Морфологія і філогенія ґрунтових та прісноводних нематод підряду Leptolaimina Lorenzen, 1981

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут зоології імені І.І. Шмальгаузена

УДК 595.132

03.00.08 - зоологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Морфологія і філогенія ґрунтових та прісноводних нематод

підряду Leptolaimina Lorenzen, 1981

Головачов Олександр Валерійович

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі зоології біологічного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор Царик Йосиф Володимирович Львівський національний університет імені Івана Франка завідувач кафедри зоології

Офіційні опоненти:

доктор біологічних наук, професор Сігарьова Діна Дмитрівна Інститут захисту рослин УААН, завідувач лабораторії нематології

кандидат біологічних наук Машина Валентина Петрівна Інститут гідробіології НАН України старший науковий співробітник відділу екології водоймищ

Провідна установа: Таврійський національний університет ім. В.І. Вернадського Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться "22" листопада 2005 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 2 6.153.01 при Інституті зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України за адресою: 01601, м. Київ-30, вул. Богдана Хмельницького, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту зоології ім. Шмальгаузена НАН України. Автореферат розісланий "12" жовтня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат біологічних наук В.В. Золотов

Анотації

Головачов О.В. Морфологія і філогенія ґрунтових та прісноводних нематод підряду Leptolaimina Lorenzen, 1981 - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата біологічних наук за фахом 03.00.08 - зоологія. - Інститут зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України, Київ, 2005.

В дисертації подано комплексний аналіз морфології, постембріонального розвитку, мінливості, філогенетичних зв'язків та напрямків еволюції прісноводних та ґрунтових нематод підряду Leptolaimina. На основі власних зборів та колекційного матеріалу описано 67 видів підряду Leptolaimina, з яких 14 є новими. Описано морфологію рецепторів переднього кінця тіла із застосуванням скануючої електронної мікроскопії, виділено та класифіковано типи будови стравоходу, жіночих статевих трубок та копулятивного апарату. Проведено аналіз міжпопуляційної та міжвидової мінливості кількісних та якісних ознак для кількох вибраних родів. Отримано дані щодо постембріонального розвитку для чотирьох видів. Уточнено філогенетичні зв'язки та переглянуто систему підряду Leptolaimina. Опосередковано проаналізовано морфологічні пристосування до життя в прісних водоймах та ґрунті, зокрема будову видільної системи та локомоторного апарату. Обговорено проблему співіснування близьких видів.

Ключові слова: еволюція, кладистичний аналіз, мінливість, морфологія, нематоди, постембріональний розвиток, філогенетичні зв'язки.

Головачев О.В. Морфология и филогения почвенных и пресноводных нематод подотряда Leptolaimina Lorenzen, 1981 - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.08 - зоология. - Институт зоологии им. И.И. Шмальгаузена НАН Украины, Киев, 2005.

В дисертации дан комплексный анализ морфологии, постэмбрионального развития, изменчивости, филогенетических отношений и путей эволюции пресноводных и почвенных нематод подотряда Leptolaimina. На основании собственных сборов и коллекцтонного матеріала описано 67 видов подотряда Leptolaimina, из них 14 - новые. Описано морфологию рецепторів переднего конца тела с использованием сканующего электронного микроскопа, виделено и классифицировано типы строения пищевода, женских половых трубок и копулятивного аппарата. Проведено анализ междупопуляционной и межвидовой изменчивости количественных и качественных признаков для избранных родов. Получено данные относительно постэмбрионального развития для четырех видов. Уточнено філогенетические отношения и пересмотрено систему подотряда Leptolaimina. Косвенно проанализовано морфологические приспособления к жизни в пресниы водоемах и почве, в том числе строение выделительной системы и локомоторного аппарата. Обговорено проблему сосуществования близких видов.

Ключевые слова: эволюция, кладистический анализ, изменчивость, морфология, нематоди, постэмбриональное развитие, филогенетические отношения.

Holovachov О.V. Morphology and phylogeny of soil-inhabiting and freshwater nematodes of the suborder Leptolaimina Lorenzen, 1981 - Manuscript.

The dissertation thesis for the obtaining a Philosophy Doctor degree in the science of biology, specialization 03.00.08 - zoology. - I.I. Schmalhauzen Institute of zoology of NAS of Ukraine, Kyiv, 2005.

The complex analysis of morphology, postembryonic development, variability, phylogeny and directions of evolution of the freshwater and soil-inhabiting nematodes of the suborder Leptolaimina are given. 67 species, of which 14 are new (e.g.: Procamacolaimus dorylaimus, Paraplectonema loofi, Aphanonchus europaeus, A. africanus, Paraphanolaimus paraguayensis, Aphanolaimus costatus, A. camerunensis, Anonchus winiszewskae, A. venezolanus, Metateratocephalus bialowieziensis, Plectus cladinosus, Ceratoplectus brzeskii, Tylocephalus primitivus та T. longicornis), are described on the basis of personal collections and museum specimens. The morphology of the anterior end receptors is described on the base of scanning electron microscopic observations. Different types of morphology of the pharynx, female gonads and copulatory apparatus are classified. The analysis in interpopulationary and interspecific variability of quantitative and qualitative characters in selected genera is given. New data on the postembryonic development of four species are presented. The phylogenetic relations of the suborder Leptolaimina and its classification scheme are clarified. Following changes are suggested: 1) the subfamily Aphanolaiminae is reinstated and raised to the family rank; 2) subfamily Camacolaiminae raised to the superfamily rank, family Rhadinematidae moved to the superfamily Camacolaimoidea; 3) family Pakiridae is reinsteted within the superfamily Plectoidea; 4) genera Caribplectus and Cynura are moved to the family Chronogastridae; 5)family Anaplectidae is lowered to the subfamily rank; 6) genus Chiloplectus is synonimized with the genus Plectus; 7) genus Haconnus is synonimized with the genus Anonchus; 8) genus Keralanema is synonimized with the genus Chronogaster. Morphological adaptations for the existence in the freshwater habitats and in soil (particularly in the structure of excretory system and locomotory apparatus) as well as the problem of species coexistence are discussed.

