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Discussione

L’etichettatura fluorocromatica ripetuta di individui con denti in formazione permette un’analisi dettagliata dei processi di crescita dei denti basata su un numero limitato di esemplari. Utilizzando questo approccio, abbiamo ricostruito la formazione della corona molare nelle pecore Soay sulla base di 147 stadi di sviluppo da un campione di 27 molari marcati di 11 individui. Questo ci ha permesso di valutare i periodi di formazione delle diverse porzioni delle corone molari. Mentre alcune etichette segnavano con precisione (entro un intervallo di pochi giorni) il raggiungimento di uno stadio di sviluppo caratteristico, per altri stadi il modello di etichettatura non permetteva una determinazione così precisa. In questi casi, abbiamo dovuto ricostruire il raggiungimento di un particolare stadio di sviluppo per interpolazione. Nonostante queste limitazioni, l’analisi dei denti marcati con fluorocromo di individui di età nota è un approccio prezioso per ricostruire lo sviluppo dentale. Questo approccio può essere visto come uno studio di crescita longitudinale retrospettivo. Studi con un disegno simile sono stati precedentemente condotti per caratterizzare i tassi di crescita della corona e i modelli incrementali nello smalto e nella dentina di diverse specie di mammiferi.

Una scoperta principale del nostro studio è che la formazione della corona molare nelle pecore Soay continua per un lungo periodo dopo la formazione del pavimento infundibolare e anche dopo l’inizio dell’usura occlusale. La formazione della corona molare copre un periodo che va dal tardo sviluppo fetale (inizio della mineralizzazione in M1) a più di 900 giorni dopo la nascita (completamento della corona in M3). L’usura occlusale si è verificata prima nei molari in cui il pavimento infundibolare era stato completato e una piccola quantità (3-5 mm) di base della corona era già stata formata. Pertanto, il completamento del pavimento dell’infundibolo nei molari mandibolari può essere visto come un proxy per l’inizio dell’eruzione dei denti (emergenza gengivale) nelle pecore.

Con i metodi utilizzati in questo studio, non è stato possibile determinare esattamente l’inizio prenatale della formazione dello smalto nella M1 studiata. Tuttavia, sulla base dei tassi di apposizione dei minerali nella dentina, abbiamo precedentemente ricostruito l’inizio della formazione prenatale del tessuto duro in questi denti come se si verificasse tra 20 e 40 giorni prima della nascita. Questo corrisponde abbastanza bene con il periodo di 49 giorni per la formazione prenatale della corona in M1 registrato per una pecora (razza Dorset) sulla base del conteggio delle laminazioni nello smalto prenatale e un calcolo dell’EER. Uno studio su pecore fetali ha riportato il raggiungimento dello stadio di campana del germe del dente M1 al giorno 53 di gestazione. La formazione del tessuto duro non era ancora iniziata nel feto più vecchio (56 giorni di età gestazionale) di quello studio. Data una lunghezza di gestazione di circa 150 giorni nelle pecore, questo suggerisce un periodo di almeno 50 giorni tra il raggiungimento dello stadio di campana e l’inizio della mineralizzazione della corona nella M1. In base ai nostri dati, tra gli 80 e i 100 giorni trascorrono tra l’inizio della mineralizzazione della corona e il completamento del pavimento infundibolare nella M1.

Nel lobo anteriore della pecora Soay M1, il completamento del pavimento dell’infundibolo è seguito da un ulteriore periodo di crescita di circa 220 giorni. Nella M2, in cui la mineralizzazione della corona inizia a circa tre mesi di età postnatale, trascorrono circa 210 giorni tra l’inizio della mineralizzazione della corona e il completamento del pavimento dell’infundibolo e altri 260 giorni fino alla transizione corona-radice si verifica buccalmente nel lobo anteriore. Nel lobo anteriore di M3, trascorrono circa 210 giorni tra l’inizio della mineralizzazione della corona (a 12-13 mesi di età) e il completamento del pavimento infundibolare, che è seguito da altri 300 giorni di allungamento della corona prima della transizione corona-radice. Nei lobi posteriori di M1 e M2 e nei lobi centrali e posteriori di M3, la mineralizzazione della corona inizia leggermente più tardi e la formazione della corona dura leggermente di più che nei lobi anteriori.

