Ultrastructure and phylogeny of peridinioid dinoflagellates

Abstract

Os dinoflagelados são um grupo muito diverso de protistas que possuem um conjunto de características pouco comuns. Os peridinióides são dinoflagelados com teca que é formada por seis séries latitudinais de placas, incluindo a série cingular e um anel incompleto de placas intercalares anteriores, embora as últimas estejam ausentes em algumas espécies de Peridiniopsis. São dinoflagelados com simetria bilateral em relação ao plano apical que contem o eixo dorso-ventral. Na série sulcal há apenas uma placa posterior que contacta com o limite ventral de duas grandes placas antapicais. Entre os peridinióides, a presença ou ausência de um poro apical e o número de placas no cíngulo são geralmente consideradas marcas filogenéticas importantes ao nível de género ou família. Actualmente, a definição de Peridinium Ehrenberg, o dinoflagelado mais comum de água doce, inclui organismos com combinações diferentes destas duas características. Trabalhos anteriores sobre a ultrastrutura e afinidade filogenética das espécies tipo de Peridinium, P. cinctum, e Peridiniopsis Lemmermann, P. borgei também sugerem a necessidade de reexaminar as relações taxonómicas dos peridinióides. Esta tese combina o estudo ultrastrutural de uma selecção de espécies com hipóteses filogenéticas baseadas nas sequências de LSU rDNA, para aumentar o nosso conhecimento das diferenças e afinidades dentro dos peridinióides. Tem como objectivo aumentar o nosso conhecimento das características individuais das células que possam levar a reconhecer sinapomorfias que possam ser usadas como marcadores dos peridinióides como um todo e dos seus subgrupos. As espécies escolhidas para exame pormenorizado foram: Peridinium palatinum Lauterborn, de um grupo com duas placas intercalares anteriores, seis placas cingulares e sem poro apical; Peridinium lomnickii Wo!oszy"ska, de um grupo com poro apical, três placas intercalares e seis cingulares; Peridiniopsis berolinensis (Lemmermann) Bourrelly, uma espécie heterotrófica com poro apical, sem placas intercalares e com seis placas cingulares; e Sphaerodinium cracoviense Wo!oszy"ska, um membro de um género de formas com teca com um tipo de tabulação marginalmente peridinióide, com um suposto poro apical e quatro placas intercalares anteriores. Peridinium palatinum difere de Peridinium e Peridiniopsis típicos, quer em características da teca, quer internas. As diferenças estimadas entre as sequências parciais de LSU rDNA de P. palatinum e a espécie próxima P. pseudolaeve, relativamente a P. cinctum são comparativamente grandes e, juntamente com a topologia da árvore filogenética, apoiam a separação de P. palatinum e formas próximas ao nível de género. Palatinus nov. gen. foi, então, descrito com as novas combinações Palatinus apiculatus nov. comb. (espécie tipo; sin. Peridinium palatinum), P. apiculatus var. laevis nov. comb. e P. pseudolaevis nov. comb.. As características distintivas de Palatinus incluem uma superfície das placas lisa ou um tanto granulosa, mas não areolada, um grande pirenóide central penetrado por canais citoplasmáticos e de onde radiam lobos plastidiais, e a presença de uma fiada microtubular homóloga à de um pedúnculo. As células de Palatinus saem da teca pela zona antapicalpos- cingular. Peridinium lomnickii apresenta tabulação semelhante às formas marinhas, produtoras de quistos calcários, do género Scrippsiella A.R. Loeblich. Para comparação, adicionámos novas observações ultrastruturais de S. trochoidea. Peridinium lomnickii tem uma combinação de características diferente de Peridinium, Peridiniopsis e Scrippsiella. As hipóteses filogenéticas baseadas em DNA colocam P. lomnickii no mesmo ramo que Pfiesteria Steidinger et Burkholder, Tyrannodinium e outras Pfiesteriaceae, com as quais partilha um "microtubular basket" e uma ligação peculiar entre duas placas do sulco. As características distintivas do novo género proposto Chimonodinium gen. ined. incluem, além da tabulação, a ausência de pirenóides, a presença de um "microtubular basket" com quatro ou cinco fiadas sobrepostas de microtúbulos associados a um pequeno pedúnculo, um sistema pusular com tubos pusulares bem definidos ligados aos canais