Δυναμική πληθυσμών, αναπαραγωγική βιολογία και ενήλικη νευρογένεση στο Holothuria (Roweothuria) poli Delle Chiaje, 1823 (Echinodermata: Holothuroidea)

Abstract

Sea cucumbers represent key benthic organisms in marine ecosystems, playing an important role in sediment bioturbation, organic matter recycling, and nutrient circulation within the seabed. In the Mediterranean Sea, species of the genus Holothuria are of particular ecological and economic importance, yet the biology of several species remains poorly understood. Holothuria poli, a widely distributed species in the Eastern Mediterranean, is one such example. The present doctoral thesis provides a comprehensive investigation of the population structure, reproductive biology, and— for the first time internationally—adult neurogenesis in the ectoneural part of the nerve ring of H. poli The first part of the study examined the population structure of the species, including morphometric characteristics, length–weight relationships, and seasonal variation in sex ratio. Males exhibited slightly higher mean body length and weight than females, while the overall sex ratio was biased toward females. Demographic analysis revealed the presence of multiple size classes -corresponding to different ages- within the population, indicating continuous recruitment and a relatively stable population structure. The second part focused on the annual reproductive cycle through histological analysis of the gonads, estimation of the gonadosomatic index (GSI), oocyte morphometry, and determination of the size at first sexual maturity (SOM). The results demonstrated that H. poli exhibits a strongly seasonal, annual gametogenic cycle, with reproductive maturation peaking between May and June. Histological examination confirmed a high degree of synchrony between sexes, while the estimated size at first sexual maturity was TL₅₀ = 156.3 mm and DW₅₀ = 229.1 g. These values provide important information for the management and conservation of natural populations, particularly in the context of increasing fishing pressure in the Mediterranean. The third part of the thesis investigated adult neurogenesis in the ectoneural neuroepithelium of the nerve ring of H. poli using a combination of immunohistochemical markers and stereological analysis. Cell proliferation was detected using BrdU labeling, while neuronal differentiation and maturation were assessed using the markers SOX2, DCX and NeuN, respectively. The results revealed a spatially organized neurogenic process within the ectoneural neuroepithelium, characterized by a distinct distribution of cellular activity along the apico-basal axis. Specifically, BrdU-positive proliferating cells were predominantly localized to the apical surface, in close association with radial glia-like supporting cells, while BrdU⁺/NeuN⁺ mature neurons were mainly detected in the basal surface, corresponding to the cell somata layer. This spatial organization suggests a continuous and directional process of neuronal production, differentiation and maturation along the apico-basal axis of the ectoneural neuroepithelium in the adult nervous system of H.poli. Overall, this thesis provides the first comprehensive data on the population ecology and reproductive biology of H. poli in the Central Aegean Sea, and documents for the first time the occurrence of adult neurogenesis in its nervous system, including its spatial organization within the ectoneural neuroepithelium. These findings contribute to a better understanding of echinoderm biology, provide new insights into the evolutionary conservation of neurogenic mechanisms in deuterostomes, and open new perspectives for comparative neurobiology and regenerative biology research.

