Desarrollo pre- y post-natal craenano y heterocronía en el espectro altricial/precocial: los Cingulata (Xenarthra, Mammalia) como modelo de estudio

Abstract

Los Xenarthra constituyen un grupo de mamíferos placentarios principalmente endémicos de América del Sur, aunque algunos taxones han alcanzado latitudes medias de Estados Unidos. Los Cingulata representan un grupo particularmente diverso dentro de los xenartros, incluyendo especies actuales y extintas. Las especies actuales, se reúnen en dos familias: Dasypodidae (con siete especies del género Dasypus) y Chlamyphoridae, representada por tres subfamilias: Euphractinae (Euphractus, Zaedyus y Chaetophractus); Chlamyphorinae (Chlamyphorus truncatus Calyptophractus retusus) y Tolypeutinae (Cabassous, Priodontes, y Tolypeutes). En esta Tesis se trabajó con especímenes pre- y postnatales de Dasypus hybridus, Chaetophractus vellerosus, C. villosus y Tolypeutes matacus. El cráneo de los mamíferos constituye el resultado de complejos procesos ontogenéticos que involucran tres componentes fundamentales: el viscerocráneo cartilaginoso, el neurocráneo cartilaginoso y el dermatocráneo. El viscerocráneo, situado en la parte anterior de los sistemas digestivo y respiratorio, está parcialmente formado por arcos viscerales modificados, con origen embrionario en las células de las crestas neurales (esctomesodermo). El neurocráneo cartilaginoso, de origen mesodérmico (derivado de crestas neurales y del esclerótomo), constituye la porción que soporta y contiene al encéfalo y a los órganos de los sentidos. La Biología del Desarrollo, como disciplina contemporánea, busca comprender el desarrollo tanto como mecanismo evolutivo cuanto como proceso de cambio. En este contexto, la heterocronía se refiere a los cambios de los eventos dentro de la secuencia ontogenética de un individuo, pudiendo ocasionar o no modificaciones en la forma y/o el tamaño de las estructuras en su estado adulto. Estos procesos resultan heterocrónicos cuando los eventos difieren en su cronología respecto del ancestro de la especie considerada. Los términos altricialidad y precocialidad designan el grado de madurez que presentan los individuos al momento del nacimiento en mamíferos Therios, o al momento de la eclosión en saurópsidos y Prototheria, asociándose al nivel de cuidados parentales e independencia que requieren o poseen en sus primeras etapas de vida. La altricialidad se asocia típicamente con camadas numerosas de neonatos, gestaciones relativamente cortas, neonatos inmaduros y dependientes, incapacidad de alimentarse independientemente e imposibilidad de trasladarse por sus propios medios. Contrariamente, la precocialidad se vincula con camadas poco numerosas, periodos de gestación prolongados, neonatos completamente desarrollados al nacer, sistema sensorial activo, cobertura externa que permite mantener la temperatura corporal, y capacidad de desplazamiento y alimentación autónomas. Si bien no existe una escala cuantitativa definida para estos conceptos, resulta más apropiado conceptualizar la altricialidad y precocialidad como un espectro continuo que comprende desde animales altamente altriciales hasta altamente precociales, incluyendo diversos grados intermedios de madurez neonatal. La presente investigación doctoral se fundamenta en las siguientes hipótesis: (1) los armadillos están caracterizados por un patrón específico de secuencias de osificación de sus elementos craneales; (2) los cambios heterocrónicos en los eventos de osificación craneal caracterizan clados monofiléticos dentro de Cingulata; (3) los cambios heterocrónicos en los eventos de osificación y suturación están influidos por la madurez neonatal, y consecuentemente por el espectro altricial-precocial existente en Cingulata; (4) la altricialidad/precocialidad de los Cingulata se asocia tanto a sus estrategias ecológicas de colonización de ambientes como a sus capacidades de dispersión hacia ambientes de altas latitudes; y (5) la altricialidad/precocialidad del desarrollo afecta de forma diferencial a huesos mesodérmicos y ectomesodérmicos. El objetivo general de esta Tesis consistió en aportar información sobre la evolución morfológica de los Cingulata (Xenarthra, Mammalia), específicamente de las familias Dasypodidae y Chlamyphoridae, mediante el análisis de heterocronías en las secuencias de osificación craneal y de formación y cierre de suturas durante el desarrollo ontogenético pre- y postnatal, asociados a aspectos morfológicos, funcionales y ecológicos comparados, particularmente centrados en el espectro altricialidad-precocidad. Los objetivos específicos incluyeron: (1) describir las secuencias de osificación del cráneo durante el desarrollo embrionario en Dasypus hybridus (Dasypodidae) y Chaetophractus vellerosus (Chlamyphoridae); (2) describir