Key words: evolution, cladistic analysis, variability, morphology, nematodes, postembryonic development, phylogeny.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вільноживучі нематоди є однією із найбільш чисельних та широко поширених груп багатоклітинних організмів на Землі, яка налічує більше 25000 відомих видів. Малі розміри, поряд із високою екологічною пластичністю, дозволили нематодам освоїти майже всю планету (Coomans, 2000). Домінуючи за чисельністю в ґрунті, підстилці та бентосі, нематоди відіграють важливу роль у функціонуванні екосистем. Харчуючись бактеріями, найпростішими, водоростями та енхітреїдами, нематоди є об'єктом живлення для організмів вищого трофічного рівня.

Побудова системи вільноживучих нематод має певні особливості. Нематоди мають єдиний план будови, але відрізняються великою кількістю дрібних ознак. До того ж, відсутні палеонтологічні дані та відомості про деталі будови і онтогенез багатьох сучасних груп. Складним є визначення походження та шляхів еволюції окремих органів і структур, їх гомології чи аналогії. Групування родів у вищі таксони ґрунтується на нечисленних ознаках, що призводить до існування значної кількості "блукаючих таксонів". Є необхідність детального вивчення морфології, анатомії, генетики, біохімії нематод на якісно новому рівні, і на основі цього - побудови їх природної системи, уточнення ролі нематод в природі й житті людини, та збереження біотичного різноманіття природних і антропогенно змінених екосистем.

Серед нематод особливе місце посідає трофічна група бактеріофагів, які, споживаючи мікроорганізми, впливають на їх чисельність, та на темпи деструкції органічних речовин у ґрунті. Представники підряду Leptolaimina є однією із груп бактерієїдних нематод, що характеризується значною морфологічною різноманітністю, широким географічним та біотопічним поширенням, включають морські, прісноводні так і ґрунтові види. Таксони, об'єднані в цьому підряді, формують морфологічно гетерогенну групу, яка охоплює кілька філогенетично неспоріднених таксонів.

Згідно із загальноприйнятими теоріями щодо філогенетичних зв'язків в межах класу Nematoda, надзвичайно чисельний та важливий ряд Rhabditida, який об'єднує сапробіотичних та більше 90% фіто- та зоопаразитичних видів, походить від плєктидних предків - однієї з родин підряду Leptolaimina. До ряду Rhabditida належить Caenorhabditis elegans (Maupas, 1900) - модельний вид багатоклітинних тварин, для якого розшифровано послідовність нуклеотидів в геномі та реконструйовано морфологію на ультраструктурному рівні. Отже, дослідження морфології та еволюції ймовірних предків та сестринських таксонів Rhabditida має важливе теоретичне та практичне значення.

Більшість із представників підряду Leptolaimina описані недостатньо повно. Лише для невеликого числа видів опубліковані дані щодо зовнішньої морфології їх губної ділянки; цілком відсутня інформація про ультраструктуру травної і статевої систем, кутикули, розташування рецепторів. Залишається нез'ясованою внутрішньовидова та внутрішньо-популяційна мінливість. Не повно вивчене таксономічне різноманіття та філогенетичні зв'язки окремих груп та підряду Leptolaimina загалом. Виходячи з вищесказаного, можна зробити висновок про необхідність подальших досліджень, присвячених різним аспектам біології представників підряду Leptolaimina, з огляду на недостатній рівень сучасних знань про неї та ключову роль у розумінні еволюції ґрунтових та паразитичних груп нематод. стравохід статевий копулятивний постембріональний

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Дисертаційна робота виконана протягом 1997-2004 років на кафедрі зоології Львівського Національного Університету імені Івана Франка в межах тем, які виконувалися та виконуються в межах науково-дослідних програм Міністерства освіти і науки України, а саме: Бз-11Б, № державної реєстрації 0103U001078, "Сучасний стан та трансформаційні процеси в гідробіоценозах водойм західного регіону України, їх охорона та раціональне використання"; ОБ 72Б, № державної реєстрації 0101U001441, "Вплив екологічних факторів середовища на стан та збереження біологічного різноманіття Шацького національного природного парку"; "Сучасний стан, тенденції змін та збереження біотичного різноманіття гетеротрофних організмів в природних та антропогенізованих екосистемах Західного регіону України".

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є аналіз і встановлення філогенетичних зв'язків та еволюційних пристосувань ґрунтових та прісноводних представників підряду Leptolaimina на основі морфологічних даних. Для досягнення мети необхідно було вирішити такі завдання: 1) розробити стандарт видового опису, та, на основі цього стандарту, описати морфологію вибраних представників підряду Leptolaimina; 2) провести порівняльно-анатомічний аналіз досліджених видів із виділенням нових ознак, з'ясувати або уточнити напрямки трансформації окремих органів та систем органів; 3) дослідити особливості постембріонального розвитку окремих представників; 4) розглянути мінливість окремих якісних та кількісних ознак на популяційному та видовому рівнях; 5) проаналізувати філогенетичні зв'язки досліджених таксонів, ґрунтуючись на морфологічних даних, і на основі цього - охарактеризувати таксономічний склад та систему підряду Leptolaimina; 6)з'ясувати та проаналізувати ті морфологічні зміни, які можуть розглядатися як пристосування нематод до існування в прісних водоймах та ґрунті, встановити можливі фактори, які їх зумовлюють.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є види нематод підряду Leptolaimina, що населяють прісні водойми та ґрунт, а також окремі морські представники. Предмет дослідження. Предметом дослідження є морфологія, мінливість та філогенетичні зв'язки прісноводних та ґрунтових нематод підряду Leptolaimina.

Методи дослідження. Для виділення, фіксації матеріалу, виготовлення препаратів та підготовки до електронної мікроскопії були використані загальноприйняті методики. Морфологічні дані отримані з допомогою світлової та електронної мікроскопії. Філогенетичний аналіз був здійснений із застосуванням комп'ютерних програм PHYLIP 3.61 та NONA 2.0, та принципів філогенетичної систематики (Расницын, 2002, Hennig, 1999).

