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古生物学报51 ): 281-289 2012ActaPalaeontologicaSinica 51 ): 281-289 September 2012 收稿日期2012 06 04 国家自然科学基金40902004 40572070 TSXK0801 )、 中国科学院地学与生命科学交叉项目KZCX2 YWJC104 )、 中国科学院 国家外 国专家局创新团队国际合作伙伴计划和中国科学院南京地质古生物研究所现代古生物学和地层学国家重点实验室项目资助** 通讯作者杨群江苏南京北京东路39中国科学院南京地质古生物研究所邮编210008 mail qunyang nigpas.ac.cn 叶肢介颈器的超微形态特征及其演化意义 孙晓艳 ** 现代古生物学和地层学国家重点实验室中国科学院南京地质古生物研究所南京 210008 qunyang nigpas.ac.cn 提要 颈器的构造与功能在甲壳动物的演化过程中存在明显差异其同源性受到质疑本研究在叶肢介颈器 的超微形态比较与分子系统学分析基础上对该器官的同源性进行了讨论颈器的超微形态分析表明叶肢介的 颈器形态多样包括椭圆形马蹄形花边形梨核形等其中马蹄形花边形梨核形颈器为首次报道类型颈器的 形态在属与种分类级别上呈现一定的稳定性如马蹄形颈器出现在种个体上基于分子数据的系统发生分 析为评判颈器的同源性与演化意义提供了依据系统分析表明颈器并非鳃足纲与颚足类的共有衍征而可能是 泛甲壳动物的祖征鳃足纲渔乡蚌科颈器存在种状态特征包括具颈器但不突出颈器显著突出呈梨形以及 颈器不同程度的退化或丢失颈器的形态特征可作为种或属级别上分类的辅征关键词 鳃足纲 蚌壳虾 颈器 超微形态特征 COI系统发育分析 扫描电镜 颈器nuchal organ dorsal organ ), 亦称额器前器官frontal organ ), 具有特征性的位置与外观 形态一般位于头区中线之上复眼之后触角与大 颚间略高于表皮被覆纤薄上皮颈器曾被认为可 能是一种退化的古老器官幼期的呼吸器官抑或 未曾集合的残遗个眼但其形态发生与功能却不甚 明了堵南山1987 )。 该术语已被用于诸多甲壳动 物现生与化石类群中的相似结构尽管这些相似结 构的同源性还有待斟酌 Fincham and Rainbow 1988 Müller and Walossek 1988 Martin andLa verack 1992 Walossek 1993 Jensen etal 1994a 1994b Rybakov et al 2003 )。 颈器构造广泛存在于现生鳃足纲 插图 )、 软甲纲颚足纲 包括桡足类鳃尾类蔓足类须虾类 的成体中 Müllerand Walossek 1988 Martin and Laverack 1992 Walossek 1993 Jensenetal 1994a 1994b Rybakovetal 2003 Crasquin et al 2009 )。 Fioroni 1980 认为 胚胎期的颈器主要功能是为这些壳相节肢动物提供 营养从而推测节肢动物的颈器可能是趋同演化的 结果换而言之颈器并非同源器官 homologous organ )。Olesen 1996 比较了盘肠溞科 Chydo ridae 颈器的形态特征认为颈器为同源器官具有 显著的系统演化意义并归纳了盘肠溞科颈器的演 化系列将边缘侧孔消失两侧具对称头孔中间为 个小孔的特征作为盘肠溞亚科的祖征甲壳动物的颈器最早的化石记录可以追溯到早 寒武世Zhang 2010 在寒武纪早期真甲壳动物 后无节幼 Wu icarismuelleri 的头胸甲上发现一 个次卵圆形平板区该构造与来自寒武纪晚期的颚 足类干部类群 Bredocaris admirabilis Müller and Walossek 1988 )( 插图 ), 以及寒武纪晚期的鳃 足纲干部类群 Rehbachiella kinnekullensis Walossek 1993 的颈器都非常相似无论是从位 置与形态发生上这些化石类群的颈器构造均与现 生的甲壳动物相似因此Walossek 1993 认为颈 器构造是同源的并将该特征作为了颚足类与鳃足 纲的共同衍征Crasquin2009 比较了从奥陶纪延续至石炭

Evolutionary significance of morphological divergence of dorsal organs in clam shrimps

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古生物学报,51(3):281-289(2012年9月)Acta Palaeontologica Sinica,51(3):281-289(September,2012)

  收稿日期:2012-06-04*国家自然科学基金(40902004,40572070,TSXK0801)、中国科学院 地 学 与 生 命 科 学 交 叉 项 目(KZCX2-YW-JC104)、中 国 科 学 院-国 家 外