las secuencias de formación y cierre de suturas craneanas durante el desarrollo ontogenético pre- y postnatal en estas especies; (3) comparar las secuencias de osificación y de formación y cierre de suturas en series ontogenéticas de armadillos con diferentes grados de madurez neonatal, específicamente D. hybridus (precocial) y C. vellerosus (altricial); (4) comparar estas secuencias en series ontogenéticas de otras especies de armadillos con grados de madurez neonatal diferentes y modos de vida particulares; (5) integrar la información obtenida con hipótesis filogenéticas de Xenarthra con énfasis en cingulados para detectar patrones de heterocronías; y (6) analizar los patrones encontrados en el contexto de la historia natural, ecología y evolución de las especies estudiadas, confrontándolos con situaciones equivalentes en otros grupos de mamíferos. Para el desarrollo de esta investigación se utilizaron 76 especímenes, incluyendo ejemplares prenatales y postnatales de Dasypus hybridus, Chaetophractus villosus, Chaetophractus vellerosus y Tolypeutes matacus. Se procesaron 46 especímenes prenatales y 30 postnatales de las cuatro especies. Adicionalmente, se estudiaron 82 cráneos secos de ejemplares postnatales, tanto juveniles como adultos de las especies mencionadas. La observación de centros de osificación y formación de suturas, se realizó mediante técnicas de aclaramiento enzimático y doble tinción con Alcian para evidenciar cartílago y Rojo Alizarina, para tejidos óseos. Las secuencias de desarrollo se construyeron registrando eventos morfogenéticos discretos (inicio de osificación, formación de suturas y cierre de suturas), y se compararon mediante métodos de eventos pareados (Event-pair) y análisis de parsimonia (Parsimov y PGi) para detectar cambios heterocrónicos en el contexto filogenético de Placentalia y Metatheria. Gracias a los resultados obtenidos, se revelan aspectos fundamentales de la osteología craneal de los Cingulata. Se determinó que en este clado está ampliamente distribuida la presencia del mesetmoides como hueso más distal del basicráneo. Contrariamente, el presfenoides se encuentra ausente en el grupo, siendo su espacio ocupado por extensiones de los orbitoesfenoides que se encuentran en la línea media del basicráneo. Se identificaron diferencias interespecíficas significativas en la secuencia de osificación y el grado de avance de las osificaciones del cráneo durante la esqueletogénesis prenatal y postnatal entre los armadillos estudiados. El análisis filogenético permitió identificar cambios heterocrónicos sinapomórficos a nivel de las secuencias de osificación en el nodo Atlantogenata, compartidos por los "placentarios del sur". Para el nodo Xenarthra no se recuperaron cambios heterocrónicos respecto de sus grupos hermanos, contrariamente a lo observado en los grupos internos del clado Xenarthra, que sí registran movimientos heterocrónicos significativos. Constituye un aporte original la realización del primer análisis de heterocronía aplicado específicamente a secuencias de formación de suturas. En este análisis se identificaron eventos heterocrónicos en los nodos Cingulata y Chlamyphoridae. Asimismo, se identificaron cambios heterocrónicos a nivel de secuencias de cierre de suturas en los nodos Xenarthra y Chlamyphoridae. Se determinó una mayor variabilidad en la aparición de eventos de osificación en las regiones correspondientes a la base del cráneo y la región occipital, así como en aquellos eventos que se ubican más tardíamente en la secuencia ontogenética. Para las secuencias de formación de suturas se identificó mayor variabilidad en la región de la bóveda y la parte rostral del cráneo. En cuanto a las secuencias de cierre de suturas, la mayor variabilidad se observó en las suturas de la parte rostral del cráneo. Los hallazgos obtenidos permitieron identificar aspectos relacionados con la cantidad de osificaciones, su grado de avance, la secuencia de formación de suturas y la secuencia de cierre, que están estrechamente vinculados a los diferentes grados de madurez neonatal encontrados en las especies del clado Cingulata. Estos resultados demuestran que las heterocronías en el desarrollo craneal constituyen mecanismos evolutivos significativos que no solo caracterizan clados monofiléticos sino que también se asocian a estrategias ecológicas específicas de colonización de ambientes y capacidades diferenciales de dispersión hacia ambientes de altas latitudes. En conclusión, la presente Tesis doctoral aporta información relevante sobre secuencias de osificación, craneanas, formación y cierre de suturas de los Cingulata en un contexto filogenético, que permite comprender los mecanismos de desarrollo que favorece a la diversificación morfológica y ecológica de este grupo de mamíferos sudamericanos.

