La spermatologia comparata dei Phasmatodea (Insecta

Atti Accademia Nazionale
Italiana di Entomologia
Anno LXI, 2013: 167-171
LA SPERMATOLOGIA COMPARATA DEI PHASMATODEA
(INSECTA: POLYNEOPTERA) CONFERMA LA POSIZIONE
FILOGENETICA BASALE DI TIMEMA
MARCO GOTTARDO (*) - DAVID MERCATI (*) - ROMANO DALLAI (*)
(*) Department of Life Science, University of Siena, Italy; [email protected]
Lettura tenuta durante la Giornata culturale su “Contributo alla conoscenza dei Polineotteri basali. Struttura, comportamento e riproduzione: aspetti di base e applicativi”. Seduta pubblica dell’Accademia - Firenze, 11 ottobre 2013.
Comparative spermatology of Phasmatodea (Insecta: Polyneoptera) and the basal phylogenetic placement
of Timema
The sperm structure of two members of Phasmatodea was studied by transmission electron microscopy (TEM). In Timema
poppensis (suborder Timematodea), spermatozoa exhibit a three-layered acrosomal complex, a flagellum with a 9+9+2 axonemal pattern, two accessory bodies, two membranous sacs, and two elongated mitochondrial derivatives. In Xylica oedematosa,
as well as in other members of the suborder Euphasmatodea, spermatozoa are characterized by the reduction of the acrosomal
complex, the loss of both mitochondria and membranous sacs, and the presence of two strongly expanded accessory bodies.
Results indicate that Timema retains more sperm chatacter states found in the polyneopteran ground pattern, and accordingly
it is mostly characterized by plesiomorphic traits. The presence of 17 protofilaments in the wall of accessory microtubules, and
the general laminar configuration of the flagellum are recognized as potential apomorphic groundplan features of
Phasmatodea.
KEY WORDS: Polyneoptera; Insect ultrastructure; Transmission electron microscopy (TEM); Sperm evolution
INTRODUZIONE
L’ordine Phasmatodea costituisce un gruppo di
insetti polineotteri comprendente circa 3000 specie
note (BRADLER et al., 2014). Il gruppo è prevalentemente distribuito nelle regioni tropicali e subtropicali (BEDFORD, 1978). Si tratta di insetti fitofagi che spesso presentano elaborati adattamenti
nella morfologia esterna e nel comportamento
per rassomigliare a parti di piante come ramoscelli,
foglie, o cortecce. Per questo loro spinto criptismo
i Phasmatodea vengono comunemente denominati
“insetti stecco” e “insetti foglia”.
I rapporti filogenetici dei Phasmatodea con gli
altri ordini di Polyneoptera non sono chiari (BRADLER,
2009). A tale riguardo le ipotesi maggiormente supportate sembrano indicare un rapporto “sistergroup” con gli Orthoptera (BEUTEL & GORB, 2006;
Y OSHIZAWA , 2011) oppure con gli Embioptera
(WHEELER, et al. 2004; TERRY & WHITING, 2005;
BRADLER, 2009; WIPFLER et al., 2011). Anche le relazioni tra i taxa interni all’ordine sono notevolmente
discordanti. Tuttavia, vari studi filogenetici supportano l’ipotesi che il genere Timema SCUDDER,
1895 possa rappresentare il taxon più ancestrale dei
Phasmatodea ed il “sister-group” di tutti i rimanenti
taxa che sono stati raggruppati nel clade Euphas– Pubblicato marzo 2014
matodea (BRADLER, 1999). Il genere Timema comprende 21 specie con distribuzione ristretta alla
regione Sudoccidentale degli USA e a parte del
Messico (VICKERY & SANDOVAL, 2001).
La prima caratterizzazione della struttura dello
spermatozoo di un Phasmatodea è stata basata sulla
specie olomediterranea Bacillus rossius (R OSSI )
(BACCETTI et al., 1973). Successive osservazioni sono
state presentate da B ACCETTI (1987) su altre sei
specie di Euphasmatodea. In seguito, AFZELIUS et
al. (1990) e DALLAI & AFZELIUS (1990) hanno studiato la struttura fine dell’assonema flagellare.
Di seguito verranno esposti alcuni recenti aggiornamenti relativi alla spermatologia comparata dei
Phasmatodea, con particolare attenzione ai caratteri di Timema che rappresenta il taxon chiave
per comprendere la storia evolutiva del gruppo.
LA STRUTTURA DELLO SPERMATOZOO
DI TIMEMA POPPENSIS E XYLICA OEDEMATOSA
Lo spermatozoo di Timema poppensis VICKERY
& SANDOVAL è una cellula flagellata di circa 55-60
micron di lunghezza (GOTTARDO et al., 2012). Il
complesso acrosomale è a forma di campana e
presenta una vescicola acrosomale, un perforato-
– 168 –
rium ben sviluppato e un residuo apicale di citoplasma (o materiale extra-acrosomale) (Fig. 1A).
Il nucleo è cilindrico e uniformemente elettrondenso. La regione centriolare presenta un corpo
basale costituito da doppietti di microtubuli. Il
corpo basale è immerso nel materiale elettrondenso dell’aggiunto centriolare che si presenta
strutturato come un cilindro che anteriormente
avvolge la base del nucleo e posteriormente circonda la porzione iniziale del flagello (Fig. 2A). Il
flagello sezionato trasversalmente mette in evidenza la presenza di un assonema con struttura
9+9+2, due corpi accessori di modeste dimensioni
e due derivati mitocondriali piriformi (Fig. 3A). I
9 microtubuli accessori dell’assonema presentano
17 protofilamenti nella loro parete tubulare e
sono separati da materiale intertubulare a forma
di due piccoli blocchi densi (Fig. 3A, riquadro).
Una cisterna membranosa è interposta tra il corpo
accessorio e il derivato mitocondriale. I due derivati mitocondriali sono caratterizzati dalla presenza di creste ordinate disposte parallelamente
tra loro con una ripetizione di circa 35 nm. La
posizione dei corpi accessori e dei derivati mitocondriali allungati conferisce al flagello una forma
leggermente appiattita (Fig. 3A).
Lo spermatozoo di Xylica oedematosa KARSCH
ha caratteristiche molto simili a quelle descritte in
B. rossius e in altre specie di Euphasmatodea esaminate in precedenti lavori (AFZELIUS et al., 1990;
BACCETTI et al., 1973; BACCETTI, 1987; DALLAI &
AFZELIUS, 1990). Si tratta di una cellula flagellata
lunga circa 150 micron. All’estremità apicale del
nucleo il complesso acrosomale risulta ridotto
(Fig. 1B). Il nucleo è allungato e uniformemente
eletrondenso. La regione centriolare è caratterizzata dalla presenza di abbondante materiale dell’aggiunto centriolare all’interno del quale il corpo
basale si presenta disorganizzato, con le 9 triplette
disposte in maniera altamente asimmetrica (Fig.
2B). Il flagello è costituito da un assonema di tipo
9+9+2 e da tre corpi acessori, due laterali molto
sviluppati ed uno centrale di più piccole dimensioni (Fig. 3B). I derivati mitocondriali e le cisterne
membranose risultano mancanti. I 9 microtubuli
accessori dell’assonema presentano 17 protofilamenti nella loro parete esterna (Fig. 3B, riquadro).
CONSIDERAZIONI SULL’EVOLUZIONE DELLO SPERMATOZOO DEI PHASMATODEA
L’analisi spermatologica effettuata su Timema
fornisce una serie caratteri filogeneticamente rilevanti per comprendere l’evoluzione dello spermatozoo dei Phasmatodea.
Il complesso acrosomale di Timema è di tipo tristratifico, con una vescicola acrosomale, il perforatorium e del materiale extra-acrosomale. Questo
modello di acrosoma si riscontra nella maggio-
Fig. 1
Struttura dell’acrosoma dei Phasmatodea in sezione longitudinale. A, Timema poppensis. B, Xylica edematosa. A,
vescicola acrosomale; Eam, materiale extra-acrosomale; N, nucleo; P, perforatorium. (A, da GOTTARDO et al.,
2012).
– 169 –
Fig. 2
Regione centriolare dei Phasmatodea in sezione longitudinale. A, Timema poppensis; il riquadro mostra il dettaglio di un microtubulo accessorio. B, Xylica edematosa; il riquadro mostra il dettaglio di una tripletta del centriolo. Ca, aggiunto centriolare (A, da GOTTARDO et al., 2012).
ranza dei Polyneoptera (FAUSTO et al., 2001; DALLAI et al., 2003) e probabilmente rappresenta uno
stato plesiomorfo. Negli Euphasmatodea studiati
finora il complesso acrosomale si presenta secondariamente semplificato per la mancanza del perforatorium (B ACCETTI et al., 1973; B ACCETTI ,
1987) e/o della vescicola acrosomale, come osservato in Xylica oedematosa.
L’assonema flagellare dei Phasmatodea è caratterizzato dalla struttura 9+9+2 tipica degli insetti
pterigoti (D ALLAI et al., 2011). I 9 microtubuli
accessori esterni alle doppietti dell’assonema sono
particolarmente importanti dal punto di vista filogenetico. Questi microtubuli tipicamente hanno
16 protofilamenti nella loro parete tubulare
(JAMIESON et al., 1999) mentre in Timema e negli
Euphasmatodea essi sono costituiti da 17 protofilamenti (A FZELIUS et al., 1990; D ALLAI &
AFZELIUS, 1990; GOTTARDO et al., 2012). Questa
caratteristica può essere interpretata come una
sinapomorfia dei Phasmatodea.
Altri caratteri spermatologici di Timema sono la
presenza di due cisterne membranose e di due
derivati mitocondriali ben sviluppati nel flagello. I
derivati mitocondriali si differenziano durante la
Fig. 3
Flagello dei Phasmatodea in sezione longitudinale. A, Timema
poppensis; il riquadro mostra un dettaglio dei microtubuli assonemali. B, Xylica edematosa; il riquadro mostra un dettaglio dei
microtubuli assonemali. Ab, corpi accessori; at, microtubuli
accessori; ax, assonema flagellare; m, derivati mitocondriali. Le
frecce indicano le cisterne membranose aderenti ai derivati mitocondriali (A, da GOTTARDO et al., 2012).
– 170 –
spermiogenesi attraverso un processo di raggruppamento e rimodellamento dei mitocondri presenti nei giovani spermatidi. Tale processo è caratteristico della maggior parte degli insetti pterigoti
(JAMIESON et al., 1999) ed è stato descritto accuratamente da PRATT (1968). I due derivati mitocondriali di Timema sono caratteristici per la forma
allungata e la presenza di creste parallele, mentre
sembrano non avere una distinta cristallizzazione
della matrice mitocondriale. Dal punto di vista
filogenetico, i derivati mitocondriali e cisterne
appiattite di Timema possono essere considerati
caratteri plesiomorfi a supporto della posizione
basale di questo taxon (GOTTARDO et al., 2012). Al
contrario, gli Euphasmatodea hanno perso secondariamente entrambe queste componenti del flagello (BACCETTI, 1987).
I corpi accessori sono strutture extra-assonemali
con funzioni citoscheletriche. Solitamente queste
strutture sono associate alla presenza di un
aggiunto centriolare ben sviluppato, come nel caso
dei Phasmatodea. In Timema i due corpi accessori
sono ben sviluppati ma di dimensioni modeste
come nella maggioranza dei Polyneoptera
(JAMIESON et al., 1999). È interessante notare che
corpi accessori molto simili a quelli di Timema
sono presenti nella spermatozoi degli Embioptera
(BACCETTI et al., 1974; DALLAI et al., 2007) . Negli
Euphasmatodea i due corpi accessori sono molto
più sviluppati e costituiscono la componente strutturale più voluminosa del flagello dello spermatozoo. Si tratta di strutture allungate che presentano forma variabile a seconda della specie considerata (B ACCETTI , 1987) . La presenza di corpi
accessori giganti può essere considerata una sinapomorfia degli Euphasmatodea.
Un ulteriore carattere riguarda la forma generale
del flagello, che risulta simile ad una “membrana
ondulante”. Questa caratteristica conferisce al flagello un aspetto appiattito e laminare. E ‘interessante notare che questa particolare configurazione
è presente sia in Timema (GOTTARDO et al., 2012)
che in svariate specie di Euphasmatodea
(B ACCETTI , 1987). Tuttavia in Timema la membrana ondulante è determinata dalla specifica disposizione dei corpi accessori e dei derivati mitocondriali, mentre negli Euphasmatodea la forma
del flagello è determinata sostanzialmente dai
corpi accessori notevolmente espansi.
In conclusione, l’analisi comparata dei caratteri
spermatologici indica che Timema conserva caratteri tipici della struttura degli spermi degli insetti
polineotteri, a supporto della posizione basale di
questo taxon all’interno dei Phasmatodea. Al contrario, gli Euphasmatodea hanno acquisito complesse modificazioni nella struttura degli spermi,
come la riduzione o la perdita completa dell’acrosoma, la perdita dei mitocondri ed il notevole sviluppo dei corpi accessori.
RIASSUNTO
La struttura dello spermatozoo è stata studiata in due specie
di Phasmatodea mediante microscopia elettronica a trasmissione (TEM). In Timema poppensis (rappresentante del sottordine Timematodea) gli spermatozoi presentano un complesso acrosomale tristratificato, un flagello con assonema
9+9+2, due corpi accessori di piccole dimensioni, due
cisterne membranose e due derivati mitocondriali di forma
allungata. In Xylica oedematosa, così come in altre specie del
sottordine Euphasmatodea, gli spermatozoi sono caratterizzati dalla riduzione del complesso acrosomale, dalla perdita
dei mitocondri e delle cisterne membranose, e dalla presenza
di due corpi accessori fortemente sviluppati. I risultati indicano che Timema conserva vari caratteri associati al “ground
pattern” dei Polyneoptera e di conseguenza è caratterizzata
da un maggior numero di plesiomorfie. La presenza di 17 protofilamenti nella parete dei microtubuli accessori e la configurazione laminare del flagello possono essere considerati come
sinapomofie dei Phasmatodea.
BIBLIOGRAFIA
AFZELIUS B.A., BELLON P.L., LANZAVECCHIA S., 1990 –
Microtubules and their protofilaments in the flagellum of an
insect spermatozoon. - J. Cell. Sci., 95: 207-217.
BACCETTI B., 1987 – Spermatozoa and stick insect phylogeny
(The spermatozoon of Arthropoda, XXXIII). In: MAZZINI
M., SCALI V. (eds), 1st Int Symp on Stick-Insects:
Phylogeny and Reproduction. Centrooffset, Siena, pp.
117-123.
BACCETTI B., BURRINI A.G., DALLAI R., PALLINI V., PERITI P.,
PIANTELLI F., ROSATI F., SELMI G., 1973 – Structure and
function in the spermatozoon of Bacillus rossius. The spermatozoon of Arthropoda. XIX. - J. Ultrastruct. Res. Suppl.,
12: 5-73.
BACCETTI B., DALLAI R., ROSATI F., GIUSTI F., BERNINI F.,
SELMI G., 1974 – The spermatozoon of Arthropoda XXVI.
The spermatozoon of Isoptera, Embioptera and Dermaptera.
- J. Microsc., 21: 159–172.
BEDFORD G.O., 1978 – Biology and ecology of the
Phasmatodea. – Ann. Rev. Entomol., 23: 125–149.
BEUTEL R.G., Gorb S.N., 2006 – A revised interpretation of
the evolution of attachment structures in Hexapoda with
special emphasis on Mantophasmatodea. - Arthropod Syst.
Phylog., 64: 3–25.
BRADLER S., 1999 – The vomer of Timema Scudder, 1895
(Insecta: Phasmatodea) and its significance for phasmatodean phylogeny. - Cour. Forschungstinst Senckenb., 215:
43-47.
BRADLER S., 2009 – Die Phylogenie der Stab- und Gespentschrecken (Insecta: Phasmatodea). - Species Phylog. Evol.,
2: 3-139.
BRADLER S., ROBERTSON J.A., WHITING M.F., 2014 – A
molecular phylogeny of Phasmatodea with emphasis on
Necrosciinae, the most species-rich subfamily of stick insects.
- Syst. Entomol., 39: 205–222.
DALLAI R., AFZELIUS B.A., 1990 – Microtubular diversity in
insect spermatozoa: Results obtained with a new fixative. J. Struct. Biol., 103: 164–179.
DALLAI R., FRATI F., LUPETTI P., ADIS J., 2003 – Sperm ultrastructure of Mantophasma zephyra (Insecta, Mantophasmatodea). - Zoomorphology, 122: 67-76.
– 171 –
DALLAI R., MACHIDA R., JINTSU J., FRATI F., LUPETTI P., 2007
– The sperm structure of Embioptera (Insecta) and phylogenetic considerations. - Zoomorphology, 126: 53-59.
DALLAI R., MERCATI D., CARAPELLI A., NARDI F., MACHIDA
R., SEKIYA K., FRATI F., 2011 – Sperm accessory microtubules suggest the placement of Diplura as the sistergroup
of Insecta s.s. - Arthropod Struct. Dev. 40: 77-92.
FAUSTO A.M., BELARDINELLI M., FOCHETTI R., MAZZINI M.,
2001 – Comparative spermatology in Plecoptera (Insecta):
an ultrastructural investigation on four species. - Arthropod
Struct. Dev., 30: 55-62.
GOTTARDO M., MERCATI D., DALLAI R., 2012 – The spermatogenesis and sperm structure of Timema poppensis
(Insecta: Phasmatodea). - Zoomorphology, 131: 209-223.
JAMIESON B.G.M., DALLAI R., AFZELIUS B.A., 1999 – Insects.
Their Spermatozoa and Phylogeny. Scientific Publishers,
New Hampshire, USA.
PRATT S.A., 1968 – An electron microscope study of
Nebenkern formation and differentiation in spermatids of
Murgantia histrionica (Hemiptera, Pentatomidae). - J.
Morphol., 126: 31-66.
TERRY M.D., WHITING M.F., 2005 – Mantophasmatodea and
phylogeny of the lower neopterous insects. - Cladistics, 21:
240-257.
WHEELER W.C., GIRIBET G., EDGECOMBE G.D., 2004 –
Arthropod systematics. The comparative study of genomic,
anatomical and paleontological information. In: Cracraft J.,
Donoghue M.J. (eds) Assembling the Tree of Life. Oxford
University Press, Oxford, UK, pp 281-295.
WIPFLER B., MACHIDA R., MÜLLER R., BEUTEL R.G., 2011 –
On the head morphology of Grylloblattodea (Insecta) and
the systematic position of the order, with a new nomenclature for the head muscles of Dicondylia. - Syst. Entomol.,
36: 241-266.
VICKERY V.R., SANDOVAL C.P., 2001 – Descriptions of three
new species of Timema (Phasmatoptera: Timematodea:
Timematidae) and notes on three other species. - J. Orthopt.
Res., 10: 53-61.
YOSHIZAWA K., 2011 – Monophyletic Polyneoptera recovered
by wing base structure. - Syst. Entomol., 36: 377-394.