Наукова новизна одержаних результатів. Описано 14 нових видів нематод. Уточнено і доповнено дані щодо морфології органів чуття, травної та статевої систем для 67 видів підряду Leptolaimina, з яких десять видів описано із застосуванням скануючої електронної мікроскопії. Описано морфологію губної ділянки видів підродини Wilsonematinae Anderson, 1966, виділено та класифіковано типи будови стравоходу, жіночих статевих трубок та копулятивного апарату нематод підряду Leptolaimina. Вперше проведено аналіз міжпопуляційної мінливості метричних ознак видів роду Metateratocephalus. Отримано дані щодо постембріонального розвитку для чотирьох видів. Уточнено філогенетичні зв'язки та переглянуто систему підряду Leptolaimina. Опосередковано проаналізовано морфологічні пристосування до життя в прісних водоймах та ґрунті, зокрема будову видільної системи та локомоторного апарату. Обговорено проблему співіснування близьких видів.

Практичне значення одержаних результатів. Дані з морфології та філогенії є вагомим внеском в побудову природної системи нематод, та цінні для з'ясування походження та еволюції сапробіотичних і паразитичних таксонів. На основі особливостей морфології травної та статевої систем уточнені особливості живлення окремих видів. Результати дослідження морфології та філогенії представників підряду Leptolaimina можуть бути використані в лекційних курсах із зоології безхребетних та теорії еволюції, на практичних заняттях великого практикуму, а також під час розробки методів оцінки стану екосистем.

Особистий внесок здобувача. Дослідження морфології, морфометрії, мінливості та філогенії групи були виконані здобувачем самостійно. Нематологи А. Сусуловський С. Бостром, Т. Бонгерс, Г. Вінішевська, А. Есквель, А. Зулліні, Д. Стурхан надали автору необхідні колекційні матеріали, частина з яких зберігається в фондах Державного природознавчого музею НАН України та лабораторії нематології ун-ту м. Вагенінген (Нідерланди). Фотографії на скануючому електронному мікроскопі були виготовлені в лабораторіях Природничого музею м. Стокгольм (Швеція), ун-тів м. Вагенінген (Нідерланди), м. Гент (Бельгія) та м. Ріверсайд (США).

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були представлені на таких конференціях: національна конференція "Збереження біорізноманітності в Україні" (Канів, 1997), Наукова конференція "Роль охоронюваних природних територій у збереженні біорізноманіття" (Канів, 1998), Четвертий міжнародний нематологічний конгрес (Тенеріфе, 2002), Шостий міжнародний симпозіум Російського нематологічного товариства (Москва, 2005), на наукових конференціях біологічного факультету та семінарах кафедри зоології Львівського національного університету імені Івана Франка, на розширеному засіданні відділу фауни і систематики безхребетних Інституту зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України, 2005.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 23 праці, з них 18 у фахових журналах та 5 у збірниках праць та матеріалів конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, огляду літератури, матеріалів та методів досліджень, експериментальної частини (чотири розділи), підсумкової частини, висновків та додатків. Робота викладена на 406 сторінках машинопису (з них 130 основного тексту), містить 41 рисунок, 8 таблиць, додатки. Список використаних джерел нараховує 171 найменування, з них 135 іноземними мовами. У додатках містяться: морфологічна характеристика використаних у філогенетичному аналізі видів, окремо характеристики рецепторів копулятивного апарату самців у зведеній таблиці, етикеточні дані та морфометрія досліджених вибірок з популяцій видів роду Metateratocephalus, список та матриця ознак для клади стичного аналізу.

Основний зміст роботи

Морфологія нематод, Історія дослідження та система підряду Leptolaimina Lorenzen, 1981

Вільноживучі нематоди завдяки дрібним розмірам тіла привернули увагу дослідників лише після появи збільшувальних приладів, хоча перші відомості про людську аскариду, решту та елефантіазис згадуються в китайських манускриптах та єгипетських папірусах (Вайшер, Браун, 2001). В історії вивчення нематод загалом, та представників підряду Leptolaimina зокрема, можна виділити три періоди. Перший період починається з праці К. Рудольфі (Rudolphi, 1808), в якій згадувалося дев'ять паразитичних родів нематод. Перших представників досліджуваної в даній роботі групи описав Ч. Бастіан (Bastian, 1865). До середини двадцятого століття дослідники продовжували нагромаджувати нові дані з морфології, публікували описи нових таксонів. Початок другого періоду дослідження нематод починається із ґрунтовних узагальнень накопиченої за століття інформації, здійснених в 60-х роках, коли були опубліковані таксономічні ревізії, із детальними дослідженнями морфології, в тому числі видів, які зараз складають ядро підряду Leptolaimina (Парамонов, 1964, Allen, Noffsinger, 1968, Anderson, 1966, Maggenti, 1961, Sanwal, 1968). Увесь об'єм даних з біології ґрунтових та прісноводних нематод підсумував І. Андраши (Andrбssy, 1984), та опублікував визначник рядів Monhysterida, Desmoscolecida, Araeolaimida, Rhabditida, який містив дані з таксономії, екології і морфології всіх описаних на той час видів. Ця праця знаменує початок третього періоду в дослідженні нематод, що поєднує &-таксономічні описи видів, дослідження ембріонального розвитку, функціональної морфології, молекулярної філогенії, тощо.

Досліджені нами таксони сучасні нематологи розміщують в складі ряду Araeolaimida в межах кількох родин підряду Araeolaimina (Гагарин, 2003, Andrбssy, 1976), в складі ряду Chromadorida як парафілетичну групу окремих родин (Lorenzen, 1981), або виділяють в окремий ряд Plectida (Малахов и др., 1982; De Ley, Blaxter, 2004). Наші дослідження охоплюють види і роди, що були дотепер об'єднані в монофілетичну групу з п'яти родин Leptolaimidae, Rhadinematidae, Metateratocephalidae, Chronogastridae та Plectidae. Решта таксонів, що в різних класифікаційних схемах розміщували поряд із вищеназваними родинами в межах одного таксона вищого рангу (підряд Leptolaimina), не були включені в обсяг роботи оскільки: 1) їх систематичне положення зазнало змін, або 2) ці родини об'єднують виключно морські чи паразитичні види і не є об'єктом наших досліджень, зокрема через недоступність матеріалу.

