Онтогенез Brachiozoa: ключ к пониманию происхождения плана строения Phoronida и Brachiopoda

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-14-00020

НазваниеОнтогенез Brachiozoa: ключ к пониманию происхождения плана строения Phoronida и Brachiopoda

Руководитель Темерева Елена Николаевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-101 - Зоология

Ключевые слова развитие, сравнительная анатомия, план строения

Код ГРНТИ34.03.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Brachiozoa - загадочная группа беспозвоночных, объединяющая два типа животных с диаметрально противоположным планом строения. Считается, что представители типа Phoronida в своем историческом развитии сложились на спинную сторону, тогда как брахиоподы (Brachiopoda) - на брюшную. Поскольку план строения является одной из круциальных черт для выделения крупных групп, то объединение настолько не похожих по плану строения существ представляется чрезвычайно необычным. Валидно ли выделение группы Brachiozoa, которое основано на молекулярно-генетических данных? Могут ли данные современной сравнительной анатомии и биологии развития помочь в реконструкции филогении этой группы? Действительно ли уникальность плана строения может рассматриваться как таксономический критерий для выделения групп ранга типа и выше? Настоящий проект направлен на изучение происхождения и становления плана строения в онтогенезе двух близкородственных групп беспозвоночных животных, имеющих принципиально разные планы строения - Phoronida и Brachiopoda. В ходе проекта методами морфологических исследований, молекулярно-генетического анализа и методик evo-devo будет изучен онтогенез форонид и брахиопод. На основе полученных данных будет сделан вывод о формировании плана строения у представителей обеих групп. В том числе, новые результаты позволят протестировать гипотезу "складывания Brachiopoda", гипотезу "закапывающегося предка Phoronida" и гипотезу "олигомерного предка Lophophorata" и предложить новые сценарии эволюции Brachiozoa, что станет основой для дальнейшей реконструкции путей диверсификации Spiralia и Bilateria. Проект предполагает использование новейших методик биологических исследований: 3D реконструкции анатомической организации, эксперименты по выявлению пролиферативной активности и апоптоза на различных стадиях онтогенеза, гибридизация in situ для выявления паттернов экспрессии генов (в том числе генов, отвечающих за паттернирование осей тела), анализ дифференциальной экспрессии генов на разных стадиях (у личинки, метаморфозных, ювенильных и взрослых особей) для расшифровки программ развития. Такой комплексный подход с использованием новейших методов никогда ранее не использовался в приложении ко всем стадиям онтогенеза форонид и брахиопод. В ходе проекта будут получены новые данные о развитии двух групп билатерально-симметричных животных, обладающих необычным планом строения, что станет существенным вкладом для дальнейшего анализа путей ранней эволюции Bilateria. Результаты проекта не только будут опубликованы в ведущих научных изданиях, но и будут изложены в качестве учебно-методических пособий, а так же включены в учебные курсы по сравнительной анатомии и эмбриологии беспозвоночных. По результатам проекта планируются защиты одной докторской, одной кандидатской и трех бакалаврских диссертаций, что является несомненным вкладом в развитие фундаментальной науки в России, популяризацию зоологических знаний и привлечение молодежи в российскую науку.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пландин Ф.А., Темерева Е.Н. Anatomical data on Novocrania anomala (Brachiopoda: Craniiformea) support the “brachiopod fold” hypothesis Invertebrate Zoology, Invert. Zool. Vol.20. No.3. P.269–278. Договор №027/2023 от 26.08.2023 (год публикации - 2023)
10.15298/invertzool.20.3.01

2. Кузьмина Т.В., Темерева Е.Н. Два источника целомической мезодермы у брахиопод Doklady Biological Science (год публикации - 2024)

3. Темерева Е.Н. Unusual body division and epithelium structure in unusual phoronid Phoronis embryolabi Zoology (год публикации - 2024)
10.1016/j.zool.2024.126221

4. Пландин Ф.А., Темерева Е.Н. Revision of the muscular system in the brachiopod Novocrania anomala using 3D reconstruction: functional and paleontological significance Journal of Morphology (год публикации - 2024)

5. Кузьмина Т.В., Темерева Е.Н. Structure of the oral tentacles of early ontogeny stage in brachiopod Hemithiris psittacea (Rhynchonelliformea, Rhynchonellida) Journal of Morphology (год публикации - 2024)

