенетические процессы, которые регулируют cusp offset, неизвестны, однако, в компьтерных моделях, чтобы воссоздать реалистическое формирование паттерна зубов, используются модели активатора/ингибитора, нуждающиеся в генерализованном латеральном ограничении роста (Salazar-Ciudad & Jernvall, 2010). В лаб. экспериментах, когда зачатки зубов эмбрионов полевок культивировали in vitro в отсутствие окружающей ости челюсти, то они давали похожие на мышиные параллельные ряды бугорков, если же зародыши зубов мышей культивировали в условиях constraining wires, они давали бугорки, сходные с таковыми у полевок (Renvoise et al., 2017). Подобные онтогенетические взаимодействия между зубами и челюстью т.о. указывают на эволюционную диверсификацию паттернов бугорков зубов. Разные уровни индуцированной активности остеокластов и защищенности кости предположительно активируют ремоделирование окружающей развивающейся кости в критическое время детерминации паттерна бугорков. Действительно ли взаимодействия между зубами и челюстью являются пассивными ограничениями или активной регуляцией, пока неизвестно, однако, подобная интеграция между зубами и челюстью ассоциирует с эволюционными различиями в cusp offset и тем самым с разнообразием морфотипов зубов, приспособленных к диете, и даже к адаптивным radiations (Rekovets & Kovalchuk, 2017).



Figure 5 Phylogeny of rodent clades with diverse patterns of molar tooth cusp offset, including parallel (mouse) and alternating (vole) cusp offset. (From Renvoise et al., 2017)



5 DISCUSSION


Структурная интеграция на специфической эмбриональной стадии - в данном случае, раннего органогенеза, когда формируются конденсации (т.е. плакоды, зачатки - может иметь значение для выражения онтогенетической пластичности и , следовательно, вариантов, пригодных для отбора (Pavlicev et al., 2011). Взаимоотношение между пластичностью и отбором сложные и не до конца понятны; недавние исследования смоделировали теоретический остов, где ценой пластичности могут сохраняться структуры в варьирующих селективных условиях (Rago, Kouvaris, Uller, & Watson, 2018), но структурные вклады эмбриогенеза полностью не исследованы. В скелетной системе стадия конденсаций является таковой, когда многие органы или струетуры устанавливают свои пропорции и взаимодействия, так что отбор на этой стадии влияет на размер, форму, количество и интеграцию органов (Giffin et al., 2019; Atchley and Hall, 1991). При таком анализе онтогенетическая пластичность оказывается позитивно ассоциированной с эволюционной диверсификацией среди всех исследованных структур, но интеграция не всегда следует теоретическим предсказаниям значительной интеграции, приводящей к низкой диверсификации признаков.
Разные типы интеграции среди структур подтверждают разные ассоциации онтогенетической пластичности и диверсификации. Эти немногие отобранные примеры подтверждают, что онтогенетическая пластичность на этой ст. развития дифференциально проявляется в разных местах (признаках) тела, и что эта пластичность коррелирует с морфологическим разнообразием среди видов по этому признаку. Структурная интеграция на ст. конденсаций может быть фактором в эволюции разнообразия признака.
В частности
  • a) Структурная интеграция среди гомологичных соседних структур в серии, таких как моляры и фаланги, ассоциирована с ограничениями пределов изменчивости пропорций размеров. В молярах, онтогенетическая изменчивость взаимоотношений пропорций размеров нацелена в направлении эволюции (Navarro & Maga, 2018) это согласуется с предсказаниями IC модели (Kavanagh et al., 2007). Др. модульные последовательно сегментированные структуры, такие как сомиты и конечности обнаруживают сходные конвергентные и ограниченные микро- и макроэволюционные вариации в пропорциях размеров (Young et al., 2015).
  • b) Гомологичные соседние структуры в серии, которые не интегрированы физически обнаруживают как онтогенетическую пластичность в количестве элементов в серии, так и эволюционные вариации этого признака. В хрящах трахеи и перьях высокая величина вариации в количестве (10-63%) положительно скоррелирована с высоким уровнем разнообразия количества среди видов. Паттерны разнообразия размера и формы следует исследовать далее в этом контексте.
  • c) Структурная интеграция между соседними негомологичными структурами во время раннего органогенеза ассоциирует с очень высокой (рано индуцированной?) онтогенетической пластичностью в случае слияний крючковидных отростков с ребрами. Многие из этих типов онтогенетической изменчивости между индивидами у цыплят (двойные, длинные, измененной формы) наблюдаются и в вариациях между видами птиц. Интеграция зубов с челюстью, взаимодействия между зубными плакодами и окружающими крипатами развивающейся кости, по-видимому, усложняют онтогенетическую регуляцию (lateral constraint), что вносит др. измерение в диверсификацию, cusp offset. Cusp offset ассоциирует с диверсификацией и адаптивной radiations у грызунов (Rekovets & Kovalchuk, 2017; Renvoise et al., 2017). Как в случае крючковидных отростков и бугорков зубов соседние негомологичные органы участвуют во взаимодействиях, чтобы облегчить новые диверсификации; онтогенетические вариации склоняются к пути, который, по-видимому, является функциональным и становится предметом отбора.
    • Более детальные примеры интеграции на критической стадии необходимо обобщить в отношении взаимоотношений между структурной интеграцией, пластичностью и диверсификацией. Хондрогенные конденсации легко индуцируются экспериментально за счет механических и биохимических пертурбаций, но в природе они дифференциально регулируются разной степенью стабилизации у эмбрионов, напр., высоко стабильное количество пальцев (т.e., tetrapod pentadactyly), но очень высокая пластичность крючковидных отростков (above). Поскольку взрослые формы устанавливаются во время этой стадии, то регуляция пластичности и интеграция конденсаций/плакод/зачатков может быть целесообразной для эволюции, чтобы сбалансировать устойчивость к нарушениям и изменчивость при формировании органов. Ранние ст. органогенеза должны использоваться в качестве модельных систем для изучения паттернов фенотипической интеграции и изменчивости (variation).