Ausgewachsene Flossenskelette

Zunächst untersuchten wir das Brustskelettmuster ausgewachsener Fische. Der Brustgürtel verbindet die Brustflossen mit dem axialen Skelett. Es besteht aus dem post-temporalen (post. t.), supracleithrum (sup. kl.), Cleithrum (cl) und Coracoid (co) (Abb. 1c). Der Gürtel trägt vier proximale Radiale (pr1-pr4) (Abb. 1c). Vierzehn distale Radiale befinden sich distal zu den proximalen Radialen (Abb. 1d) und 14 exoskeletale Flossenstrahlen sind am distalen Teil der Brustflosse (pec. fr. 1-14) (Abb. 1c).

Das Cleithrum, das Hauptelement des Brustgürtels, ist ein dorsoventral länglicher Knochen, der sich an der Basis der Brustflosse befindet (Abb. 1c). Das Cleithrum wird in der Mitte breiter, an dieser Stelle wird es als Cleithrumplatte (clp in Abb. 1c), wie in Ps. barbarus, Pn. schlosseri und Ps. argentilineatus . Die ventrale Kante jeder der bilateralen Cleithra befindet sich hinter der Kieme, und ihre Oberflächen sind an der Mittellinie gegenüberliegend (Abb. 1e). Der ventrale Teil des Cleithrums neben dem Coracoid verbindet sich mit dem Beckenknochen (pvb in Abb. 1c, e) und Beckenkuppeln (pvd) am Rand jedes Beckenknochens verschmelzen an der Mittellinie (Abb. 1e). Der dorsale Teil des Cleithrums verbindet sich über das posttemporale und das Supracleithrum mit dem Okzipitalbereich (Abb. 1f). Der Coracoid befindet sich ventral zur Cleithrumplatte (Abb. 1c) und artikuliert teilweise mit dem vierten proximalen radial (Pfeilspitzen in Fig. 1g), wie in Ps. barbarus .

Jede proximale Radialplatte überlappt sich teilweise und sieht aus wie eine große Einzelplatte (pr1–pr4 in Abb. 1c), jedoch sind kleine Abstände zwischen dem zweiten und dem dritten sowie zwischen dem dritten und dem vierten proximalen Radialen (Pfeilspitzen in Fig. 1c). Der erste proximale Radialknochen (pr1) ist ein langer, dünner Knochen. Das vierte proximale Radial (pr4) ist das kürzeste Element unter den vier proximalen Radialen (Abb. 1c), wie in Ps. barbarus . Die ersten bis achten Flossenstrahlen sind segmentierte weiche Strahlen, während die neunten bis vierzehnten Flossenstrahlen gegabelte Knochenstrahlen sind (Abb. 1c).

Entwicklung der Brustflossen und andere Entwicklungsmerkmale

Um zu erforschen, wann und wie Brustflossen des Schlammspringers funktionieren. modestus werden länglich und ragen aus der Körperwand heraus, wir beobachteten den Entwicklungsprozess der Brustflossen. Obwohl Ps. modestus-Entwicklung wurde für Embryonen und Larven beschrieben, die durch künstliche Befruchtung erhalten wurden , detailliertere Beschreibungen sind erforderlich, um den Entwicklungsprozess genau zu verstehen. Daher beobachteten wir auch die Entwicklungsmerkmale von Embryonen bei ihrer Ankunft im Labor, die sich im Stadium der otischen Vesikel befanden (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1A-C), einem Stadium, das dem in Abbildung 1L in Kobayashi et al. (1972). Die Entwicklungsstadien und die verstrichene Zeit jeder Stufe sind in der zusätzlichen Datei 2: Tabelle S1 zusammengefasst.

Embryonale Stadien (Abb. 2; Fig. 3)

Otisches Vesikelstadium (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1A-C; „39-46 hpf-Stadium, Abbildung 1L in Kobayashi et al., 1972“)

In diesem Stadium trennt sich der Schwanz des Embryos vom Eigelb (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1A). Die otischen Placodes sind hohl und bilden die otischen Vesikel (ov), und die optischen Primordien mit den Linsenplacodes (lp) werden ebenfalls beobachtet (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1B). Am distalen Ende des Schwanzes befinden sich Mesenchymzellen (mc) (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1C). Das Herz (h) ist sichtbar (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1B), schlägt aber nicht.