Матеріали і методи досліджень

Основою дисертаційної роботи є власні збори, зібрані протягом 1997-2004 років у Львівській, Волинській, Івано-Франківській, Сумській областях, в межах Автономної республіки Крим, у місті Львові; на територіях Карпатського Біосферного Заповідника, Природних заповідників "Розточчя", "Ґоргани", Українського Степового, Луганського, Ялтинського гірсько-лісового та Національних природних парків Яворівського, "Сколівські Бескиди", Шацького (зберігаються на кафедрі зоології Львівського національного ун-ту ім. І. Франка та в науково-допоміжному фонді Державного природознавчого музею НАН України). Використані також препарати з колекцій таких наукових установ: Природничий музей м. Стокгольм, Швеція; Кафедра нематології, ун-тет штату Каліфорнія, США; Лабораторія нематології, ун-тет м. Вагенінген, Нідерланди; Музей та інститут зоології ПАН, м. Варшава, Польща; Інститут нематології, м. Мюнстер, Німеччина; Національний ун-тет, м. Гередія, Коста Ріка; кафедра біотехнології та біології, ун-тет м. Мілан, Італія; кафедра екології тварин, ун-тет м. Бєлефельд, Німеччина; Національний природничий музей, м. Париж, Франція; Природничий музей, м. Будапешт, Угорщина; Інститут досліджень моря, м. Бремерхавен, Німеччина; Департамент сільського господарства, м. Белтсвіль, США; Національний природничий музей, Смітсоніан, м. Вашингтон, США; лабораторія нематології, Національний інститут сільського господарства та технології, Південня Корея; Зоологічний музей, ун-тет м. Гент, Бельгія; Інститут біології ґрунтів, м. Чеські Будейовіци, Чехія.

Екстрагування та фіксація матеріалу, виготовлення препаратів та підготовка до електронної мікроскопії були виконані за загальноприйнятими методами. Фотографії на скануючому електронному мікроскопі були виготовлені в лабораторіях Природничого музею м. Стокгольм (Швеція), ун-тів м. Вагенінген (Нідерланди), м. Гент (Бельгія) та м. Ріверсайд (США) з матеріалів автора та колекцій відповідних інституцій. Із застосуванням електронного мікроскопа було досліджено десять видів. Для кладистичного аналізу були використані програми PHYLIP 3.61 (Felsenstein, 1989), NONA 2.0 (Goloboff, 1993) та WINCLADA (Nixon, 2002).

Під час вибору видів з-поміж доступного матеріалу, ми брали до уваги такі вимоги. 1) В аналіз було включено щонайменше по одному представнику з кожного прісноводного чи ґрунтового роду (загалом з 17 родів). Через недоступність матеріалу дані для двох родів Perioplectus та Arctiplectus взяті з літератури. Що стосується морських представників, використаних для порівняння, то тут ми використали по одному виду із семи родів, які були в наявності. 2) Присутність у обраних видів унікальних якісних та кількісних ознак, які могли б бути філогенетично значущими. Із певної групи близьких видів, що об'єднуються такими унікальними ознаками, але різняться між собою за дрібними морфометричними рисами, було обрано один-два репрезентативні представники. 3) Наявність у матеріалі представників обох статей, в тому числі і у партеногенетичних видів. Таким чином, ми збільшили число ознак, використаних у філогенетичних побудовах, і зменшили похибку, що з'являється під час кладистичного аналізу неповних масивів даних.

Під час досліджень подано додаткові описи 50 відомих видів підряду Leptolaimina: Hemiplectus muscorum Zell, 1991; Stephanolaimus elegans Ditlevsen, 1918; Dadga bipapillata Southern, 1914; Deontolaimus papillatus de Man, 1880; Anguinoides stylosum Chitwood, 1936; Rhadinema flexile Cobb, 1920; Leptolaimus mixtus Lorenzen, 1971; Aphanonchus bayensis (Keppner, 1988); Paraphanolaimus anisitsi (von Daday, 1905); P. behningi Micoletzky, 1923; Aphanolaimus aquaticus von Daday, 1894; A.aymarae De Waele & Coomans, 1993; A. deconincki Coomans & De Waele, 1983; A.furcifer Andrбssy, 1989; A. seshadrii Raski & Coomans, 1990; Anonchus coomansi Eyualem, 1996; A. mirabilis (Hofmдnner in Hofmдnner & Menzel, 1914); A. maculatus (von Daday, 1905); A. millelacunatus (Andrбssy, 1973); Pakira orae Yeates, 1967; Caribplectus magdalenae (Riemann, 1971); Chronogaster boettgeri Kischke, 1956; C.typica (de Man, 1921); C. multispinatoides Heyns & Coomans, 1984; C.jankiewiczi Winiszewska-Љlipinska, 1997; Euteratocephalus palustris (de Man, 1880); Metateratocephalus gracilicaudatus Andrбssy, 1985; Anaplectus granulosus (Bastian, 1865); A. Andrбssy, 1987; Plectus velox Bastian, 1865; P. parietinus Bastian, 1865; P. spicacaudatus Ebsary, 1985; P. Fuchs, 1930; P. paracuminatus Zell, 1993; P.aquatilis Andrбssy, 1985; P. amorphotelus Ebsary, 1985; P. communis Bьtschli, 1873; P. Bastian, 1865; P. longicaudatus Bьtschli, 1873; P. decens Andrбssy, 1985; P.de Man, 1880; P. minimus Cobb, 1893; P. cancellatus Zullini, 1978; Ceratoplectus assimilis (Bьtschli, 1873); Tylocephalus auriculatus (Bьtschli, 1873); Ereptonema arcticum Loof, 1971; Neotylocephalus annonae Ali et al., 1969; N. inflatus (Yeates, 1967); Wilsonema otophorum (de Man, 1880); W.schuurmansstekhoveni (De Coninck, 1931).

Описано 14 нових видів підряду: Procamacolaimus dorylaimus Holovachov, 2003, Paraplectonema loofi Holovachov & Bostrцm, 2003, Aphanonchus europaeus Holovachov & Sturhan, 2004, A. africanus Holovachov & Sturhan, 2004, Paraphanolaimus paraguayensis Holovachov & Sturhan, 2004, Aphanolaimus costatus Holovachov, 2004, A. camerunensis Holovachov, 2004, Anonchus winiszewskae Holovachov et al., 2002, A. venezolanus Holovachov et al., 2002, Metateratocephalus bialowieziensis Holovachov, 2004, Plectus cladinosus Holovachov & Susulovsky, 1999, Ceratoplectus brzeskii Holovachov, 2001, Tylocephalus primitivus Holovachov et al., 2004 та T. longicornis Holovachov et al., 2004. Описи трьох нових видів (Chronogaster sp., Aphanolaimus sp., Anonchus sp.) будуть опубліковані в майбутньому. Також були використані дані щодо мінливості трьох видів: Plectus acuminatus Bastian, 1865, P. cirratus Bastian, 1865, Metateratocephalus crassidens (de Man, 1880). Морфологія усіх видів подана в додаткуА.

