Evolution and development of turtles: organogenesis and cranial musculature

Abstract

Two mechanisms can be detected in evolution leading to differentiating ontogenic patterns and adult morphology: Heterochrony, changes in the timing of developmental characters; and heterotopy, displacements of homologous structures in development. To explore aspects of their patterns and their interrelationship, both phenomena were exemplarily studied in land vertebrates, particularly in its most debated taxon, Testudines. In one part of the thesis the organogenesis of different tetrapod taxa was compared. Therefore a standard system to study vertebrate embryos was developed based on clear anatomical definitions of developmental characters. The study includes recommendations on how to use such characters within a phylogenetic framework, how to handle them in embryological collections and how to deal with them in molecular oriented laboratories. In total 104 organogenic characters were compared among embryos of 23 tetrapod species, including 15 turtle species. Using the Parsimov algorithm we were able to detect heterochronic shifts that autapomorphically support particular nodes in alternative topologies. Our embryological data and the analyses performed best support a sistergroup position of Testudines to all remaining living sauropsids, and a basal position of marine turtles within Cryptodira. The heterochronic shifts detected could – with caution – be correlated to differentiating feeding and locomotion behaviours in early life history of mammals and reptiles or to the count of vertebrae in the respective taxa. As this study exclusively deals with a neontological kind of data we could not differentiate whether turtles evolved within “Anapsida” or on the stemline of Sauria within Diapsida. For two amniote species – the turtle Emydura subglobosa and the mammal Tachyglossus aculeatus – organogenetic patterns were exemplarily described in detail and their timing was correlated to ossification, myogenesis or early crawling behaviour. Alternative topologies were tested among Mammalia to detect the robusticity of heterochronic data – resulting in a critical interpretation of this non-independent kind of data for phylogenetic approaches. Another part of the thesis is concerned with the heterotopic aspect of evolution. In the studies mentioned above I recognised several heterochronic shifts to include head-related characters. Uncertainties about the phylogenetic position of turtles within Tetrapoda are mainly based on the arrangement of temporal bones, and studies on organogenesis did not result in a definitive solution. Hence, the anatomy of the cranium associated musculature in turtles was comparatively studied. A clear definition of muscular structures in general and a review on all studies dealing with cranial musculature in turtles are presented. The homology of 88 muscular units are discussed. I focussed on the evolution of jaw musculature within Testudines and performed phylogenetic analyses having several alternative topologies as phylogenetic frameworks. The hardly comparable jaw muscle anatomy within Sauropsida does not suggest a solution for the position of turtles; hence, a non-homologous arrangement of jaw musculature in the major tetrapod taxa and a position of turtles outside of Sauria are proposed. The jaw muscle characters best support the currently most accepted arrangement of turtle subgroups, presuming 1. South American and Australasian chelids (Pleurodira) to be monophyletic groups and 2. soft-shelled turtles (Trionychidae) being the sister taxon to all remaining living cryptodires. The value of soft tissue characters for phylogenetic reconstruction is discussed and a system for muscle development and evolution is proposed that most adequately reflects the plastic behaviour of this structure in time and space.



