1) Vergleichende Ultrastruktur von tip-pore Sensillen bei Hundertfüßern und Spinnen

Bei Hexapoden sind wandporen-durchsetzte Haarsensillen (u.a. Sensilla basiconica) wichtige und gut untersuchte Instrumente des Riechsinns. Außerhalb der Hexapoda sind diese vielporigen Sensillen dagegen selten (Hundertfüßer) oder fehlen gänzlich (Spinnen). Dennoch weisen biochemische, ethologische und/oder elektrophysiologische Daten darauf hin, dass Vertreter beider Arthropodengruppen in der Lage sind olfaktorische Stimuli wahrzunehmen. In diesem Zusammenhang sind solche Sensillen verdächtig, die über eine terminale Pore und eine besonders beschaffene, aber nicht durch perforierte Schaftcuticula besitzen. Beispiele für solche olfaktorischen Sensillen werden sowohl auf den Antennen,  Laufbeinen und Terminalbeinen des Spinnenläufers Scutigera coleoptrata, als auch auf den distalen Podomeren der Laufbeine der Wespenspinne (Argiope spp.) mithilfe der TEM untersucht. Neben der Beantwortung evolutionsmorphologischer Fragestellungen geht es uns auch um die Aufklärung alternativer Mechanismen des Odoranten-Zugangs zum Sensillen-Liquor und den darin befindlichen Rezeptoren.

Kooperationspartner:

Anne-Sarah Ganske (Naturhistorisches Museum Wien, Zoologische Abteilung, Wien, Österreich)

Dr. Andy Sombke (Universität Greifswald, Abtg. Cytologie & Evolutionsbiologie)

2) Sensorische Ausstattung distaler Tasteranteile von Spinnen

Bis vor kurzem galten die während der Kopulation als Spermienüberträger genutzten Bulbi als nicht-sensitive Projektionen des männlichen Tasters. Diese Grundannahme lässt sich nach jüngsten transmissionselektronenmikroskopischen (TEM) Analysen allerdings nicht mehr aufrecht erhalten, da an der Basis des Embolus einiger Spinnenarten (u.a. kleine oder große Aggregate von versenkten Sensillen gefunden wurden (Sentenska et al. 2017, Scientific Reports 7: 12209). Ultrastrukturell ähneln diese Sensillen den Tarsalorganen, die in den Tarsengliedern der Laufbeine diverser Spinnen dokumentiert wurden. Der Fund geht einher mit dem Nachweis eines bislang unbekannten Bulbusnervs. Dieser Nerv enthält sowohl Afferenzen des versenkten Sensillen-Clusters, als auch drei distinkte, efferente Neuritenbündel, die u.a. embolus-assoziierte Drüsenepithelien innervieren. Aktuelle TEM-Analysen zielen darauf ab, die Porenöffnungen der versenkten Sensillen auf dem Embolus zu lokalisieren. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Beobachtungen weisen in diesem Zusammenhang auf eine Reihe hügelartiger Protuberanzen im distalen Drittel des Embolus hin. Die spezielle Ultrastruktur der Dendritenspitzen (z.B. Existenz eines Tubularkörpers als Indiz für Mechanorezeption) kann Hinweise liefern, ob es sich bei diesen Sensillen um Chemo- oder Stellrezeptoren handelt.

Kooperationspartner:

Dr. Lenka Sentenská (Masaryk University, Dept. of Botany and Zoology, Brno, Tschechien)

3) Einsatzpotentiale der Biowave für eine optimale chemische Fixierung heikler Arthropodengewebe für die TEM