6. Кузьмина Т., Кузьмин В., Богомолова Е., Малахов В. Organization of the blood system of rhynchonellid brachiopod Hemithiris psittacea (Brachiopoda: Rhynchonelliformea) Journal of Experimental Zoology Part A: Ecological and Integrative Physiology (год публикации - 2024)

7. Селищева А., Кузьмина Т. Effect of Posterior Gut Reduction on the Evolution of Rhynchonelliform Brachiopods Paleontological Journal (год публикации - 2024)

8. Винн О., Амбарцумян Е., Темерева Е., Григорян А., Цатурян М., Арутюнян Л., Асатрян К., Серобян В. Fossilized soft tissues in tentaculitids from the Upper Devonian of Armenia: Towards solving the mystery of their phylogenetic affinities Palaeoworld (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.palwor.2024.10.004

9. Темерева Е.Н., Костюченко Р.П. Digestive System Development and Posterior Hox/Parahox Gene Expression During Larval Life and Metamorphosis of the Phoronid Phoronopsis harmeri Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1002/jez.b.23286

10. Темерева Е. Organization of phoronid larval tentacles, their metamorphic remodeling, and a scenario of the lophophore origin Invertebrate Zoology (год публикации - 2025)
10.15298/invertzool.22.1.12

11. Темерева Е. New Data on the Musculature Organization of the Atypical Phoronid Phoronis embryolabi Allow Reconstruction of Its Distinctive Lifestyle Characteristics Journal of Morphology (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1002/jmor.70080

12. Пландин Ф., Темерева Е. Ultrastructure of the Visceral Coelom and Musculature in Novocrania anomala (Brachiopoda, Craniiformea) With Detailed Discussion on the Valve‐Opening Mechanism Journal of Morphology (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1002/jmor.70082

13. Пландин Ф., Темерева Е. Does the pedicle exist in craniiform brachiopods? Zoological Journal of the Linnean Society (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1093/zoolinnean/zlaf139

14. Неклюдов Б., Осипова Ж., Галкин С., Белан Т., Темерева Е. First record of deep-sea phoronids from the sea of Okhotsk with description of Phoronopsis deprofundis sp.nov. and phoronidization of the ocean communities Progress in Oceanography, Progress in Oceanography 240 (2026) 103592 (год публикации - 2026)
https://doi.org/10.1016/j.pocean.2025.103592

15. Юрченко О., Темерева Е. Spermatogenesis and unique spermatozoa in the viviparous phoronid Phoronis embryolabi Zoologischer Anzeiger (год публикации - 2024)
10.1016/j.jcz.2024.09.002

16. Ивашкин Е., Тайманова О., Богомолов А., Темерева Е. Growth, Remodeling, and Proliferation in the Phoronid Phoronopsis harmeri: The Posterior, the Regionalized, and the Scattered Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution (год публикации - 2026)
10.1002/jezb.70001

17. Борисанова А.О., Иванова О.В. Ultrastructure of a swimming-type larva of Barentsia gracilis (Entoprocta, Coloniales) Zoomorphology, Zoomorphology, Volume 143, pages 347–366 (год публикации - 2024)
10.1007/s00435-024-00657-4

18. Вахрушев А.Е., Темерева Е.Н. New data on early astogeny and microstructure of cystid in Patinella verrucaria (Bryozoa: Cyclostomatida) Invertebrate Zoology (год публикации - 2025)

19. Ратновская А.В., Кузьмина Т.В., Кузьмин В.С. Morpho-functional analysis of musculature and nervous system of mantle in brachiopod Hemithiris psittacea (Gmelin, 1791) Acta Zoologica (год публикации - 2025)
10.1111/azo.12548

