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Schmidt, Kai (2015): The phylotypic stage of Zebrafish: looking beyond the hourglass – about the underlying mechanisms responsible for the conservation of the phylotypic stage. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie
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Abstract

The phylotypic stage, as part of the embryonic period, is the stage where embryos of different species of a phylum show a high degree of similarity. Johann Friedrich Meckel, Karl Ernst von Baer and Ernst Haeckel already described it for vertebrates in the 19th century. They observed that vertebrate embryos pass through a period of morphological similarity. Since then, scientists have researched the field of the phylotypic stage and it was subject of many controversial discussions. The name “phylotypic stage” was coined by Klaus Sander in 1983 and describes not only the stage of the highest similarity but also the stage, typical (characteristic) for a phylum. The following study examines the phylotypic stage of zebrafish (Danio rerio). Looking at different conserving mechanisms like internal constrains and stabilizing selection, different hypothesis and concepts by several researchers were tested. To test if the phylotypic stage is accessible to selection (although it generally is considered a conserved evolutionary stage) I have studied patterns of variation during embryogenesis. I have looked at the phenotypic variance and the number of significant correlations among embryonic traits and described the phylotypic stage as a period characterized by a high number of internal correlations and declining phenotypic variance. Then, I tested if changes in the raising conditions could elicit phenotypic changes. Therefore, zebrafish embryos have been raised under different experimental conditions to see if developmental plasticity can be induced during the early developmental period and if clearly defined modules can be identified. Eggs of zebrafish were raised in: (1) different temperatures; (2) different salinities; and (3) different levels of oxygen concentration. Up to 14 characters of individual embryos were measured during early development, encompassing the phylotypic stage. In particular I found a considerable degree of heterochrony and modularity. Embryos grew slower at lower temperatures and lower oxygen levels. Plasticity was detected in the overall size of the embryo and the size of somites in the oxygen and temperature experiment. The development of the eye and otic vesicle was shifted to a later x stage under severe hypoxia. Thus, eye and otic vesicle could be identified as modules, which can be dissociated from other characters of the developing embryo (heterochrony). Changes in raising condition affect early development of the zebrafish on three levels: (1) developmental rate (2) size and shape, and (3) dissociation of modules. Thus, plasticity and modularity are effective during early embryonic development. Finally I studied the heritability of embryonic traits to examine how inheritance contributes to the stabilization of the phylotypic stage in variable environments. Following the heritabilities of certain traits reveals that the phylotypic stage is not characterized by a certain pattern of decreased heritability and thus decreased additive genetic variance. The results suggest that the phylotypic stage of zebrafish is constrained by multiple internal correlations when embryos are developing in standard conditions. However, under marginal developmental conditions so far ineffective modules become effective and buffer the embryo against disruptive effects of the environment. Patterns of family resemblance are present, indicating an inherited genetic portion of the phylotypic stage. However, under strong environmental influence it is dominated by variation associated with phenotypic plasticity. My general conclusion is that the phylotypic stage is not established because additive genetic variance is exhausted during the early period of vertebrate development but that it is under environmental and genetic influence, thus is accessible to selection. Internal constraints could be identified to stabilize morphology during the phylotypic stage, but a certain degree of phenotypic variation can be observed.