Порівняльно-анатомічний огляд

Описавши морфологію 67 видів підряду Leptolaimina, ми значно доповнили і уточнили відомості про будову та розташування рецепторів переднього кінця тіла та копулятивного апарату самців, будову губної ділянки, видільної, травної, жіночої та чоловічої статевих систем та обґрунтували можливі напрямки еволюції окремих морфологічних ознак, що були використані під час аналізу філогенетичних зв'язків. З-поміж елементів будови шкірно-м'язового мішка, розглянуто зовнішню будову кутикули, бічного поля, розташування гіподермальних залоз, соматичних сенсил. Що стосується органів чуттів переднього кінця тіла, то ми проаналізували морфологію та напрямки трансформації внутрішніх і зовнішніх губних, головних і субголовних сенсил, дейрид та амфід.

Використовуючи дані скануючої електронної мікроскопії, ми описали морфологію складно побудованої губної ділянки представників підродини Wilsonematinae та уточнили термінологію, що використовується для опису її елементів. Ґрунтуючись на ступені морфологічної складності, ми розташували чотири роди цієї підродини в трансформаційний ряд. Напрямком еволюційної спеціалізації губної ділянки в цій групі є: видозміна головних сенсил, перетворення латеральних губних сенсил в мідлатеральни вирости, розвиток цервікальних розширень, флабел, гребенів та ниткоподібних виростів.

Вважається, що функцію виділення у нематод виконує шийна залоза (ренетта), яка розташована вентрально в передній частині тіла і відкривається назовні порою. Трансформація ренетти у представників підряду Leptolaimina йде шляхом пристосування до умов гіпоосмотичного середовища - у окремих таксонів зникає ампула, а натомість утворюються петлі видільного каналу, які занурюються в цитоплазму супутніх целомоцитів.

Що стосується елементів травної системи. то нами було детально проаналізовано морфологію стоми та стравохода. Оскільки стома бере безпосередню участь у захопленні їжі, її будова зазнає значних змін залежно від типу їжі та способу її споживання. В процесі досліджень виявлено, що наявність склеротизацій, поява зубів, диференціація окремих відділів стоми є ознаками прогресивного характеру. Стравохід морфологічно мінливий та в своїй будові містить ряд ознак, які можна застосовувати під час філогенетичних реконструкцій, тоді як кишківник та ректум мають одноманітну в межах цілого класу Nematoda будову. Застосовуючи такі особливості будови стравоходу, як наявність радіальних каналів та дробильного апарату, рівень розвитку м'язової та залозистої тканин, ступінь диференціації стравоходу, місце розташування проток стравохідних залоз, ми виділили п'ять типів його будови та обґрунтували можливі напрямки еволюції. Встановлено, що "циліндричний" тип будови стравоходу є найбільш примітивним. Еволюційні зміни в його будові йдуть в трьох напрямках, а саме: у представників родини Camacolaimidae відбувається редукція м'язової тканини в задній частині стравоходу; у родини Lеptolaimidae відбувається диференціація стравоходу на відділи та утворення базального бульбуса; в межах надродини Plectoidea, незалежно від представників попередньої групи, теж йде диференціація стравоходу на відділи, утворення базального бульбуса, а також - диференціація проксимального відділу стоми, з'являються радіальні канали стравоходу, виникає та зазнає морфологічних ускладнень дробильний апарат.

Із елементів жіночої статевої системи ми проаналізували число статевих трубок, будову сперматеки, матки, вагіни окремо і в комплексі. Загалом всю різноманітність будови жіночої статевої системи ми згрупували в чотири типи: 1)"стефанолаймоїдний" тип, для якого характерна наявність аксіальної сперматеки, відсутня скорлупова залоза, відсутні м'язові сфінктери в місці сполучення матки та яйцемета; 2) "афанолаймоїдний" тип, для якого характерна наявність парних мішкоподібних сперматек та потужнього м'язового сфінктера в місці сполучення матки та яйцемета, відсутні скорлупові залози; 3) "анаплектоїдний" тип, для якого характерна наявність аксіальної сперматеки та скорлупової залози, відсутні м'язові сфінктери в місці сполучення матки та яйцемета; 4) "плектоїдний" тип, для якого характерна простота будови, відсутність сперматеки, скорлупових залоз, м'язових сфінктерів, Примітивним вважаємо "стефанолаймоїдний" тип, що характерний для більшості амфіміктичних нематод. За рахунок ускладнення із нього незалежно виводяться "анаплєктоїдний" та "афанолаймоїдний" типи, кожен з яких має певні морфологічні вдосконалення: наявність мішкоподібних сперматек ("афанолаймоїдний" тип) забезпечує краще зберігання сперми та позбавляє необхідності повторного запліднення; додатковий захист яйця виділенням скорлупових залоз ("анаплєктоїдний" тип) збільшує ефективність розмноження. "Плєктоїдний" тип будови властивий партеногенетичним формам, для яких наявність сперматеки не є визначальною; він виникає шляхом регресивного спрощення.

З-поміж елементів чоловічої статевої системи в порівняльно-анатомічному аналізі ми звернули особливу увагу на особливості в будові сім'яників та рецепторів копулятивного апарату. Беручи до уваги число, будову та розташування трубчатих та альвеолярних суплементів, преклоакальних, постклоакальних та хвостових сенсил, ми виділили чотири основні типи будови копулятивного апарату самців. Слід зазначити, що окремі морські таксони, не включені в обсяг наших досліджень, мають примітивний тип будови, що характеризується наявністю всіх п'яти типів рецепторів. У тих досліджених видів, у яких був виявлений подібний тип будови, альвеолярні суплементи відсутні внаслідок редукції. Для нього характерна наявність лише чотирьох типів рецепторів і полімерного суплементарного ряду. В роботі такий тип будов названий "плєктоїдним". Подальша еволюція копулятивного апарату відбувається внаслідок олігомеризації та диференціації суплементів, стабілізації числа та розташування хвостових сенсил. У партеногенетичних представників родини Plectidae відбувається поступова редукція рецепторів (окрім хвостових щетинок), до повного їх зникнення у окремих представників.

