$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Niesamowita różnorodność występuje w szkielecie głowy wśród kręgowców, zwłaszcza wśród ryb. W wielu przypadkach ta różnorodność ułatwia różne strategie żywieniowe 1-4 i może wiązać się z poważnymi zmianami zarówno w zewnętrznym, jak i wewnętrznym wzorcu twarzoczaszki. Szkielet skrzelowy znajduje się wewnętrznie w gardle ryby i otacza większość jamy policzkowej. Szkielet rozgałęziony składa się z 5 szeregowo homologicznych segmentów, z których przedni cztery podtrzymują skrzela. Razem te pięć segmentów funkcjonuje jako interfejs między rybami a ich pokarmem5. Różnorodność wielu cech, w tym grabie skrzelowe, zęby gardłowe i kości skrzelowe, przyczynia się do wydajnego żerowania na różnych rodzajach pokarmu.
Cierniki przeszły adaptacyjną radiację po tym, jak przodkowie formy oceaniczne skolonizowały słodkowodne jeziora i potoki na całej półkuli północnej. Zmiana diety z małego zooplanktonu w oceanie na większą zdobycz w wodach słodkich spowodowała dramatyczną zmienność troficzną kilku cech twarzoczaszki6. Podczas gdy wiele badań koncentrowało się na zewnętrznych różnicach w twarzorośli u cierników 7-13, ważne zmiany twarzoczaszki ewoluują wielokrotnie w wewnętrznym szkielecie skrzelowym. Zdolność do tworzenia płodnych hybryd między morfologicznie odrębnymi populacjami ciernika stanowi doskonałą okazję do zmapowania genetycznych podstaw wyewoluowanych zmian w szkielecie skrzelowym.
Jedną z cech troficznych o znaczeniu ekologicznym jest wzór grabi skrzelowych, okresowych kości skórnych, które wyściełają przednią i tylną powierzchnię kości skrzelowych i są używane do filtrowania zdobyczy. Ryby, które zazwyczaj żywią się małymi zdobyczami, mają zwykle dłuższe i gęściej rozmieszczone grabie skrzelowe w porównaniu z rybami, które żywią się większą zdobyczą14,15. Zmienność grabiarek skrzelowych odnotowano zarówno w obrębie gatunków14-19, jak i między nimi, a aspekty wzoru grabienia skrzeli przyczyniają się do nisz troficznych i sprawności16. Dziesięciolecia badań obszernie udokumentowały zmienność liczby i długości cierników skrzelowych wwieku 17-21 lat; Jednak badania te zazwyczaj koncentrują się na pierwszym rzędzie zgrabiarek skrzelowych. Niedawne prace wykazały modułowość w genetycznej kontroli liczby zgrabiarek skrzelowych w całym szkielecie skrzelowym22,23 oraz w pojedynczym rzędzie w odstępach między zgrabiarkamiskrzelowymi 23 i długości24, podkreślając znaczenie badania więcej niż pierwszego rzędu lub pojedynczego zgrabiarki skrzelowej w celu zrozumienia rozwojowych podstaw genetycznych redukcji zgrabiarek skrzelowych.
Drugą cechą troficzną, zarówno ekologiczną, jak i biomedyczną, jest wzór zębów gardłowych. Zęby u ryb mogą znajdować się zarówno w szczęce ustnej, jak iw szkielecie skrzelowym, znanym jako zęby gardłowe. Zęby jamy ustnej służą przede wszystkim do chwytania zdobyczy, podczas gdy zęby gardłowe służą do żucia i manipulacji zdobyczą25-27. Oba zestawy powstają poprzez wspólne mechanizmy rozwojowe i są uważane za rozwojowo homologiczne28. Interesująca modularność występuje w sytuacji, gdy niektóre gatunki, takie jak danio pręgowany, nie mają zębów gardła ustnego i grzbietowego29, podczas gdy inne gatunki mają wiele ząbkowanych ceratobranchiów, gardłowych, a czasem ząbkowanych podstawnych i hiposkrzeli30. U cierników zęby gardłowe znajdują się brzusznie na piątym odcinku ceratobranchialnym i grzbietowo na przednim i tylnym gardle31. Kinematyka karmienia ciernika pokazuje, że szczęka ustna jest używana głównie do chwytania zdobyczy i ułatwiania karmienia ssącego9, pozostawiając żucie do szczęki gardłowej. U pielęgnic morfologia żuchwy dolnego gardła różni się znacznie32,33 i wykazano, że jest adaptacyjna i skorelowana z niszą troficzną34. Wiele populacji ciernika słodkowodnego wyewoluowało dramatyczny wzrost liczby zębów brzusznych gardła23,35,36. Niedawne prace wykazały, że genetyczna podstawa rozwojowa tego wyewoluowanego przyrostu zębów jest w dużej mierze odmienna w dwóch niezależnie pochodzących populacjach cierników słodkowodnych36. W przeciwieństwie do zębów ssaków, ryby regenerują zęby w sposób ciągły przez całe dorosłe życie37. Obie te wcześniej opisane populacje słodkowodne o wysokim ząbkowaniu wyewoluowały przyspieszone tempo wymiany zębów, zapewniając rzadki system kręgowców do badania genetycznych podstaw regeneracji.
Trzecią cechą troficzną, która wielokrotnie ewoluowała u cierników słodkowodnych, są dłuższe kości epibranchialne i ceratobranchialne, segmentowe homologi górnej i dolnej szczęki, odpowiednio38. Dłuższe kości skrzelowe nadają większą jamę policzkową i prawdopodobnie są adaptacyjne, aby umożliwić spożywanie większych zdobyczy. Ponadto u innych ryb kości nadgałęzione są ważne dla zagłębienia grzbietowych płytek zębowych gardła25. Podobnie jak skrzela i zęby gardłowe, kości skrzelowe są wewnętrzne, a zatem trudne do łatwej wizualizacji lub określenia ilościowego.
Tutaj prezentujemy szczegółowy protokół do preparowania i płaskiego montażu szkieletu rozgałęzionego, co pozwala na łatwą wizualizację i kwantyfikację różnych ważnych cech twarzoczaszki. Podczas gdy ten protokół opisuje sekcję ciernika, ta sama metoda działa na wielu innych rybach.