Xenarthra are a group of placental mammals primarily endemic to South America, although some taxa have reached mid-latitudes in the United States. Cingulata represent a particularly diverse group within the xenarthrans, including both extant and extinct species. The current species are grouped into two families: Dasypodidae (with seven species of the genus Dasypus) and Chlamyphoridae, represented by three subfamilies: Euphractinae (Euphractus, Zaedyus, and Chaetophractus); Chlamyphorinae (Chlamyphorus truncatus and Calyptophractus retusus); and Tolypeutinae (Cabassous, Priodontes, and Tolypeutes). The present thesis examined pre- and postnatal specimens of Dasypus hybridus, Chaetophractus vellerosus, C. villosus, and Tolypeutes matacus. The mammalian skull arises from complex ontogenetic processes involving three fundamental components: the cartilaginous viscerocranium, the cartilaginous neurocranium, and the dermatocranium. The viscerocranium, located anterior to the digestive and respiratory systems, is partially derived from modified visceral arches that originate embryonically from neural crest cells. The cartilaginous neurocranium, of mesodermal origin (derived from neural crests and the sclerotome), constitutes the portion that supports and contains the brain and sensory organs. Developmental Biology, as a contemporary discipline, aims to elucidate development both as an evolutionary mechanism and as a process of change. In this context, heterochrony refers to changes in the position of events within an individual's ontogenetic sequence, which may or may not cause modifications in form and/or size in adulthood. These processes are heterochronic when the events differ in their chronology from the ancestor of the species in question. The terms altriciality and precociality designate the degree of maturity animals exhibit at birth in mammals, or at hatching in sauropsids and prototheria, and are associated with the level of parental care and independence they require or possess in their early life stages. Altriciality is typically associated with large litters of neonates, relatively short gestations, immature and dependent neonates, an inability to feed independently, and an inability to move on their own. Conversely, precociality is linked to small litters, prolonged gestation periods, fully developed neonates at birth, an active sensory system, external covering that allows them to maintain body temperature, and the capacity for autonomous movement and feeding. While there is no defined quantitative scale for these concepts, it is more appropriate to conceptualize altriciality and precociality as a continuous spectrum ranging from highly altricial to highly precocial animals, including various intermediate degrees of neonatal maturity. This doctoral research is based on the following hypotheses: (1) armadillos are defined by a specific pattern of ossification sequences of their cranial elements; (2) heterochronic changes in cranial ossification events characterize monophyletic clades within Cingulata; (3) heterochronic changes in ossification and suturing events are influenced by neonatal maturity, and consequently by the altricial-precocial spectrum existing in Cingulata; (4) the altriciality/precociality of Cingulata is associated both with their ecological strategies for colonizing environments and with their dispersal capabilities towards high-latitude environments; and (5) the altriciality/precociality of development differentially affects mesodermal and ectomesodermal bones. The overall objective of this thesis was to provide information on the ecomorphological evolution of Cingulata (Xenarthra, Mammalia), specifically the families Dasypodidae and Chlamyphoridae, through the analysis of heterochronies in cranial ossification sequences and suture formation and closure during pre- and postnatal ontogenetic development, associated with comparative morphological, functional, and ecological aspects, particularly focused on the altriciality-precocity spectrum. Specific objectives included: (1) to describe the ossification sequences of the skull during embryonic development in Dasypus hybridus (Dasypodidae) and Chaetophractus vellerosus (Chlamyphoridae); (2) to describe the sequences of formation and closure of cranial sutures during pre- and postnatal