Larval Development, the Origin of the Coelom and the Phylogenetic Relationships of the Phoronida

Abstract

Although Phoronis ovalis Wright, 1856 was the first phoronid described, it is one of the least well studied. Its external features are very different from that of other phoronid larva. The lecithotrophic, slug-like larva possesses a distinct rim around the mouth opening on the ventral side. A blunt outgrowth grows on the ventral side of the larva and posterior to the mouth opening, which contains the opening of the anus. Tentacles are not developed during the whole larval life.

In this study, the internal development of the early larva of P. ovalis is described for the first time. The late blastula of P. ovalis short before gastrulation is spherical in shape. With the invagination on the vegetal pole the embryo is transformed into a gastrula. The two sheets of ecto- and endoderm reduces the blastocoelic space to a narrow slit. In the dorsal roof of the archenteron the opening of anus occurs. From here a short hollow tube, the future intestine, leads into the mass of endodermal cells in the posterior area of the larva. Going further dorsad, this in cross section round tube becomes a slit in the center of the larval body, in the same manner like the developing pharynx. During further development both slits meet and fuse in the centre of the larva in order to form the digestive tract. The intestinal anlage is not functional; but all cells of the larva contain a large amount of yolk vesicles, which nurish the larva.

The coelom of P. ovalis arises out of one compact mesodermal anlage, which originates from a compact mass of cells, which migrate into the blastocoelic space short before gastrulation. After gastrulation, a compact mesodermal band surrounds the archenteron. From here, a cell sheet grows apicad between the cell sheets of ecto- and endoderm. Lateral, the mesoderm becomes double layered, and coelom formation is accomplished by fluid ingression and diverging of the cell layers. Later in development, this coelomic anlage becomes separated into one anterior coelomic compartment, encompassing the pharynx from anterior, and a second posterior, still compact mesoderm, which encircles the intestine. A subepidermal neuropil is formed on the apical end of the larva, sending two processes lateral and caudad alongside the anterior and posterior coelom and coelomic anlage. A third neuropil process courses dorsal alongside of the anterior coelom up till the dorsal center of the larva.

Lateral to the posterior mesoderm two protonephridia are formed, which consists of an unbranched terminal complex, and an angled duct.

The development of Phoronis muelleri de Selys-Longchamps, 1903 starting from the time of gastrulationis is depicted in this study, in order to obtain comparable data for the origin of the mesoderm in the Phoronida. In P. muelleri, precursors of mesoderm cells occur on the edges of the invaginating archenteron in the blastocoelic space. By the same time the stomodeum is formed, these cells taper the inner wall of the blastocoelic space. These cells acquire polarity and differentiate into myoepithelial cells around the mouth opening and underneath the apical plate. They do not form a complete epithelial lining. According to other authors, they form a complete lining of the coelom in the episphere later in development. In comparison to P. ovalis, the coelom is therefore formed from single cells, which transform the blastocoelic space into a coelomic cavity.

The position of the protonephridia in larva of P. ovalis and P. muelleri, as well as the location of the apical neuropil is used to homologize both larval types. The anterior coelom of the P. ovalis larva corresponds to the tentacle coelom formed late in the life of the actinotroch larva. There is no episphere formed in the larva of P. ovalis. The actinotroch trunk coelom is in accordance with the position of the posterior coelomic anlage in P. ovalis. The ventral extension from the larval body of P. ovalis has no correspondence in the actinotroch larva.

The systematic of the Phoronida and their position in the metazoan tree is unresolved. In this study an elaborate morphological matrix is compiled, containing characters from Phoronida and Brachiopoda. An analysis using the parsimony criterion is conducted using this matrix and a matrix from 18s rRNA sequences. The Phoronida appear monophyletic in this analysis, with P. ovalis as sistertaxon to the rest of the Phoronida. The results further indicate the monophyly of the genus Phoronopsis Gilchrist, 1907, as well as a monophyletic grouping of P. hippocrepia Wright, 1856, P. australis Haswell, 1883 and P. ijimai Oka, 1897. The Brachiopods form the sistergroup to the phoronids.

The results of this analysis, as well as the examination on the origin of the coelom and the structure and position of the protonephridia of the phoronid larvae allows advanced statements about the type of larva in the stemlineage of the Phoronida. The results are further used to reconstruct a hypothetical representative in the stemlineage of the Phoronida.

Obwohl Phoronis ovalis Wright, 1856 der erste beschriebene Phoronida war, ist er einer der am wenigsten untersuchten. Seine äußeren Merkmale unterscheiden sich stark von dem Aussehen anderer Phoronidenlarven. Die lecithotrophe, schneckenförmige Larve hat einen ausgeprägten Rand um die Mundöffnung auf der Ventralseite. Hinter der Mundöffnung wächst ein stumpfer Auswuchs auf der Ventralseite der Larve, auf dem sich die Afteröffnung befindet. Während der gesamten Larvalphase werden keine Tentakel entwickelt.