国专家局创新团队国际合作伙伴计划和中国科学院南京地质古生物研究所现代古生物学和地层学国家重点实验室项目资助。**通讯作者:杨群,江苏南京北京东路39号,中国科学院南京地质古生物研究所,邮编210008,E-mail:qunyang@nigpas.ac.cn。

叶肢介颈器的超微形态特征及其演化意义*

孙晓艳 杨 群**

(现代古生物学和地层学国家重点实验室,中国科学院南京地质古生物研究所,南京210008,qunyang@nigpas.ac.cn)

  提要 颈器的构造与功能在甲壳动物的演化过程中存在明显差异,其同源性受到质疑。本研究在叶肢介颈器

的超微形态比较与分子系统学分析基础上,对该器 官 的 同 源 性 进 行 了 讨 论。颈 器 的 超 微 形 态 分 析 表 明,叶 肢 介 的

颈器形态多样,包括椭圆形、马蹄形、花边形、梨核形等,其中马蹄形、花边形、梨核形颈器为首次报道类型。颈器的

形态在属与种分类级别上呈现一定的稳定性,如马蹄形颈器出现在2属4种个体上。基于分子数据的系统发生分

析为评判颈器的同源性与演化意义提供了依据。系统 分 析 表 明,颈 器 并 非 鳃 足 纲 与 颚 足 类 的 共 有 衍 征,而 可 能 是

泛甲壳动物的祖征;鳃足纲渔乡蚌虫科颈器存在3种 状 态 特 征:包 括 具 颈 器 但 不 突 出,颈 器 显 著 突 出 呈 梨 形,以 及

颈器不同程度的退化或丢失。颈器的形态特征可作为种或属级别上分类的辅征。

关键词 鳃足纲 蚌壳虾 颈器 超微形态特征 COI系统发育分析 扫描电镜

1 前 言

颈器(nuchal organ,dorsal organ),亦称额器、

前器官(frontal organ),具 有 特 征 性 的 位 置 与 外 观

形态,一般位于头区中线之上、复眼之后、触角与大

颚间、略高于表皮、被覆纤薄上皮。颈器曾被认为可

能是一种退化的古老器官,幼虫期的呼吸器官,抑或

未曾集合的残遗个眼,但其形态发生与功能却不甚

明了(堵南山,1987)。该术语已被用于诸多甲壳动

物现生与化石类群中的相似结构,尽管这些相似结

构的 同 源 性 还 有 待 斟 酌(Fincham and Rainbow,

1988;Müller and Walossek,1988;Martin and La-verack,1992;Walossek,1993;Jensen et al.,

1994a,1994b;Rybakov et al.,2003)。颈器构造广泛存在于现生鳃足纲(插图1-a,1-

b)、软甲纲、颚 足 纲(包 括 桡 足 类、鳃 尾 类、蔓 足 类、

须虾 类)的 成 体 中(Müller and Walossek,1988;

Martin and Laverack,1992; Walossek,1993;

Jensen et al.,1994a,1994b;Rybakov et al.,

2003;Crasquin et al.,2009)。Fioroni(1980)认 为

胚胎期的颈器主要功能是为这些壳相节肢动物提供

营养,从而推测节肢动物的颈器可能是趋同演化的

结果,换 而 言 之,颈 器 并 非 同 源 器 官(homologousorgan)。但Olesen(1996)比较了盘肠溞科(Chydo-ridae)颈器的形态特征,认为颈器为同源器官,具有

显著的系统演化意义,并归纳了盘肠溞科颈器的演

化系列,将边缘侧孔消失、两侧具对称头孔、中间为

2个小孔的特征作为盘肠溞亚科的祖征。

甲壳动物的颈器最早的化石记录可以追溯到早

寒武世,Zhang等(2010)在 寒 武 纪 早 期 真 甲 壳 动 物

后无节幼虫Wujicaris muelleri的头胸甲上发现一

个次卵圆形平板区,该构造与来自寒武纪晚期的颚

足类干 部 类 群Bredocaris admirabilis(Müller andWalossek,1988)(插 图1-c),以 及 寒 武 纪 晚 期 的 鳃