ontogenetic development in these species; (3) to compare the ossification and suture formation and closure sequences in ontogenetic series of armadillos with different degrees of neonatal maturity, specifically D. hybridus (precocial) and C. vellerosus (altricial); (4) to compare these sequences in ontogenetic series of other armadillo species with different degrees of neonatal maturity and particular lifestyles; (5) to integrate the information obtained with phylogenetic hypotheses of Xenarthra with emphasis on cingulates to detect patterns of heterochrony; and (6) to analyze the patterns found in the context of the natural history, ecology, and evolution of the studied species, comparing them with equivalent situations in other mammal groups. For this research, 76 specimens were used, including prenatal and postnatal specimens of Dasypus hybridus, Chaetophractus villosus, Chaetophractus vellerosus, and Tolypeutes matacus. Forty-six prenatal and thirty postnatal specimens from the four species were processed. Additionally, 82 dried skulls of postnatal specimens, both juvenile and adult, of the aforementioned species were studied. The observation of ossification centers and suture formation was performed using enzymatic clearing techniques and double staining with Alcian to highlight cartilage and Alizarin Red for bone tissue. Developmental sequences were constructed by recording discrete morphogenetic events (ossification initiation, suture formation, and suture closure) and compared using event-pair methods and parsimony analysis (Parsimov and PGi) to detect heterochronic changes within the phylogenetic context of Placentalia and Metatheria. The results obtained reveal fundamental aspects of the cranial osteology of Cingulata. It was determined that the mesethmoid bone is widely distributed as the most distal bone of the basicranium in this clade. Conversely, the presphenoid bone is absent in the group, its space being occupied by extensions of the orbitosphenoid bones located in the midline of the basicranium. Significant interspecific differences were identified in the ossification sequence and the degree of advancement of cranial ossification during prenatal and postnatal skeletonization among the studied armadillos. Phylogenetic analysis identified synapomorphic heterochronic changes in ossification sequences within the Atlantogenata node, shared by the "southern placentals." No heterochronic changes were found in the Xenarthra node compared to its sister groups, unlike the internal groups within the Xenarthra clade, which exhibited significant heterochronic shifts. The first heterochrony analysis specifically applied to suture formation sequences is a significant contribution. This analysis identified heterochronic events in the Cingulata and Chlamyphoridae nodes. Heterochronic changes were also identified in suture closure sequences within the Xenarthra and Chlamyphoridae nodes. Greater variability was observed in the occurrence of ossification events in the skull base and occipital regions, as well as in events occurring later in the ontogenetic sequence. For suture formation sequences, greater variability was identified in the vault and rostral part of the skull. Regarding suture closure sequences, the greatest variability was observed in the sutures of the rostral part of the skull. The findings obtained allowed for the identification of aspects related to the number of ossifications, their stage of development, the suture formation sequence, and the closure sequence, which are closely linked to the different degrees of neonatal maturity found in species of the Cingulata clade. These results demonstrate that heterochronies in cranial development constitute significant evolutionary mechanisms that not only characterize monophyletic clades but are also associated with specific ecological strategies for colonizing environments and differential dispersal capacities toward high-latitude environments. In conclusion, this doctoral thesis provides relevant information on cranial ossification sequences, as well as suture formation and closure in Cingulata within a phylogenetic context, contributing to the understanding of the developmental mechanisms that promote the morphological and ecological diversification of this group of South American mammals.