Abstract

Das phylotypische Stadium ist das Embryonalstadium, in dem sich die Embryonen eines Phylums sehr ähnlich sind; ähnlicher als in jedem anderen Embryonalstadium. Es wurde in der Embryonalentwicklung der Wirbeltiere bereits von Johann Friedrich Meckel, Karl Ernst von Baer und Ernst Haeckel im 19. Jahrhundert beschrieben und ist seitdem Grundlage kontroverser Diskussionen in der Wissenschaft. Sie beobachteten, dass die Wirbeltierembryonen eine Periode in ihrer Entwicklung durchlaufen, in der sie sich sehr ähnlich sehen. Der Name “Phylotypisches Stadium” wurde 1983 von Klaus Sander geprägt und beschreibt neben dem Stadium mit der größten Ähnlichkeit auch das Embryonalstadium, das für einen Tierstamm (Phylum) typisch ist. Die folgende Studie untersucht das phylotypische Stadium anhand der Embryonen der Zebrabärblinge (Danio rerio). Unterschiedliche Hypothesen für die Ausbildung und Konservierung dieses Stadiums werden aufgrund von empirischen Daten getestet. Zunächst wird der genaue Zeitraum festgelegt, in dem das phylotypische Stadium bei den Zebrabärblingen auftritt. Hierfür wurde die phänotypische Varianz und die Anzahl signifikanter Korrelationen von embryonalen Merkmalen bestimmt. Das phylotypische Stadium bei Zebrabärblingen zeichnet sich als eine Entwicklungsperiode, definiert durch das Auftreten einer größeren Anzahl signifikanter Korrelationen zwischen den einzelnen Merkmalen und einer sich verringernden phänotypischen Varianz, aus. Als nächstes habe ich getestet, ob sich Änderungen in den Aufzuchtsbedingungen auf den Phänotyp auswirken. Die Embryonen wurden unter unterschiedlichen experimentellen Bedingungen aufgezogen, um zu sehen ob in der Embryonalentwicklung Plastizität beobachtet werden kann und ob klar definierte Entwicklungsmodule (Modularität) identifiziert werden können. Dafür wurden die Eier der Zebrabärblinge unterschiedlichen Temperaturen, Salinitäten und Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt. Bis zu 14 embryonale Strukturen wurden an den einzelnen Individuen während der Frühentwicklung (das phylotypische Stadium eingeschlossen) vermessen. Insbesondere konnte Heterochronie und Modularität nachgewiesen werden. Des Weiteren war zu beobachten, dass Embryos bei niedrigeren Temperaturen und bei xii niedrigerer Sauerstoffkonzentration langsamer wuchsen. Merkmale wie die Größe des Embryos und Somitengröße zeigten ein größeres Maß an Plastizität in den Temperatur- und Sauerstoffkonzentrationversuchen. Bei einer reduzierten Sauerstoffkonzentration wurde die Entwicklung der Anlagen für das Auge und die Ohranlage im Vergleich zu anderen embryonalen Merkmalen erst zu einem späteren Zeitpunkt realisiert. Somit konnten Auge und Ohranlage als abgegrenzte Module identifiziert werden, die sich unabhängig von anderen embryonalen Strukturen entwickeln und in ihrer Entwicklungslaufbahn unter bestimmten Bedingungen verschoben werden können. Veränderungen der Aufzuchtsbedingungen beeinflussen die Entwicklung der Embryonen auf drei Ebenen: (1) Entwicklungsgeschwindigkeit, (2) Größe und Gestalt und (3) Verschiebung von Modulen in der Entwicklungslaufbahn (Heterochronie). Daraus folgt, dass Plastizität, Modularität und Heterochronie bereits in der embryonalen Frühentwicklung und somit auch während des phylotypischen Stadiums nachgewiesen werden können. Als letztes wurden die Heritabilitäten von embryonalen Merkmalen untersucht, um zu bestimmen inwieweit Vererbung für die Konservierung des phylotypischen Stadiums, auch unter variierenden Umwelteinflüssen, verantwortlich ist. Die Heritabililtäten einzelner Merkmale ergaben, dass sich das phylotypsche Stadium nicht durch ein spezifisches Muster von sich verringernden Heritabilitäten und somit auch nicht durch verringernder additiver genetischer Varianz beschreiben lässt. Die Gesamtheit der Resultate ergibt, dass das phylotypische Stadium durch entwicklungsbedingte Zusammenhänge einzelner Strukturen unter standardisierten Bedingungen konserviert wird. Jedoch unter grenzwertigen Aufzuchtsbedingungen werden einzelne Module sichtbar und puffern wahrscheinlich die Embryonalentwicklung gegen die Effekte widriger Umwelteinflüsse. Muster von familiären Ähnlichkeiten sind vorhanden und weisen auf einen genetischen Einfluss auf das phylotypische Stadium hin. Allerdings sind unter starken Umwelteinflüssen auch im phylotypischen Stadium Variationen zu finden, die auf Plastizität zurückzuführen sind. Zusammenfassend ist zu sagen, dass während des phylotypischen Stadiums die additive genetische Varianz keines Falls erschöpft ist, sondern dass das phylotypische Stadium unter einem genetischen und umweltbedingten Einfluss steht, und somit auch den xiii selektiven Kräften unterliegt. Interne Zwänge konnten als der Hauptgrund für die Konservierung des phylotypischen Stadiums identifiziert werden, aber ein gewisser Grad an phänotypischer Varianz bleibt erhalten.