足 纲 干 部 类 群 Rehbachiella kinnekullensis(Walossek,1993)的颈器都非常相似。无论是从位

置与形态发生上,这些化石类群的颈器构造均与现

生的甲壳动物相似。因此,Walossek(1993)认为颈

器构造是同源的,并将该特征作为了颚足类与鳃足

纲的共同衍征。

Crasquin等(2009)比较了从奥陶纪延续至石炭

纪的古介形虫目(Archaeostraca)成体,认为颈器呈

现两种构造特征,一类位于头胸甲的背缘,一类则位

于头胸甲背部中央,分别与现生的软甲纲叶虾亚纲

(Phyllocarida)和其他甲壳动物的颈器同源,均属于

感觉器官(插图1-d)。

插图1 甲壳动物颈器位置示意图(箭头所示)

Diagram showing the position(at arrow)of dorsal organ

amongst different crustaceans

a.渔乡蚌虫(Limnadia)头 部。b.锐 眼 蚌 虫(Lynceus)幼

体。c.寒武 纪 芙 蓉 统 颚 足 类Bredocaris admirabilis。d.

中泥盆统古介形类Dithyrocaris oculeus,同 时 拥 有 两 种 颈

器构造。

a.Limnadia,head.b.Lynceus,larval stage.c.the Cam-

brian(Furongian)maxillopod Bredocaris admirabilis.d.

in the Middle Devonian archaeostracan Dithyrocaris ocule-

us,which has two structural forms of dorsal organ.

  在叶肢介软体保存的化石记录中,爱尔兰石炭

纪晚期的沼泽叶肢介(Limnestheria)具渔乡蚌虫科

壳瓣特征,即胎壳大,生长线数量少,尾节具刺,具两

对执握肢(古渔乡叶肢介科,Palaeolimnadiidae),但

因没有梨状凸起的颈器,即前器官,其在渔乡蚌虫科

中的系统位置一直受到质疑,推测认为渔乡蚌虫科

的前器官仅为薄表皮凸起,不易保存,而沼泽叶肢介

的头部细节特征也是不明的(Orr and Briggs,1999;

Shen,2011)。但究竟是不易保存,还是沼泽叶肢介

的颈器特征呈现了祖征状态,并没有显著凸起呈梨

状,这还需要进一步的研究。从颈器的内部超微构造上来看,颈器可能是机

械感 受 器 官 或 化 学 感 受 器 官(Laverack et al.,

1996)或 渗 透 调 节 器 官(Croghan,1958;Ewing etal.,1974;Rieder et al.,1984;Criel,1991)。

Copeland(1966)研究了鳃足纲无甲目(Anostraca)成体的颈器,发现其超微构造和鳃的很相似,无甲类

成体的颈器是个盐分分泌器官,具有渗透调节功能。

Laverack等(1996)比 较 了 亲 缘 关 系 较 远 的 原 虾 总

目(Syncarida)的山虾(Anaspides)与 十 足 目(Deca-poda)的褐虾(Crangon),这两个物种的颈器的外部

形态与内部超微结构相似,其中颈器的乳突区下存

在与之紧密相 连 感 觉 树 突(插 图2),这 些 受 神 经 支

配的特征表明,颈器可能具有压力感觉功能。为区

别于其它的颈器而称为感觉型颈器(sensory dorsalorgan)。Rieder(1984)研究了刺尾部渔乡蚌虫和狭

蚌虫(Leptestheria)的颈器超微构造,其细胞类型和

神经纤维的组成都与无甲目存在显著差异,颈器具

有氯离子的渗透调节功能。虽然渔乡蚌虫和狭蚌虫

的颈器表面都缺乏和十足目、原虾总目类似的乳突

状构造,但是从上皮层延伸至表皮的神经纤维构造

与后者非常相似,说明渔乡蚌虫和狭蚌虫的颈器也

可能具有感觉功能。

插图2 颈器内部构造的示意图(引自Laverack et al.,1996)

Internal structure of dorsal organ(After Laverack et al.,1996)