Hirnvesikelstadium (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1D-F)

Das Herz beginnt in diesem Stadium zu schlagen (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1D). Der Schwanz verlängert sich (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1D). Die Gehirnbläschen, wie das Telencephalon (t) und Diencephalon (d) des Vorderhirns, das Mittelhirn (m) und die Rhombomere (r) des Hinterhirns, sind sichtbar (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1E). Xanthophore erscheinen im Kopf und im kaudalen Teil des Rumpfes (offene Pfeilspitzen in zusätzlicher Datei 1: Abbildung S1E, F). Innerhalb jedes otischen Vesikels werden zwei Otolithen (ot) erkannt (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1E‘). Melanophoren erscheinen seitlich am Rumpf und Schwanz (Pfeilspitzen in zusätzlicher Datei 1: Abbildung S1F). Der Anus wird am hinteren Ende des Darms gebildet (schwarzer Pfeil in zusätzlicher Datei 1: Abbildung S1F).

Herzkammerstadium (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1G-I)

Der Herzschlauch ist in den Vorhof (at) und den Ventrikel (vt) unterteilt (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1H). Mesenchymzellen am distalen Ende des Schwanzes sind zu diesem Zeitpunkt verschwunden (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1I). Xanthophoren breiten sich im Kopf und entlang der ventralen und dorsalen Ränder des Rumpfes aus (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1G‘).

Zirkulationsstufe (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1J-K)

In diesem Stadium werden zuerst Blutzellen nachgewiesen (schwarze Pfeilspitzen in zusätzlicher Datei 1: Abbildung S1K). Das Blut aus dem Herzen zirkuliert im ganzen Körper und wird über die gemeinsame Kardinalvene (ccv in zusätzlicher Datei 1: Abbildung S1K) gesammelt.

Stadium der Augenpigmentierung (Abb. 3a; Zusatzdatei 1: Abbildung S1L-M)

In diesem Stadium sind Melanophore nur am hinteren Rand der optischen Vesikel erkennbar (Pfeilspitzen in Zusatzdatei 1: Abbildung S1M). Einige Xanthophore sind auch in den optischen Vesikeln zu sehen (offene Pfeilspitzen in zusätzlicher Datei 1: Abbildung S1M). Querschnitte eines Embryos auf der Ebene der mutmaßlichen Flossenknospe zeigen die Verdickung der Somatopleure, die aus zwei oder drei Schichten mesenchymaler Zellen besteht (Abb. 3a). Das darüber liegende Ektoderm bildet die einzellig geschichtete apikale ektodermale Verdickung (Abb. 3a).

Low-pec-Stufe (Abb. 2a, b)

In diesem Stadium knospen Brustflossen auf der Oberfläche des Eigelbs (Abb. 2a), und die apikale ektodermale Verdickung ist an der Spitze der Brustflossenknospe vorhanden (Abb. 2b). Melanophoren sind nun sowohl am vorderen als auch am hinteren Rand der optischen Vesikel zu sehen (Pfeilspitzen in Abb. 2a).

Mittlere pec-Stufe (Abb. 2c-d; Fig. 3b; Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1N-O)

Die Höhe der Brustflossenknospe ist ungefähr halb so lang wie ihre Breite (Abb. 2c, d). Die Pigmentierung ist im gesamten Auge spürbar (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1N). Die Schwimmblase (sb) beginnt aufgeblasen zu werden (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1O). Ein Querschnitt der Brustflossenknospe zeigt die Umwandlung der apikalen ektodermalen Verdickung in die zweischichtige apikale Flossenfalte (Abb. 3b). In der Mitte der Flossenknospe wird eine chondrogene Kondensation sichtbar (Abb. 3b).

Hoch-pec-Stufe (Abb. 2e-f; Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1P, Q)

In diesem Stadium krümmt sich die Brustflossenknospe nach hinten und verjüngt sich (Abb. 2e, f). Die apikale ektodermale Verdickung geht in die apikale Flossenfalte über (af in Abb. 2f). Die Pigmentierung des Auges ist sehr dicht (Abb. 2e). Die Rotation des Herzschlauchs ist spürbar (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1Q).