Постембріональний розвиток видів родини Plectidae Цrley, 1880

Нематоди належать до тварин із прямим розвитком, чий ріст супроводжується періодичною чотириразовою зміною кутикулярних покривів в процесі линьки, що вважається однією із унікальних ознак таксону (Малахов. 1986). Лише окремим паразитичним та сапробіотичним родам нематод властива ембріонізація розвитку, коли перша, а часом і друга, линька відбувається в яйці. Вивчення постембріонального розвитку нематод на основі вибірок, зібраних в природі, ускладнюється: 1)співіснуванням в пробі кількох видів одного роду, які складно розрізнити на ранніх стадіях розвитку; 2)відсутністю чи складністю пошуку ранніх стадій, зокрема першої; 3)рідкістю линяючих особин, які допомагають розділяти личинок на вікові групи за морфометрією.

Під час розділення личинок у видів родини Plectidae на вікові групи ми ґрунтувалися на наступних закономірностях: 1) дробильний апарат стравохода у личинок першої стадії складається з трьох поздовжніх зубчастих гребенів, тоді як у наступних стадій - з поперечних зубчастих пластинок (Maggenti, 1961); 2)об'єм тіла личинок першої вікової стадії є меншим, ніж об'єм яйця; 3)особини четвертої стадії мають розвинуті багатоклітинні зачатки гонад, вагіни у самиць та копулятивного апарату у самців; 4) оскільки виміри "сусідніх" стадій перекриваються, лише ознаки, що не змінюються протягом періоду між линьками, можуть бути використані в якості чітких критеріїв - ми виявили, що такими критеріями є число і розташування соматичних сенсил та пор - структур, пов'язаних із кутикулярними покривами.

Аналіз морфометрії та морфології показав наявність чотирьох личинкових стадій у Anaplectus grandepapillatus. Відмічена не лише різниця в розмірах та пропорціях тіла у личинок різних стадій, а й в будові статевої, видільної та травної систем, числі та розташуванні хвостових щетинок та гіподермальних залоз. У P. parietinus виявлено чотири личинкові стадії на основі даних морфометрії, наявності линяючих особин, числа та розташування соматичних щетинок в стравохідному та хвостовому відділах тіла, а також числа гіподермальних залоз. Лише три личинкові стадії були виявлені нами у P. decens, зокрема на основі даних морфометрії, наявності линяючих особин, даних про число та розташування соматичних щетинок в стравохідному та хвостовому відділах тіла. Аналіз 150 нестатевозрілих особин P.communis виявив теж лише три морфологічно відмінні групи, які ми вважаємо личинковими стадіями.

Підсумовуючи відомі та нові дані про процес постембріонального розвитку у представників родини Plectidae, можна наголосити на таких його закономірностях. 1) Дейрид та бічне поле з кожного боку тіла у вигляді одного мідлатерального гребеня присутні у личинок першої стадії; на наступних стадіях бічне поле складається з двох сублатеральних гребенів. 2) У личинок першої стадії є дві хвостові щетинки, у другої - три, на наступних стадіях розвитку їх число та розташування є видоспецифічним. 3) У личинок першої стадії видів роду Plectus, у Ereptonema arcticum та Tylocephalus auriculatus в стравохідному відділі немає соматичних щетинок, одна вентросублатеральна пара щетинок з'являється в стравохідному відділі у личинок другої стадії, на наступних стадіях розвитку їх число та розташування є видоспецифічним. 4) Гіподермальні залози у Anaplectus з'являються у личинок другої стадії, у Plectus - у третьої стадії розвитку, число залоз зростає після кожного процесу линяння. 5) У видів роду Plectus після першої линьки з'являється склеротизація хейлостоми та змінюються пропорції стегостоми. 6) Дробильний апарат стравоходу у личинок першої стадії складається з трьох поздовжніх зубчастих гребенів, тоді як у другої-четвертої личинкових стадій та у статевозрілих особин - з поперечних зубчастих пластинок.

Вважаємо, що будова стоми та дробильного апарату рекапітулює процес еволюції цих органів у предкових таксонів, тоді як розвиток соматичних сенсил і гіподермальних залоз відображає лише вікову мінливість. Під час аналізу постембріонального розвитку ми виявили чотири личинкові стадії у Anaplectus grandepapillatus та Plectus parietinus. Така ж кількість личинкових стадій була описана для P. zelli (Tahseen et al., 1992) та характерна для нематод вцілому. Проте у P.communis, P. decens, Tylocephalus auriculatus (De Ley, Coomans, 1997) та Ereptonema arcticum (De Ley et al., 2002) виявлено лише три личинкові стадії в постембріональному розвитку.

Мінливість окремих діагнозтичних ознак

Оскільки, відмінності між видами не обмежуються лише якісними рисами - видоутворення часто починається із незначних кількісних відмінностей, які відображають непомітну на перший погляд різницю в екологічних, біохімічних чи поведінкових особливостях між групами особин (Nadler, 2002), то в цьому розділі розглядається мінливість окремих кількісних та морфометричних ознак, які застосовуються в діагностиці видів, і окремі випадки аномалій в їх будові.

Партеногенетичний рід Metateratocephalus утворює комплекс морфологічно подібних видів та форм, які мають певні морфометричні відмінності. Згідно даних кластерного аналізу вся сукупність із 21 вибірки розподіляється на п'ять кластерів: два кластери вибірок, що узгоджуються з даними морфометрії в описах M. crassidens (форми "А" та "В"); кластер вибірок M.gracilicaudatus; кластер (одна вибірка) M. bialowieziensis та кластер, який відповідає лише одній вибірці, що належать ймовірно новому виду (Metateratocephalus sp). Кластерний розподіл особин узгоджується із якісними ознаками притаманними видам. З поміж чотирьох проаналізованих нами видів M. crassidens має найбільший ареал; його популяціям властива значна екологічна валентність та поліморфізм ознак. Мінливість особин M. gracilicaudatus, які були виявлені лише в Європі та Південній Африці, є меншою.