La relazione temporale predominante tra il completamento della corona e l’inizio dell’usura nei molari artiodattili, come illustrato schematicamente da Hillson per i generi Cervus (condizione mesodonte) e Bos (condizione ipsodonte), è che la formazione della corona è già completata e la formazione della radice ben avviata quando i denti entrano in usura. La porzione allungata della base della corona dei molari di pecora è la principale differenza rispetto alla situazione di Cervus e Bos, dove il pavimento dell’infundibolo è situato vicino al punto più apicale della CRB (Witzel et al., osservazione non pubblicata). Il modello di crescita dei molari delle pecore differisce da quello di molte altre specie di artiodattili in quanto l’allungamento della corona continua per un tempo considerevole dopo che i denti hanno raggiunto il contatto occlusale, una condizione definita ipselodontia incipiente. Oltre alle pecore ( e questo studio) questo modello si verifica anche in pronghorns , Myotragus balearicus, una specie di capra insulare fossile (X. Jordana, comunicazione personale 2015), e in specie di equidi estinti ed estinti .

Il periodo prolungato di crescita della corona nei denti ipsodonti richiede un investimento maggiore rispetto alla formazione dei denti brachydont. L’investimento aggiuntivo è in parte dovuto a un numero maggiore di ameloblasti e a un periodo funzionale prolungato dell’organo dello smalto. Inoltre, deve essere reclutato un numero maggiore di odontoblasti e deve essere formata più dentina.

Un aumento dell’altezza della corona richiede la persistenza prolungata di una nicchia di cellule staminali derivate dall’epitelio nell’anello cervicale del germe del dente. È stato dimostrato che nessuna nuova molecola o percorso di segnalazione deve evolvere per alterare la forma di una corona dentaria o le proporzioni relative delle porzioni del dente. Piuttosto, i cambiamenti nelle dimensioni e nella forma del dente sono ottenuti variando i modelli di espressione temporale dei geni che codificano le molecole di segnalazione esistenti (BMP2 e 4, SHH, IGF, FGF10, Follistatina e Activin). Nei denti in continua crescita (ipselodonti), la persistenza della nicchia delle cellule staminali epiteliali è anche legata all’azione di diverse molecole di segnalazione (BMP4, FGF3, 9 e 10, Activin e NOTCH). Si può ipotizzare che le stesse molecole o molecole simili siano coinvolte nel prolungamento del periodo di crescita della corona dei molari di pecora.

Il daino (Dama dama) è una specie di cervidi con un peso corporeo (femmine 35-50 kg, maschi 50-80 kg) nella gamma delle razze non migliorate di pecore domestiche. I pesi corporei delle pecore Soay sono leggermente al di sotto di tale gamma. Il tempo di formazione dei molari mesodonti dei daini è solo circa la metà di quello dei molari ipsodonti delle pecore Soay (CFT M1: Dama circa 150 giorni – Soay circa 300 giorni; CFT M2: Dama circa 220 giorni – Soay circa 470 giorni; CFT M3: Dama circa 260 giorni – Soay circa 500 giorni) . I dati riportati per lo sviluppo del dente Dama non permettono di differenziare i tempi di formazione delle diverse porzioni di corona nella M1. Tuttavia, per M2 e M3 si può dimostrare che il tempo di formazione della porzione coronale situata cuspidalmente al pavimento dell’infundibolo differisce molto meno tra daini e pecore Soay (M2: Dama circa 130 giorni – Soay circa 200 giorni; M3: Dama circa 180 giorni – Soay circa 210 giorni) che il tempo di formazione della porzione di base della corona (M2: Dama circa 90 giorni – Soay circa 260 giorni; M3: Dama circa 80 giorni – Soay circa 300 giorni).