Als beste aller möglichen Methoden für die Konservierung des Cytosols gilt die Cryofixierung, die besonders in der funktionellen Ultrastrukturforschung vielfach mit Erfolg eingesetzt wird. Allerdings sinkt die Effizienz der Cryofizierung mit der Zunahme der Größe bzw. des Durchmessers zu fixierender Gewebe bzw. Körperteile. Auch die glutardialdehyd-basierte Chemofixierung birgt Risiken, da in oder auf den Geweben befindliche Diffusionsbarrieren den Importerfolg des Glutardialdehyds herabsetzen. Dies ist insbesondere bei den Arthropoden ein Problem, welche von einer stark skleroritisierten, ggf. verkalkten Cuticula gepanzert sind. Werden epidermale Sinnes- oder Drüsenorgane mit intracuticulären Anteilen untersucht, dann sind zusätzlich die Möglichkeiten der Präparation eingeschränkt, da die strukturelle Integrität der Zielorgane geschädigt werden kann. Ein klassisches Beispiel für solcherart heikle Untersuchungsobjekte sind die Cheliceren, Palpen oder die Laufbein-Podomere von Spinnen. Der Erfolg einer Chemofixierung kann durch den Einsatz von Mikrowellenstrahlung gesteigert werden. Allerdings ist diese Kombinationsmethode noch nicht feinmorphologische Studien an Spinnen etabliert. Daher wird hier unter Mitwirkung einer technischen Assistentin des Imaging-Zentrums der Fachrichtung Biologie (Leitung: Frau Dr. Rabea Schlüter) eine vergleichende TEM-Studie durchgeführt, in der die Chemofixierungsqualitäten von Beingeweben (Epidermis, Sinnesorgane, Muskulatur) mit und ohne Einsatz einer PELCO BioWave Pro getestet wird. Untersucht werden hierbei distale Laufbeinpodomere der Wespenspinne Argiope blanda. Ziel ist unter anderem die Erstellung eines robusten Präparations- und Fixierungsprotokolls, welches zumindest auch für Vertreter weiterer Teiltaxa der Arachnida angewandt werden kann

4) Vergleichende Ultrastruktur und Evolution von Giftdrüsen bei Hundertfüßern (Chilopoda)

Der Besitz von 1 Paar postcephaler Giftklauen (Maxillipeden) wird als Apomorphie der Hundertfüßer gedeutet. Obwohl es eine recht genaue Vorstellung von der Disparität und evolutionären Transformation der Maxillipeden innerhalb dieser Tiergruppe gibt, fehlt bis heute ein invasiv-morphologisches Korrelat bezüglich der in den Maxillipeden befindlichen Giftdrüsen. Gemeinsam mit Kollegen der Universität Greifswald und University of Queensland (Brisbane, Australien), rekonstruiere ich den modularen Aufbau der Giftdrüsen am Beispiel ausgesuchter Vertreter aus allen fünf Untergruppen der Hundertfüßer. Dabei kommt ein breites Spektrum invasiv- und non-invasiv-morphologischer Analysemethoden zum Einsatz (µ-CT, TEM, Immunhistochemie, Semidünnschnitt-Histologie, parafinschnitt-basierte Spektroskopie). Flankierende transkriptomische und proteomische Analysen sollen Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der taxonspezifisch produzierten Gifte liefern.

Für weitere Details zum Projekt und beteiligten Kooperationspartnern siehe auch folgenden Link.

5) Strukturelle Diversität und Evolution der Terminalbeine der Hundertfüßer (Chilopoda)

Gegliederte Beine (Arthropodien) sind eine evolutionäre Neuheit (Apomorphie) der Gliederfüßer (Arthropoda). Vielfache Abänderungen von ursprünglich wahrscheinlich zweiästigen Schwimmbeinen führten zur Ausprägung unterschiedlichster Formen von gegliederten Extremitäten, darunter sensorischer Anhänge wie Antennen und Cerci, Raub-, Wehr- und Filterbeine oder Greiforgane. Mehrfach unabhängig voneinander wurden einästige Laufbeine (Stenopodien) evolviert. Während gerade die Antennen der Krebse, Myriapoden und Hexapoden recht gut untersucht sind, ist die Wissensdichte gerade bezüglich der sensorischen Ausstattung der Lauf- und hinteren Rumpfbeine bei vielen Arthropodengruppen vergleichsweise dünn. Besonders wenig ist bislang über die Terminalbeine der Hundertfüßer (Chilopoda) bekannt geworden, obwohl gerade diese meist deutlich verlängerten oder verdickten Beine einen hohen Grad struktureller und funktioneller Diversifizierung aufweisen. Im Rahmen eines DFG-Projekts (SO1289/1) werden derzeit verschiedene strukturelle Spezialisierungen multimodalmikroskopisch dokumentiert (cLSM (Immunhistochemie, REM, TEM, Semidünnschnitt-Histologie). Dabei liegt ein Analyseschwerpunkt auf den antennen-ähnlichen, multitarsalen Terminalbeinen der Spinnenläufer (Scutigeromorpha) und Vertretern der Skolopender-Gattung Newportia (Scolopendromorpha). Ultrastruktur-basierte Typencharakterisierungen der Terminalbeinsensillen werden durch Visualisierungen der assoziierten neuronalen Pfade und elektrophysiologische Ableitungen von Einzelsensillen ergänzt. Ein Vergleich mit Komplementärdaten von der Antenne soll Aufschluss darüber geben, ob und inwiefern ähnlich geformte und funktionsspezialisierte Anhänge auch Ähnlichkeiten bezüglich ihrer  sensorischen Ausstattung und Innervationsmuster zeigen.