Lang-pec-Stufe (Abb. 2g, h; Fig. 3c, d)

Während dieses Stadiums verlängert sich die Brustflossenknospe parallel zur Körperachse (Abb. 2g, h), was darauf hindeutet, dass seine Rotation abgeschlossen ist. Im Querschnitt der Brustflossenknospe (Abb. 3c), verlängert sich die apikale Flossenfalte und die chondrogenen Zellen (cc) richten sich entlang der proximal-distalen Achse aus und teilen die Brustmuskeln in dorsale und ventrale Muskelmassen (dmm bzw. dreidimensional).

Mittlere Flossenfaltenstufe (Abb. 2i)

Die Brustflossenknospe und die apikale Flossenfalte verlängern sich in diesem Stadium weiter. Die Länge der apikalen Flossenfalte macht nun zwei Fünftel der Gesamtlänge der Knospe aus (Abb. 2i).

Lange Flossenfaltstufe (Abb. 2j; Fig. 3e, f; Zusatzdatei 1: Abbildung S1R-T)

Die Länge der apikalen Flossenfalte macht nun drei Fünftel der Gesamtlänge der Knospe aus (Abb. 2j). Der Mund öffnet sich (zusätzliche Datei 1: Abbildung S1S), und die otischen Vesikel entwickeln ihre charakteristische invertierte Herzform (zusätzliche Datei 1: Abbildung S1S, S‘). Sowohl die dorsale mediane Flossenfalte als auch die ventrale mediane Flossenfalte beginnen sich im kaudalen Bereich zu verengen (Pfeile in zusätzlicher Datei 1: Abbildung S1T). In einem Querschnitt der Brustflossenknospe sind quaderförmige chondrogene Zellen zu sehen, die sich zu einer einzellig geschichteten endoskeletalen Scheibe in der Mitte der Brustflossenknospe ausrichten (Abb. 3e, f).

Schlupfstadium (Zusatzdatei 1: Abbildung S1U-V)

Der Oberkiefer (uj) ragt nun auf gleicher Höhe wie der Unterkiefer (Zusatzdatei 1: Abbildung S1V).

Planktonische Larvenstadien (Abb. 4; Fig. 5; Fig. 6)

3,0-4,3 mm TL (Abb. 4a; Fig. 5a-c; Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2A)

Die Größe der künstlich zum Schlüpfen induzierten Larven lag zwischen 3,0 und 4,3 mm TL (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2A). Die Larve hat in diesem Stadium einen runden Kopf, eine durchgehende mittlere Flossenfalte und einen Dottersack (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2A). Die endoskeletale Bandscheibe (ed) und die apikale Flossenfalte (af) befinden sich im proximalen bzw. distalen Bereich der Brustflossenknospe (Abb. 4a). Eine dünne Zone der Matrixzersetzung (mdz) ist in der Mitte der endoskeletalen Scheibe der Brustflosse zu sehen (Abb. 5a). Im proximalen Teil der Endoskelettscheibe sind die Zellen abgerundeter und eine geringe Anzahl sich teilender Zellen ist erkennbar (Abb. 5b). Am distalen Teil der endoskeletalen Bandscheibe sind zylindrische Zellen entlang der proximal-distalen Achse ausgerichtet (Abb. 5c). Proximal der endoskeletalen Bandscheibe befinden sich chondrifizierte Gürtelprimordien, bestehend aus Cleithrum (cl), Scapulocoracoid (sco), Postcoracoid Process (pop) und Precoracoid Process (prp) (Abb. 5a). Die Skelettelemente des Gürtels werden innerhalb der Körperwand gebildet. Das Cleithrum entwickelt sich als dünnes Element (Abb. 5a). Das Scapulocoracoid ist zwischen dem Cleithrum und der endoskeletalen Scheibe zu sehen (Abb. 5a). Der Processus precoracoideus wächst anterior und der Processus postcoracoideus wächst posterior (Abb. 5a).

5,6 mm TL (Abb. 4b; Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2B)

Der Unterkiefer ragt über den Oberkiefer hinaus (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2B). Das Eigelb wird vollständig absorbiert (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2B). Die Brustflossenknospe verlängert sich weiter (Abb. 4b). Es gibt keine dramatischen Veränderungen in der Form der endoskeletalen Scheibe (Abb. 4b). Die apikale Flossenfalte berührt das proximale Ende der endoskeletalen Bandscheibe und befindet sich nahe der Körperwand (Pfeil in Abb. 4b).

6,2 mm TL (Abb. 5d-e; Zusatzdatei 3: Abbildung S2C, D)

Die Schwanzspitze des Notochords beginnt sich dorsal zu krümmen (Pfeil in Zusatzdatei 3: Abbildung S2D). Am ventralen Teil der Schwanzflossenfalte befinden sich Flossenstrahlen (Pfeilspitzen in Zusatzdatei 3: Abbildung S2D). Hinter der Kieme wird eine Verknöcherung des Cleithrums beobachtet (Abb. 5d, e). In den Skelettelementen des Gürtels werden keine auffälligen morphologischen Veränderungen beobachtet, mit Ausnahme der Verknöcherung des Cleithrums.

7,9 mm TL (Abb. 4c; Fig. 5f; Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2E-F)

Beckenflossenknospen (pel) werden zuerst als kleine Ausbuchtungen erkannt, und es wird keine apikale ektodermale Verdickung beobachtet (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2F). Der Beginn der Knospenbildung der Beckenflossen ist eine der morphologischen Veränderungen, die während des Übergangs von Larven zu Jugendlichen (Metamorphose) bei Teleostfischen auftreten . Die Mittelflosse bildet die zweite Rückenflosse (df2) und die Afterflosse (af) (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2E). Der Schwanzbereich der runden Medianflosse geht in die paddelförmige Schwanzflosse über (vgl. Zusatzdatei 3: Abbildung S2E). Das Primordium des Hypuralknochens, das Elemente der Schwanzflossenstrahlen trägt, wird als dorsal gekrümmte Wirbel am Schwanzrand beobachtet (Pfeil in zusätzlicher Datei 3: Abbildung S2E). Das proximale Ende der apikalen Flossenfalte der Brustflosse beginnt sich von der Körperwand weg zu bewegen (Pfeil in Abb. 4c). Der proximale Teil der Endoskelettscheibe der Brustflosse verlängert sich und wird fächerförmig (Abb. 4c; Fig. 5f). Im proximalen Bereich der Bandscheibe befinden sich quaderförmige Zellen mit dünnen Matrixsepten (Pfeilspitzen in Abb. 5g), was auf Zellteilungen hinweist . Es gibt zylindrische Zellen am distalen Teil der endoskeletalen Scheibe, und keine offensichtlichen Matrixsepten sind in irgendwelchen beobachteten Zellen zu sehen (Abb. 5h). Das Cleithrum ist weiter verknöchert (Abb. 5i). Der Winkel zwischen dem Processus precoracoideus und dem Processus postcoracoideus ist kleiner als bei 6,2 mm TL (vgl. 5e, i), was zum Hervortreten des Scapulocoracoids von der Körperwand führt (Abb. 5i). Der Processus postcoracoideus ist posterior weiter verlängert (Abb. 5i).

9,5 mm TL (Abb. 4d)

Der proximale Bereich der Endoskelettscheibe der Brustflosse ist weiter verlängert (Abb. 4d). Die fächerförmige Brustflosse ist vollständig von der Körperwand getrennt (Abb. 4d).

11,0 mm TL (Abb. 4e; Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2G-H)

Die Beckenflossenknospen werden deutlicher (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2H). Melanophoren befinden sich an den dorsalen und ventralen Teilen des kaudalen Endes des Körperstammes (Pfeilspitzen in zusätzlicher Datei 3: Abbildung S2G). Innerhalb der apikalen Flossenfalte der Brustflossen befinden sich zwei Flossenstrahlen (Pfeilspitzen in Abb. 4e).

13,6 mm TL (Abb. 5j-m)

Das Scapulocoracoid ragt aus der Oberfläche der Körperwand heraus und bildet den proximalen Teil der Brustflossen. Die Chondrogenese wird im Primordium des Beckenflossenskeletts initiiert (Abb. 5j). In der gesamten Endoskelettscheibe der Brustflossen befinden sich quaderförmige chondrogene Zellen (Abb. 5l, m). Einige quaderförmige Zellen haben dünne Matrixsepten (Pfeilspitzen in Abb. 5l, m), was darauf hindeutet, dass sie sich teilen. Im proximalen Bereich der endoskeletalen Bandscheibe sind die Zellteilungen zufällig ausgerichtet (Abb. 5l), während sie entlang der proximal-distalen Achse im distalen Bereich (Fig. 5m).