I periodi di formazione dei lobi anteriori dei molari mandibolari delle pecore Soay determinati nel nostro studio sono diversi mesi più lunghi dei periodi di formazione totale della corona riportati per le moderne razze di pecore sulla base di esami radiografici e/o macroscopici. Questi studi hanno anche riportato un inizio di mineralizzazione più precoce nel M2 (a un mese di età) e M3 (a 9 a < 12 mesi) rispetto al nostro studio nelle pecore Soay. Una ragione per questa discrepanza potrebbe essere che in questi studi le pecore più giovani analizzate erano già da 3 a 6 , 5 o 6 mesi di età in modo che l’inizio della mineralizzazione M2 doveva essere estrapolato. In uno studio recente sulle pecore Dorset, l’inizio della mineralizzazione M2 è stato registrato per la prima volta in animali di 88 giorni. Questo valore concorda bene con i nostri risultati per l’inizio della mineralizzazione M2 nelle pecore Soay (a circa 90 giorni). Allo stesso modo, i periodi formativi approssimativi per i lobi della corona anteriore dei molari mandibolari delle pecore Soay (300 giorni per M1, 460 giorni per M2 e 500 giorni per M3) sono solo leggermente superiori ai valori massimi indicati per la formazione della corona di questi denti nelle pecore Shetland. In primo luogo, l’esame radiografico è meno adatto per determinare il completamento della formazione della corona rispetto all’analisi istologica dei denti marcati o all’ispezione macroscopica dei denti estratti, come è stato precedentemente riportato per i denti umani. In secondo luogo, la formazione della corona molare in razze non migliorate del Nord Europa richiede più tempo che in razze ovine più migliorate che crescono ad un ritmo più veloce. Inoltre, la marcata variazione nella posizione del CRB tra diverse aree della corona del dente sottolinea le osservazioni caute di Upex e Dobney sulla mancanza di chiarezza in molti studi per quanto riguarda i criteri utilizzati per definire lo stadio di sviluppo “corona completa”. Chiaramente, la formazione della corona è completa solo quando l’estensione dello smalto è cessata su tutti i fianchi del dente.

La marcata riduzione registrata dell’EER da cuspide a cervicale indica un calo progressivo nel reclutamento di ameloblasti nel fronte secretorio. I nostri risultati confermano i risultati precedenti in pecore, altri bovidi ed equidi. Poiché l’usura dei denti nelle pecore avviene contemporaneamente alla formazione della porzione cervicale della corona, la marcata riduzione dell’EER durante le fasi successive della formazione della corona contribuisce ad un rapporto eruzione/usura equilibrato, che è stato descritto come una caratteristica dei denti che continuano a crescere dopo aver raggiunto il contatto occlusale. Tuttavia, data la discrepanza tra il tasso di usura ricostruito di circa 8,5 μm/giorno nella M1 e l’EER registrato di circa 40 μm/giorno nel quarto cervicale della corona molare, ulteriori processi devono essere coinvolti nel raggiungimento di un rapporto equilibrato tra eruzione e usura. È stato suggerito che durante la cosiddetta fase penetrativa dell’eruzione del dente i denti si inseriscono più profondamente nella mascella a causa di un processo che coinvolge un rimodellamento del processo alveolare.

Il tasso stimato di usura M1 di 8,5 μm/giorno nelle pecore Soay rientra nella gamma dei tassi di usura molare riportati per diversi pascolatori (5,6-10,0 μm/giorno). La crescita simultanea della corona e l’usura dei denti influenzano i valori registrati dell’HWR che erano più alti nelle pecore che non avevano ancora finito la formazione della corona. Dal momento che l’HWR del M3 è comunemente usato come HI nei confronti dei taxon, si deve considerare che i valori di HI per i denti con il verificarsi simultaneo della formazione della corona e l’usura funzionale non sono direttamente comparabili con i valori per i denti che finiscono la formazione della corona prima di raggiungere il contatto occlusale . L’HI di 4,6 registrato da noi per le pecore Soay è leggermente inferiore alla soglia che definisce una condizione altamente ipsodonte (> 4,75; sensu Janis ) ma leggermente superiore ai valori dati per Ovis dalli (4,08) e Ovis canadensis (4,11) . Tuttavia, assumendo che una certa quantità di riduzione della corona (~ 5-10% dell’altezza totale della corona) avesse già avuto luogo nella M3 della pecora Soay non etichettata con un’età approssimativa di 900 giorni, un’altezza dei denti di circa 39 mm può essere ricostruita per la M3 non usurata. Dividendo questa altezza della corona per la larghezza misurata del dente di questo individuo (7,84 mm) si ottiene un HI di 4,97, caratterizzando così le pecore Soay come altamente ipsodonte.