Τα ολοθούρια συγκαταλέγονται στους σημαντικότερους βενθικούς οργανισμούς των θαλάσσιων οικοσυστημάτων καθώς διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στη βίο-ανάδευση των ιζημάτων, στην ανακύκλωση της οργανικής ύλης και στη ρύθμιση των θρεπτικών στοιχείων στον θαλάσσιο πυθμένα. Στη Μεσόγειο Θάλασσα, τα είδη του γένους Holothuria παρουσιάζουν ιδιαίτερο οικολογικό και οικονομικό ενδιαφέρον, καθώς αποτελούν βασικά μέλη των βενθικών κοινοτήτων και ταυτόχρονα αντικείμενο αυξανόμενης αλιευτικής εκμετάλλευσης. Παρά τη σημασία τους, η γνώση σχετικά με τη βιολογία και τη λειτουργική οικολογία πολλών ειδών παραμένει περιορισμένη. Το Holothuria poli, ένα είδος με ευρεία εξάπλωση στην Ανατολική Μεσόγειο, αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα, καθώς η βιολογία του έχει μελετηθεί ελάχιστα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρεί μια ολοκληρωμένη διερεύνηση της πληθυσμιακής δομής, της αναπαραγωγικής βιολογίας και για πρώτη φορά διεθνώς, της ενήλικης νευρογένεσης στο εξωνευρικό (ectoneural) τμήμα του νευρικού δακτυλίου του H. poli. Στο πρώτο μέρος της μελέτης διερευνήθηκε η πληθυσμιακή δυναμική του είδους στο νησί της Πάρου (Κυκλάδες, κεντρικό Αιγαίο). Καταγράφηκαν τα βασικά μορφομετρικά χαρακτηριστικά των ζώων, αναλύθηκαν οι σχέσεις μήκους–μάζας και εξετάστηκε η κατανομή των φύλων στον πληθυσμό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα αρσενικά παρουσιάζουν ελαφρώς μεγαλύτερες μέσες τιμές μήκους και σωματικής μάζας σε σχέση με τα θηλυκά, ενώ η αναλογία φύλου ήταν υπέρ των θηλυκών, στο σύνολο των ατόμων. Η δημογραφική ανάλυση του πληθυσμού αποκάλυψε την παρουσία πολλών κλάσεων μεγέθους, που αντιστοιχούν σε διαφορετικές ηλικίες, γεγονός που υποδηλώνει συνεχή ανανέωση του πληθυσμού και σχετικά σταθερή πληθυσμιακή δομή. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάστηκε ο ετήσιος αναπαραγωγικός κύκλος του είδους μέσω ιστολογικής ανάλυσης των γονάδων, υπολογισμού του γοναδοσωματικού δείκτη (GSI), μορφομετρικής ανάλυσης των ωοκυττάρων και εκτίμησης του μεγέθους πρώτης αναπαραγωγικής ωρίμανσης (SOM). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το H. poli εμφανίζει έντονα εποχική, ετήσια γαμετογένεση, με κορύφωση της ωρίμανσης κατά τους μήνες Μάιο και Ιούνιο. Η διαδοχή των ιστολογικών σταδίων ανάπτυξης των γονάδων (στάδια I–V) έδειξε υψηλό βαθμό συγχρονισμού μεταξύ των φύλων. Επιπλέον, ο υπολογισμός του μεγέθους πρώτης αναπαραγωγικής ωρίμανσης κατέδειξε ότι το είδος αποκτά αναπαραγωγική ικανότητα σε ολικό μήκος (TL₅₀) 156,3 mm και ξηρή μάζα (DW₅₀) 229,1 g. Οι τιμές αυτές αποτελούν σημαντική παράμετρο για τη διαχείριση και τη βιώσιμη εκμετάλλευση των πληθυσμών του είδους στη Μεσόγειο, όπου η αλιευτική πίεση στα ολοθούρια παρουσιάζει αυξητική τάση. Το τρίτο μέρος της διατριβής επικεντρώθηκε στη μελέτη της ενήλικης νευρογένεσης στο νευρικό σύστημα του H. poli Μέσω συνδυασμένης χρήσης ανοσοϊστοχημικών δεικτών και στερεολογικής ανάλυσης διερευνήθηκε η παρουσία και η κατανομή νεοπαραγόμενων νευρικών κυττάρων στο εξωνευρικό νευροεπιθήλιο του νευρικού δακτυλίου. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν οι δείκτες BrdU, για την ανίχνευση των διαιρούμενων κυττάρων, DCX για την ταυτοποίηση ανώριμων νευρώνων και NeuN για την αναγνώριση ώριμων νευρικών κυττάρων. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν την ύπαρξη μιας χωρικά οργανωμένης διαδικασίας νευρογένεσης, η οποία εκτείνεται κατά μήκος του εξωνευρικού νευροεπιθηλίου. Η ανάλυση ανέδειξε διακριτή χωρική οργάνωση της νευρογόνου δραστηριότητας κατά μήκος του άξονα του εξωνευρικού νευροεπιθηλίου: η επιπολής/κορυφαία επιφάνεια (apical surface) χαρακτηρίζεται από αυξημένη παρουσία BrdU⁺ κυττάρων και αποτελεί τον κύριο χώρο κυτταρικού πολλαπλασιασμού, ενώ η βασική επιφάνεια (basal surface — cell somata layer) φιλοξενεί κυρίως BrdU⁺/NeuN⁺ ώριμους νευρώνες και αποτελεί τον χώρο τελικής νευρωνικής εγκατάστασης. Η χωρική αυτή οργάνωση υποδηλώνει ότι η νευρογένεση στο ενήλικο H. poli αποτελεί μια συνεχή και χωρικά ρυθμιζόμενη διαδικασία που περιλαμβάνει διαδοχικά στάδια πολλαπλασιασμού, διαφοροποίησης και ωρίμανσης των νευρικών κυττάρων κατά μήκος του επιθηλιακού άξονα. Συνολικά, η παρούσα διατριβή παρέχει τις πρώτες ολοκληρωμένες πληροφορίες για τη δημογραφική δομή και τη βιολογία της αναπαραγωγής του H. poli στο κεντρικό Αιγαίο, ενώ παράλληλα τεκμηριώνει για πρώτη φορά την ύπαρξη ενήλικης νευρογένεσης στο νευρικό του σύστημα. Τα ευρήματα αυτά συμβάλλουν ουσιαστικά στην κατανόηση της βιολογίας των ολοθουρίων και προσφέρουν νέα δεδομένα για τη συγκριτική μελέτη των μηχανισμών νευρογένεσης στους δευτεροστόμιους οργανισμούς. Παράλληλα, τα αποτελέσματα έχουν οικολογικές προεκτάσεις, ανοίγοντας νέες προοπτικές για τη μελέτη της αναγεννητικής βιολογίας των εχινόδερμων και των εξελικτικά συντηρημένων μηχανισμών ανανέωσης του νευρικού ιστού.