In dieser Arbeit wird die innere Entwicklung der frühen Larve von P. ovalis zum ersten Mal beschrieben. Die späte Blastula von P. ovalis, kurz vor der Gastrulation ist kugelförmig. Mit der Invagination am vegetalen Pol wird der Embryo in eine Gastrula überführt. Die beiden Blätter des Ekto- und Endoderms verkleinern den Blastocoel-Raum zu einem schmalen Schlitz. In der dorsalen Wand des Archenterons erscheint die Afteröffnung, von der eine kurze, hohle Röhre in die posteriore endodermale Zellmasse führt. Diese im Querschnitt runde Röhre verengt sich dorsad zu einem Schlitz im Zentrum der Larve, genauso wie der Pharynx. In der weiteren Entwicklung der Larve treffen und vereinigen sich beide Schlitze und bilden einen durchgehenden Darmtrakt. Die Darmanlage ist nicht funktionsfähig, aber alle Zellen der Larve enthalten eine große Menge an Dotter, von denen die Larve sich ernährt.

Das Coelom von P. ovalis entsteht aus einer kompakten Mesodermanlage, die aus einer kompakten Zellmasse entsteht, welche kurz vor der Gastrulation in den Blastocoelraum wandern. Nach der Gastrulation umgibt ein kompaktes Band von Mesodermzellen das Archenteron. Von diesem wächst eine Zellschicht apicad, zwischen die Schichten des Ecto- und Endoderms. Lateral wird das Mesoderm doppelschichtig und Coelom bildet sich durch den Einstrom von Flüssigkeit und das Auseinanderweichen der Zellschichten. Später in der Entwicklung teilt sich die Coelomanlage in einen vorderen Coleomteil, der den Pharynx von anterior umgreift, und ein zweites, noch kompaktes hinteres Mesoderm, welches den Darm umschließt. Ein subepidemales Neuropil bildet sich am anterioren Ende der Larve, von dem aus zwei Fortsätze lateral und caudad entlang des Coeloms verlaufen. Ein Dritter neuropiler Fortsatz verläuft dorsad entlang des vorderen Coeloms bis zum dorsalen Zentrum der Larve.

Lateral zum posterioren Mesoderm sind zwei Protonephridien ausgebildet, die aus einem unverzweigten Terminalkomplex und einem gewinkelten Kanal bestehen.

Die Entwicklung von Phoronis muelleri de Selys-Longchamps, 1903 vom Beginn der Gastrulation wird in dieser Arbeit dargestellt. Dies ist notwendig, um vergleichbare Daten für die Herkunft des Mesoderms innerhalb der Phoroniden zu bekommen. In P. muelleri, erscheinen Vorläufer von Mesodermzellen an dern Rändern des sich einstülpenden Archenterons im Blastocoelraum. Zu selben Zeit, wenn das Stomodeum gebildet wird, kleiden diese Zellen die innere Wand des Blastocoels aus. Diese Zellen werden polar und differenzieren sich in Myoepithelzellen um die Mundöffnung und unterhalb der Apikalplatte. Sie formen keine durchgehende epithelial Auskleidung. Nach anderen Autoren wird eine vollständige Auskleidung des Coeloms der Episphäre erst später in der Entwicklung gebildet. Im Vergleich zu P. ovalis wird das Coelom hier aus einzelnen Zellen gebildet, welche den Balstocoelraum in einen Coelomraum überführen.

Die Position der Protonephridien in den Larven von P. ovalis und P. muelleri und die Lage des apikalen Neuropils wird genutzt, um eine Homologie der beiden Larventypen zu erstellen. Das vordere Coelom der Larve von P. ovalis entspricht dem Tentakelcoelom der Actinotrocha-Larve, welches erst spät in der Larvalentwicklung gebildet wird. Es gibt eine Episphäre in der Larve von P. ovalis. Der Rumpf der Actinotrocha entspricht in der Lage der Position der hinteren Coelomanlage von P. ovalis. Die ventrale Ausstülpung aus dem larvalen Körper von P. ovalis hat keine Entsprechung in der Actinotrocha.

Die Systematik der Phoroniden und ihre Stellung im Baum der Metazoen sind ungelöst. In dieser Arbeit wird eine ausführliche Datenmatrix zusammengestellt, welche Merkmale der Phoroniden und Brachiopoden beinhaltet. Eine Analyse mit dieser Matrix und einer Matrix aus 18S rRNA Sequenzen wird mit dem Sparsamkeitsprinzip wird durchgeführt. In dieser Analyse erscheinen die Phoroniden monophyletisch, mit P. ovalis als Schwestergruppe zu den übrigen Phoroniden. Die Ergebnisse deuten auf eine Monophylie der Gattung Phoronopsis Gilchrist, 1907 hin, und auf eine monophyletische Gruppierung von P. hippocrepia Wright, 1856, P. australis Haswell, 1883 und P. ijimai Oka, 1897. Die Brachiopoden bilden die Schwestergruppe der Phoroniden.

Die Ergebnisse dieser Analyse und die Untersuchung der Herkunft der Coelomräume und der Struktur und Position der Protonephridien in den Phoronidenlarven erlauben weiterführende Aussagen über den Larventyp in der Stammlinie der Phoronida. Die Ergebnisse werden weiter genutzt, um den Hypothetischen Vertreter in der Stammlinie der Phoronida zu rekonstruieren.