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе отчетного периода проведены работы по изучению нескольких видов форонид и брахиопод морфологическими и молекулярно-генетическими методами. Получены сведения об особенностях морфологии и репродуктивной биологии форонид Phoronis embryolabi и Phoronis ovalis. Описана уникальная репродуктивная стратегия, которую демонстрирует Phoronis embryolabi и в которой сочетаются обычно не сочетаемые характеристики: мелкие размеры тела материнского организма, огромное количество продуцируемых яиц, вынашивание, матротрофия и формирование планктотрофной личинки. Описан оогенез Phoronis ovalis, который протекает без выраженного фолликула, что резко отличает его от ранее изученных видов форонид. Впервые описано строение мужских гамет Phoronis ovalis, которые не имеют типичной для спермиев форонид V-образной формы, а имеют задний жгутик. Выдвинуто предположение, что оплодотворение у этого вида наружное и происходит в ходах, которые сверлит форонида в толще створок моллюсков и куда откладываются неоплодотворенные яйца. Впервые для компетентных личинок и метаморфозных особей форонид проведены эксперименты по визуализации экспрессии генов методом in-situ гибридизации. По стандартной методике показана экспрессия генов Post 2 и Cdx, отвечающих за преобразования заднего конца тела, в том числе за структурные изменения кишечного эпителия. На личинках разных стадий и на метаморфозных животных апробирован протокол нового метода ISH-HCR (in situ hybridization chain reaction) для выявления экспрессии панейрональных маркеров elav и syt1. C использованием комплекса методов трансмиссионной и сканирующей электронной микроскопии, иммуноцитохимии и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии изучен онтогенез эпителия, мышечной и нервной систем мантии ринхонеллиформных брахиопод. Показана полная утрата щетинок, мышц и нервов личиночной мантийной лопасти и формирование их de novo у ювенили. Обнаружено, что именно на стадии формирования брефической раковины край мантии приобретает взрослый план строения, содержит мантийный желобок и все типы клеток, характерные для взрослых особей, что, вероятно, связанно с началом секреции вторичного слоя раковины. Впервые для лофофорат отработана авторская уникальная методика выделения тотальной ДНК для полногеномного секвенирования. Получены предварительные данные о необычной полиплоидной структуре генома форониды Phoronopsis harmeri, размер которого оценивается до мин. 1,5 Гб, в отличие от типичных для первичноротых животных 0,5 Гб. Выдвинуто предположение о сложном сценарии геномной эволюции у P. harmeri. С применением отработанной методики получен материал для полногеномного секвенирования брахиоподы Hemithiris psittacea. Методом искусственного оплодотворения в лабораторных условиях получены и зафиксированы для транскриптомного анализа последовательные стадии онтогенеза Hemithiris psittacea. Важным итогом гранта явлется защита в отчетном периоде 2 бакалавских и 1 кандидатской диссертации по теме проекта.

Публикации

3. Темерева Е.Н. Unusual body division and epithelium structure in unusual phoronid Phoronis embryolabi Zoology (год публикации - 2024)
10.1016/j.zool.2024.126221

7. Селищева А., Кузьмина Т. Effect of Posterior Gut Reduction on the Evolution of Rhynchonelliform Brachiopods Paleontological Journal (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Используя транскриптом P. harmeri мы идентифицировали транскрипты гомологов Piwi, Vasa, Нох, Wnt, BMP/Chordin. На основе этих последовательностей был осуществлен дизайн геноспецифических праймеров и клонирования фрагментов генов и проведено подтверждающее клонирование фрагментов генов. Филогенетический анализ подтвердил принадлежность клонированных фрагментов к генам интереса. Методом гибридизации in situ на тотальных объектах была выявлена экспрессия идентифицированных генов Piwi1, Piwi2 и Vasa. Результаты анализа подтверждают активность этих генов во время личиночного развития, когда формируются провизорные (личиночные) структуры, такие как телотрох и щупальца, а также развиваются части дефинитивного тела. Отчетливый сигнал гибридизации in situ всех трех генов наблюдается в клетках широкой внутренней части телотроха, при этом уровень экспрессии Piwi1 выше, а ее домен несколько шире. Транскрипты обоих паралогов Piwi обнаружены также в формирующихся щупальцах. Piwi-позитивные клетки обнаруживаются по всей длине наиболее молодых щупалец, в то время как в остальных лишь в основании и в средней части. В дистальной части наиболее развитых щупалец транскрипты этих генов не обнаружены методом гибридизации in situ. Кроме того, эти гены программы мультипотентных, половых и стволовых клеток обнаружены в особых клеточных популяциях, характеризующихся подвижностью и пролиферативной активностью. Впервые проведено детальное исследование метаморфоза ринхонелиформных брахиопод, прослежена судьба всех систем органов, их пролиферативная активность и преобразование в дефинитивные структуры. В том числе обнаружено, что у компетентных личинок ринхонеллиформных брахиопод закладываются зачатки мускулатуры ювенильных особей, в отличие от личинок кранииформных брахиопод, у которых личиночная мускулатура в большей степени резорбируется. Показано, что компетентные личинки Rhynchonelliformea имеют зачатки основных органов ювенильных особей. Их метаморфоз имеет эволютивный характер. Наиболее значительные метаморфические преобразования связаны с переходом от лецитотрофии у личинок к фильтрационному питанию ювенилей, что подтверждается максимальной пролиферативной активностью в апикальной лопасти — месте формирования рта и лофофора. Полученные данные подтверждают гипотезу о том, что личинки ринхонеллиформных брахиопод гомологичны осевшим ювенилям кранииформных брахиопод и несут выраженные черты организации взрослого организма. Впервые проведено изучение особенностей пролиферации на разных стадиях онтогенеза у форонид. Показано наличие различных механизмов роста личинок, в том числе выявлена постериорная зона роста, унаследованная, вероятно, от метамерного аннелидо-подобного предка. Наличие постериорной зоны роста подтверждается и данными по in-situ гибридизации таких генов как Lox-5, Vasa, Piwi. Впервые проведена сборка и аннотация полного генома у представителей Brachiozoa на примере форониды Phoronopsis harmeri и брахиоподы Hemithiris psittacea. Сборка и анализ генома форониды P.harmeri позволили выявить ряд необычных черт, в том числе наличие «гистоновых» контигов, которые свидетельствуют о существовании настоящих внехромосомных элементов, необходимых, вероятно, для ускорения синтеза гистонов и упаковки хроматина при репликации ДНК в ходе сверхбыстрой регенерации.