  综上所述,在甲壳动物中,颈器位置保守,形态 相似,但内部的超微构造和功能存在显著差异。本

282 古  生  物  学  报 第51卷      

研究旨在分析鳃足纲的颈器形态类型、同源性及其

演化意义,首次对分布于中国的叶肢介光尾亚目和

刺尾亚目共3科6属8种的颈器构造进行了电镜扫

描观测,采用独立于形态性状之外的分子数据所构

建的系统发育树,在此基础上分析颈器不同形态类

型的演化关系。

2 材料与方法

1)研究样品

本研究所用的8种叶肢介均为现生物种,采自

我国东部及川、滇等省区,分属两个亚目(光尾亚目

和刺尾亚目)(表Ⅰ)。表Ⅰ 超微分析所用物种及其产地

Species list for ultramorphological study and

collection locations

亚目 种名 采集地

Laevicaudata  Lynceustaianensis 山东泰安

Spinicaudata

Eocyzicus taianensis 山东泰安

Eocyzicus yanzhouensis 山东兖州

Eocyzicus mongolianus 黑龙江大庆

Cyzicus sinensis 黑龙江镜泊湖

Caenestheriasp. 云南昆明

Leptestheriasp. 四川成都

Eoleptestheriasp. 江苏金坛

  2)现生材料的固定与扫描电镜分析

所有样品均 保 存 在70%乙 醇 与 福 尔 马 林 的 混

合液 中,再 经 丙 酮 洗 脱 干 燥,镀 金 后,置 于 LEO1530型扫描电镜中扫描分析。

3)系统发育分析

细 胞 色 素 氧 化 酶 亚 基I(cytochrome oxidasesubunit I,COI)基 因 常 用 于 节 肢 动 物 系 统 发 育 研

究。基于GenBank现 有 数 据,我 们 采 用 了COI上

游区(618bp)和 下 游 区(880bp)两 段 序 列 的 联 合 数

据构建鳃足动物的系统树 (表Ⅱ)。

  对上述序列,采用氨基酸指导下的核苷酸对位

排列(DAMBE,Xia and Xie,2001),对位排列后的

序列分为全数据组与密码子1、2、3位以及1+2位

共5个数据集,进行替代过饱和检验。去除替代过

饱和位点后,用 MrModeltest 2.2(Nylander,2004)选择最优核苷酸替代模型,计算参量,最后采用 Mr-Bayes 3.1.2(Ronquist and Huelsenbeck,2003)构

建贝叶斯树。依据 MrModeltest 2.2选择的最优模

型,在 MrBayes软件下分别并行运行4条马尔可夫

链,共运行1 000万代,其中每100代存 储 一 颗 树,舍弃老化样本20 000代。以鲎虫属为外群。

基于系统发育分析所得到的贝叶斯树,以“具颈

器但不突出”作为原始特征,对鳃足纲渔乡蚌虫科颈

器的特 征 转 变 进 行 祖 先 状 态 重 建 分 析(MacClade4.08a,Maddison and Maddison,2005)。目前对于

系统树各节点上特征状态估算比较常用的有两种假

说:延 滞 进 化(DELTRAN)与 加 速 进 化(ACCT-RAN),延滞进 化 将 系 统 树 上 的 不 确 定 性 归 因 于 平

行演化的结果,而加速进化则由返祖获得。本研究

分别采用这两种方法求算,进行比较,并采用最大简

约重建(MPR,most parsimonius reconstruction)方法对祖先状态重建进行优化。

3 结果与讨论

3.1 叶肢介颈器的形态多样化

1)花边状I型颈器。发现于中华蚌壳虫(Cyzi-cus sinensis,插图3-a)中。特征是:亚矩形外边缘内

有一个花边状内缘;中央区明显凸起;中央区两侧各

有一个脊状凸起。

2)花边状II型 颈 器。发 现 于 原 狭 蚌 虫 未 定 种

(Eoleptestheriasp.,插图3-b)中。特征是:亚 矩 形

外边缘内有一个四瓣花状内缘,四花瓣区内具四个

圆形凹区。

3)马 蹄 形 颈 器。发 现 于 原 蚌 虫 属 蒙 古 原 蚌 虫

(Eocyzicus mongolianus,插 图3-d),兖 州 原 蚌 虫

(Eocyzicus yanzhouensis,插 图3-e),泰 安 原 蚌 虫

(Eocyzicus taianensis,插 图3-f),以 及 隐 妇 蚌 虫 属

隐妇 蚌 虫 未 定 种(Caenestheria sp.,插 图3-g)中。原蚌虫的颈器均呈马蹄状,具显著边缘区。蒙古原

蚌虫的颈器具四个凸起,中央区有一个狭长的凹陷;兖州原蚌虫颈器具四个明显凸起,中央区则无明显

凹陷;泰安原蚌虫颈器无明显结构;隐妇蚌虫的颈器

也呈马蹄状,边缘明显,有四个凸起,中央区有一个

很大的枣核状凸起,凸起上散布若干小坑。

4)梨 核 形 颈 器。发 现 于 狭 蚌 虫(Leptestheriasp.,插图3-c)中。狭蚌虫的颈器呈梨核 状,具 四 个

凸起,中央区有一个较为狭长凹陷带。

5)卵 形 颈 器。发 现 于 泰 安 锐 眼 蚌 虫(Lynceustaianensis,插图3-h,3-i)中。颈器明显凸起,这与其

它3个光尾类的颈器不同(Lynceus pachydactylus,

Lynceus brachyurus,Paralimnetis;Martin and

382 第3期 孙晓艳等:叶肢介颈器的超微形态特征及其演化意义    

表Ⅱ 本研究所分析的鳃足纲类群与序列数据的GenBank登录号

List of species of Branchiopoda included in this study and the accession numbers(Acc#)from GenBank