flagelares, e a produção de quistos não calcários. Peridiniopsis berolinensis partilha várias características significativas com Pfiesteria e afins, como um "microtubular basket" com a capacidade de suportar um tubo de alimentação, quimiossensibilidade para encontrar presas apropriadas, o modo de natação junto às presas e a organização geral da célula. Hipóteses filogenéticas com base em LSU rDNA confirmam a afinidade entre P. berolinensis e Pfiesteria bem como a relação mais remota com a espécie tipo de Peridiniopsis, P. borgei. Estas razões justificam a proposta de Tyrannodinium gen. nov., uma nova Pfiesteriaceae que difere de outros membros do grupo por viver em água doce e nos pormenores da tabulação. Sphaerodinium cracoviense revelou a tabulação típica do género Sphaerodinium, que apresenta um número de placas intercalares superiores e pos-cingulares maior que o que é típico em peridinióides: 4 e 6, respectivamente. Observações em SEM mostraram uma estrutura apical diferente da dos peridinióides, e um sulco apical numa das placas fazendo lembrar a área apical de alguns woloszynskióides. Os pormenores do aparelho flagelar e do sistema pusular ligam o Sphaerodinium aos woloszynskióides em geral e ao género Baldinia em particular, mas não aos peridinióides. O volumoso estigma de S. cracoviense revelou ser extraplastidial e de um modelo único, composto por elementos que se encontram em woloszynskióides, mas nunca encontrados anteriormente juntos. A análise filogenética baseada nas sequências parciais de LSU rDNA também sugerem uma maior proximidade de S. cracoviense com os woloszynskióides do que com os peridinióides. Futuras análises pormenorizadas de dinoflagelados peridinióides, em especial entre os do numeroso grupo de espécies com poro apical, serão necessárias para clarificar as suas relações taxonómicas; e a produção de descrições melhoradas das características finas particulares das células serão um requisito para perceber a evolução dos caracteres dos peridinióides por forma a podermos identificar marcadores filogenéticos.

Dinoflagellates are a diverse and widespread group of protists that combine a number of unusual features. Peridinioids are thecate dinoflagellates with six latitudinal series of plates, including the cingular series and the incomplete ring of anterior intercalary plates, although the latter is absent in some species currently classified as Peridiniopsis. They tend to be bilaterally symmetrical in relation to the apical plane containing the dorsiventral axis. In the sulcal series there is only one posterior plate, which contacts with the ventral edge of two large subequal antapical plates. Among peridinioids, the presence or absence of an apical thecal pore and the number of plates in the cingulum are often considered important phylogenetic markers at genus or family level. As currently delimited, Peridinium Ehrenberg, the most widely represented dinoflagellate genus in freshwater, includes organisms with different combinations of these features. Previous studies on the fine-structure and phylogenetic affinites of the type species of Peridinium, P. cinctum, and of Peridiniopsis Lemmermann, P. borgei, likewise suggested the need for reexamination of the taxonomical relationships of peridinioids. This thesis combines the ultrastructural examination of selected species with phylogenetic hypothesis based on partial LSU rDNA sequences to extend our knowledge of variation and affinities within the peridinioid group. It aims to advance our understanding of individual cell features that may lead to the recognition of synapomorphies that may be used as markers for the peridinioid group as a whole and for its subgroups. The species targetted for detailed examination were: Peridinium palatinum Lauterborn, representative of a group with two anterior intercalary plates, six cingular plates and no apical pore complex; Peridinium lomnickii Wo!oszy"ska, of a group with apical pore complex, three anterior intercalary and six cingular plates; Peridiniopsis berolinensis (Lemmermann) Bourrelly, an heterotrophic species with apical pore complex, zero anterior intercalary and six cingular plates; and Sphaerodinium cracoviense Wo!oszy"ska, a member of a genus of thecate