Публикации

3. Темерева Е.Н. Unusual body division and epithelium structure in unusual phoronid Phoronis embryolabi Zoology (год публикации - 2024)
10.1016/j.zool.2024.126221

7. Селищева А., Кузьмина Т. Effect of Posterior Gut Reduction on the Evolution of Rhynchonelliform Brachiopods Paleontological Journal (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
В ходе проекта нами были разработаны уникальные методики искуственного оплодотворения и инициации метаморфоза у брахиопод. Эта методика позволяет внедрить в научную практику новый немодельный морской организм для изучения особенностей развития, клеточной дифференцировки, метаморфических преобразований, что важно для решения различного рода биомедицинских задач. В том числе, это может быть использовано при разработке новых технологий клеточной и тканевой инженерии. Несомненно, полученные результаты имеют большой потенциал в социальной сфере и способствуют разработке инновационных образовательных программ в области биологии и экологии. Нам удалось в лаборатоных условиях воосоздать весь жизненный цикл брахиопод на примере Hemithiris psittacea от зиготы до ювенильной особи: это дает возможность наблюдать полный цикл развития в реальном времени и повышает эффективность учебных практикумов и научных экспериментов в школах и университетах, втом числе, способствуя популяризации научного знания. Полученные в проекте результаты создают значимый научно-технологический задел, который может иметь практическое применение в экономике, биотехнологии, медицине и образовательной сфере. Высококачественные геномные и транскриптомные ресурсы лофофорных животных, включая хромосомные сборки и функциональные аннотации генов, являются вкладом в развитие новых биотехнологических платформ, связанных с изучением механизмов регенерации, клеточной дифференцировки и устойчивости к стрессам. Эти данные могут способствовать созданию биоинспирированных технологий для медицины и фармацевтики, включая разработку средств для ускоренного восстановления тканей, биоматериалов нового поколения и молекулярных инструментов для клеточной инженерии. Кроме того, созданные референсные геномы морских беспозвоночных могут быть использованы в морской биологии и ресурсных исследованиях - например, для оценки состояния экосистем, мониторинга биоразнообразия и разработки подходов к устойчивому использованию биоресурсов. Накопленные данные позволяют совершенствовать методы биоинформатики, геномной сборки и анализа экспрессии, что повышает кадровый и научный потенциал страны, способствует развитию образовательных программ, внедрению новых методик в учебный процесс и подготовке специалистов в области современной зоологии, генетики и биотехнологий. Таким образом, результаты проекта представляют ценность для формирования образовательных ресурсов, появления новых продуктов и технологий, способных в долгосрочной перспективе содействовать конкурентоспособности российской науки на международном рынке, поддерживать экономический рост и укреплять научно-технологический суверенитет Российской Федерации.