ZUSAMMENFASSUNG
In der Evolution können zwei Mechanismen beschrieben werden, die zu unterschiedlichen Entwicklungsmustern und zu verschiedener Adultmorphologie führen: Heterochronien, Änderungen im zeitlichen Auftreten; und Heterotopien, räumliche Verschiebungen homologer Strukturen. Um einzelne Aspekte und ihre Beziehung zueinander zu untersuchen, wurden beide Phänomene exemplarisch in Landwirbeltieren, insbesondere ihrem am häufigsten diskutieren Taxon, den Testudines, untersucht. In einem Teil der Arbeit wurde die Organogenese verschiedener Tetrapoden verglichen. Basierend auf klar definierten Entwicklungsmerkmalen, wurde dafür ein Standardsystem zur Untersuchung von Wirbeltierembryonen entwickelt. Empfehlungen zur Handhabung dieser Merkmale in phylogenetischen Studien, in embryologischen Sammlungen und in molekularen Laboratorien werden unterbreitet. Bei 23 Landwirbeltierarten, davon 15 Schildkröten, wurden insgesamt 104 Merkmale der Organogenese verglichen. Unter Verwendung des Parsimov Algorithmus’ konnten heterochrone Verschiebungen detektiert werden, die die jeweilige Verzweigungen in alternativen Topologien unterstützen. Die embryologischen Daten und die verwendete Untersuchungsmethode unterstützen am besten ein Schwestergruppenverhältnis Testudines zu allen anderen lebenden Sauropsiden, sowie eine basale Stellung der Meeresschildkröten innerhalb der Cryptodira. Die festgestellten heterochronen Verschiebungen konnten – mit Vorbehalt – mit dem unterschiedlichen Freß- oder Fortbewegungsverhalten im frühen Lebensabschnitt der Säugetiere und Reptilien oder der Wirbelanzahl der einzelner Gruppen korreliert werden. Da diese Arbeit ausschließlich neonthologische Daten untersuchte, war es nicht möglich zu unterscheiden, ob Schildkröten innerhalb der „Anapsida“ oder auf der Stammlinie der Sauria innerhalb der Diapsida entstanden sind. Für zwei Arten der Amniota – für die Schildkröte Emydura subglobosa und den Säuger Tachyglossus aculeatus – wurde zum ersten Mal die Organentwicklung im Detail beschrieben und ihr zeitliches Muster konnte mit der Verknöcherung, der Muskelentwicklung oder dem frühen Kletterverhalten korreliert werden. Unterschiedliche Verwandtschaftsverhältnisse der Säugetiere wurden verglichen, um die Aussagekraft heterochroner Daten zu testen. Der Wert dieser unabhängigen Daten für stammesgeschichtliche Ansätze wird kritisch beurteilt. Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit befaßt sich mit heterotopen Aspekten der Evolution. In den oben genannten Untersuchungen wurden zahlreiche heterochrone Verschiebungen festgestellt, die Merkmale der Kopfentwicklung beinhalten. Unklarheiten zur phylogenetischen Stellung der Schildkröten betreffen vor allem die Anordnung der Schädelknochen und die Untersuchungen zur Organogenese konnten keine definitive Stammbaumhypothese liefern. Daher wurde die Anatomie der Cranium-assoziierten Muskulatur der Schildkröten vergleichend untersucht. Hierfür wurden im Allgemeinen klare Definitionen muskulärer Strukturen präsentiert und eine Zusammenschau aller bisherigen Veröffentlichungen, die sich mit Kopfmuskeln der Schildkröten beschäftigen, vorgestellt. Die Homologien von 88 Muskeleinheiten (muscular units) werden diskutiert. Die Kiefermuskulatur der Schildkröten wird näher untersucht und, basierend auf verschiedenen Topologien, phylogenetische Analysen durchgeführt. Die schwer vergleichbare Anatomie der Kiefermuskulatur in den Sauropsiden läßt auf keine Lösung für die Stellung der Schildkröten schließen. Daher wird eine nicht homologe Architektur der Kiefermuskeln innerhalb der Tetrapoden-Gruppen und eine Stellung der Schildkröten außerhalb der Sauria vorgeschlagen. Die Merkmale der Kiefermuskulatur unterstützen am besten die gegenwärtig weitgehend akzeptierte Hypothese zur Verwandtschaft der einzelnen Schildkrötengruppen. Diese nimmt an, daß 1. die südamerikanischen und die australisch-asiatischen Cheliden (Pleurodira) jeweils eine monophyletische Gruppe bilden oder, daß 2. die Weichschildkröten (Trionychidae) allen übrigen lebenden Cryptodiren gegenüberstehen. Der Wert von Weichgewebe für phylogenetische Rekonstruktionen wird diskutiert und ein System zur Muskelentwicklung und - evolution wird vorgeschlagen, das am adäquatesten das plastische Verhalten dieser Struktur in Raum und Zeit darstellt.