Аналіз мінливості копулятивного апарату самців, зокрема числа, форми та взаємного розташування суплементарних органів показав, що суплементарний апарат амфіміктичних видів має меншу мінливість, ніж у партеногенетичних. Очевидно, у партеногенетичних видів суплементарний апарат не функціонує та випадає з-під дії еволюційного пресу. Виявлено теж, що ні число, ні розташування, ні довжина преклоакальних трубчатих суплементів не можна використовувати в якості видової ознаки в таксономії роду Plectus, оскільки для цих рис характерна значна мінливість. Філогенетичний зміст можуть мати лише випадки поступової олігомеризації суплементарного апарату в певній групі видів. Для двостатевих форм, як в діагностиці видів, так і в філогенетичному аналізі, доцільно враховувати дані з мінливості числа та будови суплементарних органів.

Описані потворності статевої системи (інтерсекс, розвиток подвійного набору жіночих гонад) у видів роду Plectus, які не впливають істотно на життєдіяльність організму. Проаналізовано потворності хвоста у трьох видів роду Plectus, які розділені на дві групи: перша група охоплює потворності, що зумовлені механічними пошкодженнями під час линьки або нападами хижаків. Друга група охоплює аномалії, що можуть мати генетичну природу або виникати в результаті порушень індивідуального розвитку - у таких особин хвіст має типову для виду форму, але у них відсутні хвостові залози та редукована спінеретта. Викликані генетично потворності хвоста можуть закріплюватися спадково і призводити до утворення нових видів з відсутньою спінереттою та хвостовими залозами.

Філогенетичні зв'язки та класифікація підряду Leptolaimina lorenzen, 1981

Комп'ютерний кладистичний аналіз. Під час комп'ютерного кладистичного аналізу всі ознаки ми розглядали як незалежні, що мають однаковий філогенетичний зміст. Окрім того, застосовувався принцип оптимізації "за Вагнером", який ґрунтується на таких засадах: 1) ймовірність прямого та зворотнього напрямку трансформації ознак однакові; 2) оптимальна кладограма повинна мати найменшу кількість змін стану ознаки (Forey et al., 1996); тобто - бути найбільш парсимонійною. Список застосованих 58 якісних ознак поданий в додатку Е, а матриця ознак, що охоплює 69 видів та 117 бінарних параметрів - в додатку Ж. Щоб виявити основу кладограми ми використали гіпотетичного предка, що характеризується комплексом примітивних ознак.

Використовуючи принцип парсимонії, було отримано 46 найбільш парсимонійних дерев з довжиною 189 кроків. Кладограма, отримана методом абсолютного узгодження найбільш парсимонійних дерев. Вона містить лише ті дихотомії, що присутні у всіх отриманих деревах, показуючи лише підтверджені в аналізі клади, тоді як політомії показують конфліктні варіанти (в т. ч. клади без апоморфій), які вимагають подальшого дослідження.

Таким чином, проведений нами комп'ютерний кладистичний аналіз дозволив однозначно і на основі значного числа ознак підтвердити монофілію наступних груп: родин Leptolaimidae, Aphanolaimidae, Metateratocephalidae, Plectidae, надродин Leptolaimoidea, Plectoidea, та підродини Wilsonematinae.

Філогенетична систематика та класифікація підряду Leptolaimina. Застосування порівняльно-анатомічних даних у філогенетичному аналізі та додаткових ознак дозволило запропонувати більш детальну гіпотезу про родинні зв'язки в межах підряду Leptolaimina

Згідно даних філогенетичного аналізу, який підтверджує спільність походження родин Aphanolaimidae та Leptolaimidae, ми розглядаємо обидва таксони в межах надродини Leptolaimoidea. В свою чергу родина Leptolaimidae, окрім розглянутих в даній роботі родів Leptolaimus та Paraplectonema, включає ще п'ять родів: Anomonema, Antomicron, Leptolaimoides, Leptoplectonema та Manunema. Ми не аналізуємо поділу родини Leptolaimidae на підродини, оскільки це вимагає аналізу додаткового матерілу. Родина Aphanolaimidae поділяється на дві підродини: Anonchinae з єдиним родом Anonchus, та Aphanolaiminae, яка об'єднує три роди Aphanolaimus, Aphanonchus та Paraphanolaimus.

Надродина Camacolaimoidea об'єднує представників, що населяють солоноводні біотопи і містить дві родини Camacolaimidae та Rhadinematidae. До складу надродини ми також відносимо роди Hemiplectus, Setostephanolaimus та Stephanolaimus, систематичне положення яких без аналізу додаткового матеріалу неможливе. Родина Camacolaimidae містить одинадцять родів: Anguinoides, Camacolaimus, Dagda, Deontolaimus, Diodontolaimus, Ionema, Listia, Onchiolistia, Onchium, Procamacolaimus та Smithsoninema. Родина Rhadinematidae окрім роду Rhadinema включає морфологічно близький Cricolaimus.

Третя надродина Plectoidea об'єднує чотири таксони: монотипову родину Pakiridae з одним родом Pakira; парафілетичну родину Chronogastridae, яка містить три роди Caribplectus, Chronogaster та Cynura; родину Metateratocephalidae з двома родами Euteratocephalus та Metateratocephalus; та найбільшу за числом родів і видів родину Plectidae, яка поділяється на три підродини: Plectinae з двома родами Plectus та Ceratoplectus; Anaplectinae, що містить три роди Anaplectus, Arctiplectus та Perioplectus, і Wilsonematinae, яка об'єднує чотири роди Ereptonema, Neotylocephalus, Tylocephalus та Wilsonema.

Таким чином, в результаті проведених досліджень ми пропонуємо такі зміни до класифікації підряду Leptolaimina. 1) Ґрунтуючись на унікальних рисах в будові шийної залози, вважаємо доцільним відновити статус підродини Aphanolaiminae та підняти її до рангу родини; ввести до її складу підродину Anonchinae з родини Leptolaimidae. 2) Піднести статус підродини Camacolaiminae до рангу надродини, оскільки на філогенетичному дереві вона є сестринською групою до надродини Plectoidea; родину Rhadinematidae перенести із надродини Leptolaimoidea в надродину Camacolaimoidea, зважаючи на однакову будову сім'яників у представників обох родин. 3) Ґрунтуючись на особливостях в будові стравохода, відновити статус родини Pakiridae та вмістити її в межі надродини Plectoidea, а в родину Chronogastridae перенести роди Caribplectus та Cynura з родини Leptolaimidae. 4) Понизити статус родини Anaplectidae до рангу підродини, вмістити в неї рід Arctiplectus, розмістити цю підродину в родині Plectidae. 5) Три роди звести в синоніми: рід Chiloplectus об'єднати з родом Plectus, рід Haconnus - з Anonchus, рід Keralanema - з Chronogaster; у всіх трьох випадках, види із синонімізованих родів, згідно філогенетичних побудов, знаходяться в межах старших родів, а не є сестринськими до них таксонами.

Окремі аспекти Еволюції ґрунтових та прісноводних нематод підряду Leptolaimina lorenzen, 1981

Під час обговорення питання щодо еволюційного розвитку нематод в цілому, дослідник стикається із труднощами, зумовленими майже повною відсутністю історичних даних та недостатньою вивченістю таксономічного і морфологічного розмаїття багатьох груп. Отримані нами результати дозволяють розглянути ймовірні напрямки еволюції прісноводних та ґрунтових представників підряду Leptolaimina, та пов'язані з цим морфологічні перетворення.

Пристосування до існування в прісних водоймах і ґрунті. Найбільш примітивні таксони підряду Leptolaimina: родини Leptolaimidae, Camacolaimidae, Rhadinematidae - виявлені в солоних водоймах. Оскільки більшість видів з рядів Araeolaimida, Monhysterida та Chromadorida, які є філогенетично спорідненими до підряду Leptolaimina, населяють солоні водойми, вважаємо, що предкові таксони досліджуваної групи населяли морські біотопи. Перехід нащадків до існування в прісноводних та ґрунтових біотопах відбувався в межах підряду Leptolaimina незалежно кількома філогенетичними лініями, та супроводжувався морфологічними та фізіологічними змінами.

Види з родин Camacolaimidae та Rhadinematidae є морськими, тоді як рід Hemiplectus, попередньо вміщений нами в межі надродини Camacolaimoidea, зустрічається в мохах. В межах родини Leptolaimidae, види роду Paraplectonema можна вважати евригалінними, оскільки вони виявлені у внутрішніх морях, естуаріях, прісних водоймах, ґрунті. Представники інших родів родини Leptolaimidae трапляються виключно в солоних водоймах. Родина Aphanolaimidae об'єднує групу родів, що пристосувалися до існування в солонуватих і прісних водоймах, а також в ґрунті. Наприклад із дванадцяти відомих видів роду Anonchus популяції чотирьох видів населяють морські прибережні біотопи, одного - гирла рік, а решта - зустрічаються в прісних водоймах. З восьми відомих видів роду Aphanonchus два виявлено в гирлах рік, решта шість видів - в прісних водоймах. Види родів Paraphanolaimus та Aphanolaimus, трапляються лише в прісних водоймах і ґрунті. Серед таксонів, об'єднаних в надродині Plectoidea, лише види родів Cynura та Caribplectus трапляються в солоних і солонуватих водоймах. Решта представників надродини населяють майже виключно прісноводні та ґрунтові біотопи.

Основна відмінність між солоними та прісними водоймами - рівень та стабільність концентрації іонів солей у воді та осмотичний тиск - параметри, які є найбільш змінними в естуаріях (Шмидт-Ниельсен, 1982). Вважаємо, що для успішного освоєння біотопів із низьким осмотичним тиском та низьким вмістом розчинних солей необхідні зміни у функціонуванні секреторно-екскреторної системи, які можуть відображатися морфологічно. Під час порівняння будови ренетти у мешканців морських і прісних водойм ми виявили низку відмінностей в її будові. Лише у типово прісноводних представників підряду Leptolaimina видільний канал ренетти довгий і сильно кутикулізований, видільна ампула відсутня, а у окремих таксонів проксимальна частина видільного канала пронизує тіло супутніх целомоцитів. Імовірно, така будова ренетти забезпечує підтримку сталої концентрації солей у рідині схізоцелю в умовах гіпоосмотичного чи нестабільного середовища. Підтвердженням нашого припущення є факт неодноразової появи такого типу будови ренетти в межах досліджуваного підряду.

Однією із істотних відмінностей між характеристиками ґрунтових та водних біотопів є об'єм води в якому рухається нематода. У водоймах нематоди, населяючи верхній шар донних осадів, переміщуються у досить великих об'ємах води, які значно перевищують розміри їх тіла. В ґрунті нематода рухається по невеликих проміжках між твердими частинками субстрату, в капілярній плівці води (Гагарин и др., 1999). Тому, під час проникнення нематод в щільний субстрат (в т.ч. і ґрунт) у них можуть виникати морфологічні зміни, які спрямовані на підвищення ефективності локомоції в такому середовищі. Для підвищення ефективності руху у нематод формується латеральна диференціація кутикули: бічне поле ряди потовщень, тощо.

Зміна середовища існування організмів супроводжується не лише появою нових структур, а й редукцією функціонально непотрібних органів. Помічено, що у переважної більшості ґрунтових нематод відсутні хвостові залози, які відіграють важливу роль під час локомоції у водному середовищі. Вони дозволяють нематоді зафіксуватися на субстраті, прикріпившись за допомогою клейкого секрету хвостових залоз, а головним кінцем тіла виконувати пошукові рухи в товщі води. З-поміж проаналізованих таксонів, хвостові залози відсутні у таких типово ґрунтових (Pakira, Plectus spicacaudatus, P.amorphotelus) та прісноводних (Chronogaster, Euteratocephalus, Metateratocephalus) представників. Вважаємо, що під час руху в щільному субтраті, роль хвостових залоз незначна. У більшості представників прісноводного роду Chronogaster редукція хвостових залоз у спільного предка призвела до того, що у окремих видів цього роду утворилися інші пристосування для фіксації хвостового кінця тіла на субстраті - це різного розміру і форми шипи, розташовані на термінусі хвоста.