forms with a marginally peridinioid type of tabulation, with a putative apical pore complex and four anterior intercalary plates. Peridinium palatinum was found to differ from typical Peridinium and Peridiniopsis in both thecal and internal features. The relatively large estimated differences in the partial LSU rDNA sequences of P. palatinum and its close relative P. pseudolaeve compared to P. cinctum, together with the topology of the molecular tree, supported the separation of P. palatinum and related forms at the generic level. Palatinus nov. gen. was therefore described with the new combinations Palatinus apiculatus nov. comb. (type species; syn. Peridinium palatinum), P. apiculatus var. laevis nov. comb. and P. pseudolaevis nov. comb.. Distinctive characters for Palatinus include a smooth or slighty granulate, but not areolate, plate surface, a large central pyrenoid penetrated by cytoplasmic channels and radiating into chloroplast lobes, and the presence of a peduncle-homologous microtubular strand. Palatinus cells exit the theca through the antapical-postcingular area. Peridinium lomnickii has a similar tabulation to the mostly marine, calcareous cyst producers of the genus Scrippsiella A.R. Loeblich and fine-structural observations on S. trochoidea were added for comparison. Peridinium lomnickii showed a different combination of features from Peridinium, Peridiniopsis and Scrippsiella. Interestingly, the DNA-base phylogenetic hypothesis placed P. lomnickii in the same clade as Pfiesteria Steidinger et Burkholder, Tyrannodinium and other pfiesteriaceans, with which it shares a microtubular basket and a peculiar connection between two plates in the sulcus. Distinctive characters of the proposed new genus Chimonodinium gen. ined., include, in addition to the tabulation, the absence of pyrenoids, the presence of a microtubular basket with four or five overlapping rows of microtubules associated with a small peduncle, a pusular system with well-defined pusular tubes connected to the flagellar canals, and the production of non-calcareous cysts. Peridiniopsis berolinensis shares a number of important features with Pfiesteria and its allies, including a microtubular basket with the capacity of driving and supporting a feeding tube, the ability to follow chemical clues to find suitable prey, the swimming behaviour near the prey and the general organization of the cell. Partial LSU rDNA-based phylogenetic hypotheses strongly confirm the close affinity between P. berolinensis and Pfiesteria and the more remote relationship with the type species of Peridiniopsis, P. borgei. These reasons justify the proposal of Tyrannodinium gen. nov., a new pfiesteriacean that differs from other genera in the group in being a freshwater form and in details of the plate arrangement. Sphaerodinium cravoviense showed the tabulation typical of its genus, which extends beyond normal peridinioid tabulation numbers in the anterior intercalary and in the postcingular series, with 4 and 6 plates, respectively. SEM observations revealed that the apical structure differed from the typical arrangement seen in peridinioids and included a furrow with knob-like protuberances reminiscent of the apical area of the thinly thecate woloszynskioids, which usually possess larger numbers of amphiesmal vesicles. Details of the flagellar apparatus and associated pusular system link Sphaerodinium to the woloszynskioids in general and to Baldinia anauniensis in partidular, rather than to peridinioids. The prominent eyespot found in S. cracoviense was shown by TEM to be extraplastidial and of a unique type, made of two components, each known from some eyespot types found in woloszynskioids, but not previously found together. A closer relationship of S. cracoviense with woloszynskioids than with peridinioids was also suggested by a phylogenetic analysis based on LSU rDNA. Further analyses of peridinioids, particularly within the sizeable group of species with an apical pore complex, is needed before general taxonomic relationships become clear; and improved descriptions of fine-structural features of cells are required to unravel the evolution of particular characters, allowing phenotypic phylogenetic markers to be identified.