分类群Taxa  GenBank Acc#

科Family 属 Genus 种Species  COI 5’seq  COI 3’seq

渔乡蚌虫科Limnadiidae

拟蚌虫属Imnadia

真渔乡蚌虫属Eulimnadia

后蚌虫属 Metalimnadia

渔乡蚌虫属Limnadia

澳洲蚌虫属Limnadopsis

Imnadia yeyetta  EF189668 FJ499160

Eulimnadia braueriana  EF189667 FJ499132

Eulimnadiasp. FJ499209

Eulimnadia africana  FJ499202

Eulimnadia dahli  FJ499211

Eulimnadia cyclindrova  FJ499167

Eulimnadia diversa  FJ499219

Eulimnadia agassizii  FJ499201

Metalimnadiasp. FJ499197

Limnadia sordid  FJ499153

Limnadia stanleyana  FJ499175

Limnadia badia  FJ499192

Limnadia urukhai  FJ499173

Limnadia lenticularis  EF189671 FJ499169

Limnadopsis parvispinus  FJ830344 FJ499158

Limnadopsis tatei  FJ830345 FJ499182

Limnadopsis sp. FJ830338 FJ499190

蚌壳虫科Cyzicidae原蚌虫属Eocyzicus

蚌壳虫属Cyzicus

Eocyzicus digueti  FJ830352 FJ499188

Eocyzicus sp. FJ830353 FJ499213

Cyzicus sp. FJ499177

狭蚌虫科Leptestheriidae 狭蚌虫属Leptestheria

Leptestheria compleximanus  FJ830332 EF189639

Leptestheria dahalacensis  FJ189670 FJ499136

Leptestheriasp. FJ499187

鲎虫科 Triopsidae 鲎虫属Triops  Triops longicaudatus  AY639934

Belk,1988;Olesen,1996)。全北区的短尾锐眼蚌

虫(Lynceus brachyurus)的 颈 器 为 椭 圆 形,呈 现 典

型的4+1构造,即4个凹或凸起的区域围绕一个中

央 区 规 则 排 列 的 结 构;而 南 非 的 厚 趾 锐 眼 蚌 虫

(Lynceus pachydactylus)的颈器为蛋形,无4+1构

造,但边缘区加厚分布有小孔。泰安锐眼蚌虫的颈

器呈蛋形,与厚趾锐眼蚌虫相似(Olesen,1996),但

与之不同的是其具明显边缘加厚带,该特征又与短

尾锐 眼 蚌 虫(Lynceus brachyurus)一 致(Olesen,

1996);中央区呈马鞍状凹凸,近头边缘有6个大小

不同的凹坑,未见短尾锐眼蚌虫的4+1构造;外边

缘上散布小孔(如 插 图3-i箭 头 所 示),该 特 征 与 厚

趾锐眼蚌虫相似。泰安锐眼蚌虫的颈器形态呈现了

短尾锐眼蚌虫与厚趾锐眼蚌虫的过渡特征。

  从扫描电镜影像来看,叶肢介的颈器形态呈现

多样化,其中花边形、马蹄形、梨核形颈器为首次报

道的颈器形态类型。为了探讨颈器的同源性问题,本研究将基于鳃足动物分子系统树的构建,将鳃足

纲颈器的形态特征演化置于系统关系中进行分析。

3.2 鳃足纲的系统演化关系

本研究沿用 Regier等(2010)的 鳃 足 纲 高 级 分

类单元的系统关系(插图4-a),即((((枝角类,刺尾

类),光尾类),背甲目),无甲目)的拓扑结构,该结论

为形态学数据所支持,也与部分分子系统学分析结

论相一致(Sun et al.,2006;Richter et al.,2007;

Olesen,2009;Sun et al.,2011)。关 于 叶 肢 介 刺

尾部内部各科之间的系统关系,我们采用Schwent-ner等(2009)与Sun等(2011)共 同 的 结 论(插 图4-b),即 刺 尾 类 分 成 了 渔 乡 蚌 虫 科,狭 蚌 虫 科(Lep-

482 古  生  物  学  报 第51卷      

插图3 叶肢介颈器的类型

Morphology of dorsal organ in Conchostraca

a.花边状I型颈器(Cyzicus sinensis)。b.花边状II型颈器(Eoleptestheriasp.)。c.梨核形颈器(Leptestheriasp.)。d—g.马蹄形

颈器,d.Eocyzicus mongolianus;e.Eocyzicus yanzhouensis;f.Eocyzicus taianensis;g.Caenestheria sp.。h.卵 形 颈 器(Lynceus

taianensis)。i.h(Lynceus taianensis)颈器局部放大。a—g,i标尺=10μm,h的标尺=100μm。

a.Petal form I(Cyzicus sinensis).b.Petal form II(Eoleptestheriasp.).c.Pear-core form(Leptestheriasp.).d—g.Horseshoe

form,d.Eocyzicus mongolianus;e.Eocyzicus yanzhouensis;f.Eocyzicus taianensis;g.Caenestheriasp.h.Oval form (Lynceus

taianensis).i.close-up of h.Scale bar for a—g,i=10μm,scale bar for h=100μm.

teshteriidae)与蚌 壳 虫 科(Cyzicidae)构 成 的 单 系 群

两个支系;蚌 壳 虫 科 不 再 是 一 个 单 系 群:蚌 壳 虫 属

(Cyzicus)与隐妇蚌虫属(Caenestheria)以及小隐妇

蚌虫属(Caenestheriella)有 最 近 的 亲 缘 关 系,而 较

之于原蚌虫属(Eocyzicus),狭蚌虫科与之有更近的

亲缘关系;原蚌虫属位于狭蚌虫科与蚌壳虫科所构

成的单系群的基部。同时,本研究采用COI两段序

列的联合数 据 重 建 了 渔 乡 蚌 虫 科 内 部 的 系 统 关 系

(插图4-c)。渔乡蚌虫科内部的系统关系目前存在

两种不同 的 方 案:1)Hoeh等(2006)采 用12S、28SrRNA、Cytb片段的联合数据,得出((((后蚌虫,真

渔乡蚌虫),拟蚌虫),澳洲蚌虫),透镜渔乡蚌虫)的

亲 缘 关 系;2)Weeks等 (2009)采 用 EF1α,28SrRNA的部分 片 段 以 及COI下 游 区 片 段 的 联 合 数

据,结论是:拟蚌虫与透镜渔乡蚌虫(Limnadia len-ticularis)构成 姊 妹 群,位 于 渔 乡 蚌 虫 科 的 基 部;其

它来自澳洲的渔乡蚌虫与澳洲蚌虫构成姊妹群(缺

乏后蚌虫的数据)。本研究采用的COI上游区片段

与下游区的拼接序列接近COI全序列,并增加了拟

蚌虫的数 据,结 果 与 Weeks等(2009)的 结 论 相 一

致,Hoeh等(2006)的 结 论 可 能 是 对 渔 乡 蚌 虫 属 的

取样不够所造成的。

3.3 鳃足纲颈器的类型与演化

插图5-a表示本研究所选取和描述的鳃足类颈

器形态特征在系统树上的分布。其中,来自寒武纪

的Rehbachiella kinnekullensis是 目 前 发 现 最 早 的

鳃足纲化石(插图5-a,虚线),被认为是鳃足纲干部

类群,其颈器 直 接 位 于 头 胸 甲 上,没 有 明 显 显 著 凸

出,呈现4+1特征构造。无甲目幼体期的颈器是从

一个平坦的帽状结构(类似Rehbachiella的 颈 器),生长发育成半球状颈器,圆形顶部具蜂巢构造,外覆

582 第3期 孙晓艳等:叶肢介颈器的超微形态特征及其演化意义    

插图4 鳃足纲甲壳动物系统关系

Phylogenetic relationships of branchiopods

a.鳃足纲内部高级分类群之 间 的 系 统 关 系,黄 色 框 内 为 鳃 足 纲,虚 线 表 示 鳃 足 纲 的 干 部 类 群(寒 武 纪 化 石Rehbachiella;据Sun et

al.,2006;Richter et al.,2007;Olesen,2009;Regier et al.,2010)。b.叶肢介刺尾部内部的系统演化关系,紫色框内为渔乡蚌虫

科(据Schwentner et al.,2009;Sun et al.,2011)。c.基于COI序列的刺尾部渔乡蚌虫科内部系统关系 (本研究结论,与 Weeks et

al.,2009树形基本一致)。

a.Relationships within major groups of branchiopods.Shaded area:Branchiopods.Dashed line=Stem group(Cambrian fossil Re-

bachiella;after Sun et al.,2006;Richter et al.,2007;Olesen,2009;Regier et al.,2010).b.Relationships within Spinicaudata.

Shaded area:Limnadiidae.After Schwentner etal.,2009;Sun et al.,2011.c.Relationships within Limnadiidae obtained in this

study and by Weeks et al.(2009).

薄角质层(Criel,1991)。背甲目幼体期颈器相对于

头胸甲较大,成体期与无甲目相似,没有4+1特征

构 造,后 边 缘 区 变 平;边 缘 呈 皱 缩 状 (Thiery,

1987)。

光尾类 的 颈 器 可 以 分 为3类:1)4+1构 造 颈

器,见于 分 布 于 全 北 区 的 短 尾 锐 眼 蚌 虫(Lynceusbrachyurus)与 主 要 分 布 于 南 大 陆 的Paralimnetis中;2)没有4+1构造,中央区无特殊构造,边缘散布

小孔的颈器,如 分 布 于 非 洲 的 厚 趾 锐 眼 蚌 虫(Lyn-ceus pachydactylus);3)中央区有两凸起,近头区有

6凹坑,呈卵 形 的 颈 器,如Lynceus taianensis,可 能

是介于(1)、(2)类颈器的过渡类型。

如前所述,叶肢介刺尾类的颈器形态呈现多样

化,其中4+1构造的类型也呈现一定的变化,如中

央区可能 是 凹 坑、突 起 或 枣 核 状 构 造(插 图3-g)。

同时,颈器在不同类群中的分布也呈现一定的稳定

性。例如,原蚌虫的三个种和隐妇蚌虫的一个种外

形均具马蹄状颈器(插图3-d—g);狭蚌虫与蚌壳虫

的颈器都具 有 显 著 边 缘 区(花 边 形 颈 器,插 图3-a,

3-b)。

从 刺 尾 类 的 颈 器 类 型 在 系 统 树 上 的 分 布 来 看

(插图5-a),颈器呈现两种分化:1)渔乡蚌虫科颈器

类型出现了显著凸出与丢失(详见下述);2)渔乡蚌

虫科之外的刺尾类颈器保持较为原始状态,即颈器

不凸出。在不凸出颈器类别中,狭蚌虫科原狭蚌虫

属(Eoleptestheria)与蚌壳虫科蚌壳虫属(Cyzicus)中都出现边缘区嵌合构造———亚矩形外边缘内有一

个四瓣花状内缘,可能是趋同演化的结果(插图5-a,

紫色框);Olesen(1996)发现,冰河宽尾溞(Eurycer-cus glacialis)的4+1颈器结构与短尾锐眼蚌虫的

非常相似,显然也是趋同演化的结果(见插图5-a,绿框)。所以,颈器的形态特征在属和种阶元上有一定

分类意义,可作为形态分类的辅征。

在渔乡蚌虫科中,颈器出现了3种显著状态:具颈器、颈器 凸 出 呈 梨 状 或 颈 器 位 于 退 化 的 附 肢 上。

用 MacClade重建渔乡蚌虫科颈器祖先状态的分析

结果(见插图5-b)显示,梨状颈器是后蚌虫、真渔乡

蚌虫以及分布于澳洲的渔乡蚌虫的共同衍征;退化

682 古  生  物  学  报 第51卷      

附肢颈器则是后蚌虫属的独有衍征。基于延迟进化

模型的祖先状态重建结果表明,透镜渔乡蚌虫与拟

蚌虫的共同祖先的颈器状态,以及渔乡蚌虫科祖先

的颈器状态都是不确定的;但是,基于加速进化模型

的祖先状态重建结果表明,梨状颈器是整个渔乡蚌

虫科的共有 衍 征,拟 蚌 虫 颈 器 特 征 可 解 释 为 返 祖。

最大 简 约 重 建 优 化 的 结 果(number of most parsi-monious reconstructions=3)显示,透镜渔乡蚌虫与

拟蚌虫的共同祖先的颈器状态是原始特征;由此看

来,透镜渔乡蚌虫与分布于澳洲的渔乡蚌虫(简写为

Limnadia AU),以 及 澳 洲 蚌 虫 都 具 有 的 梨 状 颈 器

可能是平行演化的结果。

插图5 鳃足纲颈器类型及其演化

Morphologies and evolution of the branchiopod dorsal organ

a.鳃足纲系统演化关系(Rehbachiella为寒武纪化石类群)与各类群的颈器特征;其中,枝角类(Cladocera)含2种颈器类型;狭蚌虫科

(Leptestheriidae)含2种颈器类型;绿色框:4+1颈器构造;紫色框:花边型 颈 器 构 造(Rehbachiella来 自 Walossek,1992;Tanymas-

tix,Lynceus,Cyclestheriidae,Cladocera来自Olesen,1996;Limnadiidae来自 Martin and Laverack,1992;Eocyzicus,Leptestheri-

idae,Caenestheria,Cyzicus来自本研究)。b.渔乡蚌虫科的系统演化关系与颈器的演化(基于最大简约重建法优化)。黄 色 柱 表 示

具颈器但不凸出,极性定义为0(原始特征);蓝色柱表示具颈器,凸出呈梨形,极性定义为1;红色柱表示颈器消失或位于退化的附肢

上,极性定义为2。

a.Branchiopod phylogeny and forms of their dorsal organ(using outgroup of Cambrian fossil Rehbachiella);two forms occur in

Cladocera and two in Leptestheriidae.Green box:four+one form of dorsal organ;purple box:petal form.b.Limnadiid phylogeny

and evolution of dorsal organ based on the most parsimonious reconstruction.Yellow bar:dorsal organ present but not elevated;blue

bar:pyriform dorsal organ;red bar:dorsal organ missing(Photos:Rehbachiellafrom Walossek,1992;Tanymastix,Lynceus,Cy-

clestheriidae,and Cladocera from Olesen,1996;Limnadiidae from Martin and Laverack,1992;Eocyzicus,Leptestheriidae,Caenes-

theria,Cyzicus are original to this paper).

4 结 论

颈器是甲壳动物的古老器官,广泛存在于甲壳

动物的现生与化石类群中。本研究通过扫描电镜分

析和分子系统重建,揭示了叶肢介的颈器在形态上

呈现多样性;颈器的形态特征可以作为种和属阶元

形态分类的辅征。在分子系统树的框架中分析,“具颈器但不凸出”是鳃足类甲壳动物的原始特征;在叶

肢介渔乡蚌虫科中,基于最大简约重建优化法的分

析表明,具颈 器 但 不 突 出 是 祖 征,梨 状 颈 器 是 后 蚌

虫、真渔乡蚌虫以及澳洲的渔乡蚌虫的共同衍征;退化附肢颈器则是后蚌虫属的独有衍征;透镜渔乡蚌

虫与澳洲的渔乡蚌虫都具有的梨状颈器可能是平行

782 第3期 孙晓艳等:叶肢介颈器的超微形态特征及其演化意义    

演化的结果。

致谢 本研究在样品采集中得到了沈炎彬研究

员给予的帮助;渥太华大学夏旭华教授在系统分析

上给予指导;在电镜照相中得到了茅永强高工的帮

助;本研究也得到了实验室李春香副研究员、丛培允

博士的帮助,特此致谢。

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EVOLUTIONARY SIGNIFICANCE OF MORPHOLOGICALDIVERSITY IN THE DORSAL ORGAN OF CLAM SHRIMPS

SUN Xiao-yan and YANG Qun(State Key Laboratory of Palaeobiology and Stratigraphy,Nanjing Institute of Geology and Palaeontology,

Chinese Academy of Sciences,Nanjing210008,China,qunyang@nigpas.ac.cn)

Key words Branchiopoda,clam shrimp,dorsal organ,morphology,COI phylogeny,SEM

Abstract

Comparative analyses of external morphology,

internal structure,and functional interpretationsuggest that dorsal organs of Crustacea are proba-bly not all homologous.In this study we have ex-amined the morphology of the dorsal organ in eightspecies of Laevicaudata and Spinicaudata from Chi-na,and have analyzed our results together withpreviously documented occurrences of branchiopoddorsal organs within the phylogenetic frameworkestablished on the basis of the COI gene from 18species of Spinicaudata.We illustrate five morpho-logical forms of dorsal organ:oval,subrectangu-lar,horseshoe,petal and pear-core.These mor-phologies of dorsal organ are stable amongst indi-viduals of species and genera;therefore we suggest

that such features of dorsal organs may be used asauxiliary criteria in the classification of clampshrimps.For example,the horseshoe type occursin four species and two genera of Spinicaudata.Given the inter-generic relationships suggested bymolecular phylogeny,the evolutionary history ofthe dorsal organ within the branchiopods is inter-preted and illustrated.The most parsimonious re-construction using MacClade suggests that an unel-evated dorsal organ is the ancestral state for Lim-nadiidae and that the pyriform form is a synapo-morphy for Metalimnadia+Eulimnadia+Lim-nadiopsis+Limnadia AU.In contrast the sharedpresence at the next level higher in the hierarchy ofapyriform form of dorsal organ in Limnadia len-ticularis and Metalimnadia + Eulimnadia +Limnadiopsis+Limnadia AU is interpreted as aresult of parallel evolution.

982 第3期 孙晓艳等:叶肢介颈器的超微形态特征及其演化意义