Für weitere Details zum Projekt und beteiligten Kooperationspartnern siehe auch folgenden Link.        

1) Neuro- und Sensophylogenie der Pfeilwürmer (Chaetognatha)

Dokumentation und feinstrukturelle Rekonstruktion ciliärer Sinnesorgane (Corona ciliata, ciliary fence and tuft organs, Augen); cilien-induzierte Strömungsmuster über der Corona ciliata; Feinbau ventraler Drüsenpapillen bei Spadellidae; (Immun-)Histochemische Charakterisierung des Peripheren und Zentralen Nervensystems ausgewählter Sagittidae und Spadellidae; Neubeschreibung der Art Spadella valsalinae aus der Nördlichen Adria, Biogeographie europäischer Spadellidae.

Kooperationspartner:

Prof. Dr. Steffen Harzsch (Universität Greifswald, Cytologie & Evolutionsbiologie)

Dr. Yvan Perez (Aix-Marseille Université, Marseille)

2) Feinstrukturelle Rekonstruktion und Evolution von Epidermalorganen bei Spritzwürmern (Sipuncula, Annelida)

Beschreibung der sensorischen und drüsigen Komponenten in glatten und papillären Epidermalorganen, sowie Holdfast-Papillen bei Phascolion cf. strombus; Konzeptionalisierung von Epidermalorganen als neuen Merkmalskomplex für die Rekonstruktion der internen und externen Phylogenie der Sipuncula (u.a. bimodale Sekretzellen).

Kooperationpartner:

PD Dr. Peter Michalik (Universität Greifswald, Zoologisches Museum)

Prof. Dr. Jørgen Hylleberg (Aarhus Universitet, Institute for Bioscience)

3) Evolutions- und Funktionsmorphologie von solitären und aggregierten Hautdrüsen bei Myriapoden

Vergleichende Feinstruktur von soliären Kopfdrüsen bei Scutigeromorpha, Lithobiomorpha, Craterostigmomorpha, Scolopendromorpha und Geophilomorpha; Verbreitung, Funktion und Evolution von Flexocanal- und Rektocanaldrüsen; räumliche und funktionelle Kopplung von Hautdrüsen mit einzelnen Sensillen oder komplexen ciliären Sinnesorganen.

Kooperationspartner:

Dr. Jörg Rosenberg (Am Kützelbach 3, D-59494 Soest)

Prof. Dr. Gero Hilken (Universität Duisburg-Essen, Universitätsklinikum Essen, Zentrales Tierlaboratorium)

4) Feinstrukturelle Organisation, Funktion und Evolution ciliärer Sinnesorgane bei Hundertfüßern (Chilopoda) und Doppelfüßern (Diplopoda)

Feinbau des Schaftorgans und benachbarter Stiftsensillen auf dem 2. Antennengrundglied von Scutigera coleoptrata (Chilopoda); Disparität von trimodalen Sensillen (Kombination von Mechanorezeption, Olfaktion, Gustation) auf den Antennen von Scutigera coleoptrata, fixierungsbedingte Strukturvariationen von Sensillenkomponenten (Chemo- vs. Hochdruck-Kryofixierung), AMIRA-gestützte Rekonstruktion der Trimodalsensillen auf der Basis von ssTEM und serieller Blockphotographie; Feinbau und Evolution von Tömösváryschen Organen bei Phryssonotus platycephalus (Penicillata, Diplopoda) und Craterostigmus tasmanianus (Craterostigmomorpha, Chilopoda).

Kooperationspartner:

Dr. Andy Sombke (Universität Greifswald, Abtg. Cytologie &Evolutionsbiologie)

Dr. Jörg Rosenberg (Am Kützelbach 3, D-59494 Soest)

Prof. Dr. Gero Hilken (Universität Duisburg-Essen, Universitätsklinikum Essen, Zentrales Tierlaboratorium)

Dr. Michael Laue, (Robert-Koch-Institut, Berlin)

Dr. habil. Thomas Hörnschemeyer (Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung, Scientific IT, DMZ, Biodiversity Informatics)

5) Morphologie und Evolution der Lichtsinnesorgane von Brachiopoden

Ultrastruktur der ciliären Photorezeptoren bei Joania cordata und Argyroteca cuneata; Bedeutung von Brachiopoden-Augenstrukturen für das Verständnis der Augenevolution innerhalb der Bilateria, DFG-Projekt: Lu839/5.

Kooperationspartner:             

PD Dr. Carsten Lüter (Museum für Naturkunde Berlin, Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung)