Vergleichende Studien zur Gliedmaßenentwicklung bei Arthropoden

Prpic, Nikola-Michael (2004). Vergleichende Studien zur Gliedmaßenentwicklung bei Arthropoden. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Die Gliedmaßen der Arthropoden (die Arthropodien) sind seit jeher ein wichtiger Merkmalskomplex für die phylogenetische Forschung. Ziel dieser Arbeit war es, die molekularen Mechanismen der Beinentwicklung in mehreren Arthropodenarten vergleichend zu untersuchen. Auf diese Weise sollten konservierte und divergente Aspekte der Beinentwicklung beleuchtet werden und nach Anhaltspunkten gesucht werden, die Aufschlüsse über die Stammesgeschichte der Arthropoden geben können. In Drosophila existiert eine hierarchische, dreischichtige Genkaskade, welche das Beinwachstum und die Beinsegmentierung steuert. Homologe Gene zu allen drei Ebenen dieser Genkaskade wurden aus dem Tausendfüßer Glomeris marginata und der Kammspinne Cupiennius salei isoliert und untersucht; ergänzende Studien wurden auch mit dem Mehlkäfer Tribolium castaneum, der Taufliege Drosophila melanogaster und der Hausspinne Tegenaria atrica durchgeführt. Es zeigte sich, daß bezüglich aller Genexpressionen Unterschiede zwischen den Arten existieren. Allerdings sprechen die vorliegenden Daten trotzdem für eine Konservierung der Genkaskade innerhalb der Arthropoden. Die Feinjustierung innerhalb der Genkaskade ist aber offensichtlich in den unterschiedlichen Arthropodengruppen jeweils anders geregelt. Auf Grund dieser Tatsache wird dem Gedanken eine Absage erteilt, daß die Beinsegmente verschiedener Beintypen und Arthropodenklassen miteinander direkt oder seriell homologisiert werden können. Daneben wurde die Morphogenese der Beine von Cupiennius näher untersucht. Es zeigte sich, daß in der Nähe der entstehenden Gelenke Wachstumszonen existieren, deren Aktivität offenbar durch den Notch- und den Egfr-Signalweg, zwei wichtige Signalwege, gesteuert wird. Obwohl zu den Wachstumszonen bislang nur wenig vergleichende Daten vorliegen, deutet manches darauf hin, daß auch diese morphogenetischen Zentren innerhalb der Arthropoden konserviert sind. Auf der Basis der gewonnenen Daten wird schließlich gezeigt, wie damit neue Homologie- und Stammbaumhypothesen postuliert werden können. Dies zeigt zugleich wie lückenhaft unser Wissen über die Evolution der Gliedmaßen bei Arthropoden noch immer ist. Der Ursprung der Arthropodien und die Beschaffenheit des Urarthropodiums bleiben auch weiterhin offene Fragen der Phylogenetik.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Comparative studies of appendage development in arthropods	English

Translated abstract:

Abstract

Language

The appendages of the arthropods (termed arthropodia) have been and still are an important character complex in phylogenetic research. The aim of this work was to comparatively study the molecular mechanisms of leg development in a variety of arthropod species, in search of conserved and divergent aspects of this process and of clues to the phylogeny of the arthropods. In Drosophila there is a hierarchic, three-level gene cascade guiding leg development and leg segmentation. Homologous genes from all three levels of the cascade have been isolated from and studied in the myriapod Glomeris marginata and the ctenid spider Cupiennius salei; supplementary studies have been performed on the flour beetle Tribolium castaneum, the fruitfly Drosophila melanogaster, and the house spider Tegenaria atrica. Between all species differences were discovered in the expression profiles of all studied genes. Nevertheless, the present data suggest that the gene cascade is conserved among all arthropods. The fine adjustments within the cascade, however, appear to be regulated differently in the different arthropod groups. Because of this the notion is rejected, that leg segments of different appendage types or arthropod classes can be homologized. Furthermore leg morphogenesis was studied in more detail in the spider Cupiennius salei. This led to the identification of growth zones localized in the vicinity of the developing leg joints. The proliferative activity of the growth zones apparently is controlled by two major signaling pathways, namely the Notch and Egfr pathways. Although there are only few studies regarding the growth zones there is evidence for these morphogenetic centers to be conserved among the arthropods. Finally, on the basis of the present results it is demonstrated how the data can be utilized in order to propose novel homology hypotheses and new phylogenies. At the same time these attempts serve to demonstrate the persisting incompleteness of our knowledge on the evolution of arthropod appendages. The origin of the arthropodium and the nature of the first arthropodium (the "ur-arthropodium") remain open questions in phylogenetic research.

English

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