14,5 mm TL (Abb. 4f; Fig. 6a-c; Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2I-J)

Die erste Rückenflosse ist in diesem Stadium erkennbar (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2J). Innerhalb der Flossenfalte der fächerförmigen Brustflosse befinden sich 14 Flossenstrahlen (Pfeilspitzen in Abb. 4f). Diese Merkmale ähneln denen der Larven unmittelbar vor ihrem Übergang von einem pelagischen zu einem benthischen Lebensraum (späte Postlarve in Abb. 4F in Kobayashi et al., 1972). Frontalschnitte der Brustflosse zeigen, dass das Scapulocoracoid (sco) hervorsteht und zum proximalen Teil der Flosse wird (Abb. 6a). Der proximale Bereich der endoskeletalen Bandscheibe ist entlang der dorso-ventralen Achse zwei Zellen breit (Abb. 6b), während sie im mittleren Bereich einzellig breit ist (Fig. 6c).

Benthische juvenile Stadien (Abb. 4; Fig. 6)

18,6 mm TL (Abb. 4g; Abb. 6d-e; Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2K-L)

Die Beckenflossen sind aus der Seitenansicht erkennbar, und die Flossenstrahlen sind im Bereich der Flossenfalte der Beckenflossen zu sehen (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2L). Die Augen beginnen sich dorsal zu bewegen (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2K). Mehr Melanophoren sind im Kopfbereich zu sehen (Pfeilspitzen in zusätzlicher Datei 3: Abbildung S2K). Die Brustflossen wechseln von Fächerform in Paddelform (Abb. 4g; Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2L). Die Endoskelettscheibe beginnt zu verknöchern und wird zu den proximalen Radialen (pr). Ossifikation wird auch in den Flossenstrahlen (fr) der Brustflosse und im post-temporalen (post. t.) (Abb. 6d). Der größte Teil des Cleithrums ist verknöchert, obwohl die Cleithrumplatte (clp in Abb. 1d), ein Merkmal erwachsener Fische, wird noch nicht beobachtet (Abb. 6d, e).

19,2-19,9 mm TL (Abb. 4h-i; Fig. 6f-i; Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2M)

Melanophore sind über den gesamten Körper verteilt, einschließlich der Brustflossen (Abb. 4h; Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2M). Der Mund bewegt sich ventral (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2M). Der proximale Bereich der Brustflosse ist vom gut entwickelten Operculum (ope) bedeckt (Abb. 4h, i). Frontale Schnitte der Brustflossen zeigen, dass vier proximale Radiale (pr1-pr4) jeweils durch eine Zone der Matrixzersetzung isoliert sind (mdz in Fig. 6g). Das erste und zweite proximale Radialareal sind einzellig breit (Abb. 6h), während der dritte proximale Radial zwei Zellen breit und der vierte proximale Radial zwei oder drei Zellen breit entlang der dorso-ventralen Achse am proximalen Teil der Brustflosse ist (Fig. 6i).

Amphibisches juveniles Stadium (Zusatzdatei 3: Abbildung S2N; Abb. 6j-k)

21,1-22,5 mm TL (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2N; Abb. 6j-k)

Die Augen ragen oben am Kopf hervor und der Mund befindet sich auf der ventralen Seite. Das Podium wird abgeflacht und horizontal zur Körperachse (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2N). Melanophore bedecken die gesamte Körperoberfläche. Das Juvenile ähnelt in diesem Stadium dem Erwachsenen, mit Ausnahme der sich entwickelnden ersten Rückenflossen (Zusätzliche Datei 3: Abbildung S2N) und beginnt eine amphibische Ökologie zu zeigen .

Alizarinrot– und alcianblau-gefärbte Skelettproben zeigen, dass die Verknöcherung der Cleithrumplatte (Pfeil in Abb. 6j, k), dem ersten bis vierten proximalen Radialen (pr1–pr4) und dem Coracoid (co) stattgefunden hat (Fig. 6j, k). Skelettmuster der Brustflosse (Abb. 6j, k) ähneln denen von erwachsenen Fischen (Abb. 1c).