Il valore adattativo del tempo prolungato di formazione della corona nei molari delle pecore Soay sta nel prolungamento del loro periodo funzionale. Un primo tentativo di quantificare la relazione tra l’altezza relativa dei denti e il periodo funzionale dei molari di diversi mammiferi erbivori fu intrapreso da Kovalevky nel 1874. Egli coniò il termine “Zahnkapital” (capitale del dente) per descrivere la quantità di corona del dente disponibile per l’usura, e mise in relazione questo parametro con la longevità delle rispettive specie.

In uno studio sulle fasi di usura dei molari mandibolari di pecore di età nota, Moran e O’Connor hanno dimostrato un modello distinto nella progressione di usura registrata con i codici di riferimento di Payne (PRC). Uno strato di smalto esterno continuo come parte del rilievo della superficie occlusale è raggiunto al PRC 9A nel primo e secondo molare e al PRC 11G nel terzo molare. In queste fasi, entrambi i lobi del primo e del secondo molare e i lobi anteriori e centrali del terzo molare possiedono ancora infundiboli. Dopo aver raggiunto questo stadio di usura (PRC 9A in M1 all’età di 12 mesi e in M2 all’età di 26 mesi, PRC 11G in M3 all’età di 32-42 mesi), non si verificano ulteriori cambiamenti nella morfologia occlusale per un periodo considerevole. Questo si riflette nel fatto che individui di età molto diverse sono inclusi in questi stadi di usura che sono stati quindi definiti “stadi persistenti” da Moran e O’Connor . Naturalmente questa “persistenza” è solo apparente, poiché l’altezza della corona si riduce progressivamente con l’età. Il passaggio allo stadio di usura successivo avviene quando l’infundibolo sul lobo anteriore inizia ad essere perso (PRC 12 A in M1/2 e PRC 14G in M3). Dopo che l’usura del dente è progredita sotto il livello del pavimento infundibolare, la presenza di smalto è limitata alla circonferenza della corona del dente.

I modelli di usura del dente simili a quelli riportati da Moran e O’Connor sono stati registrati anche per le pecore Soay di età nota. L’età delle pecore Soay che mostravano lo stadio di usura 9A nella M1 variava tra 12 e 60 mesi, e tra 36 e 108 mesi in quelle che mostravano questo stadio di usura nella M2. Per gli individui che mostrano lo stadio di usura 11G nella M3, è stato stabilito un intervallo di età di 60-132 mesi. In uno studio su pecore viventi di età nota (fino a 7 anni) di diverse razze, Jones ha riportato un intervallo di età da 10 a 84 mesi per la persistenza dello stadio di usura 9A nella M1. Il raggiungimento più precoce di questo stadio nella M2 è stato registrato a 20 mesi e a 42 mesi nella M3 (stadio di usura 11G).

Behr ha studiato l’usura dei denti in pecore Karakul vive e di età conosciuta (da 3 a 13 anni) usando una tecnica di replica dentale. La sua descrizione dettagliata delle fasi di usura permette l’assegnazione di PRC ai denti. La perdita dell’infundibolo nel lobo anteriore (PRC 12A) si è verificata prima a 60 mesi nella M1, a 84 mesi nella M2, e a 108 mesi nella M3 (PRC 14G). Una perdita più precoce degli infundiboli è riportata da Milhaud e Nezit per i lobi anteriori di M1 (36 mesi) e M2 (72 mesi) nelle pecore Pre d’Alp du Sud. Secondo Behr, la perdita completa della corona nelle pecore Karakul, cioè l’esposizione del tessuto radicolare alla superficie occlusale è stata registrata per la prima volta all’età di 8 anni in M1 e a 10 anni in M2. Negli esemplari più vecchi del suo studio (13 anni), questo stadio non era stato raggiunto nella M3.

In base ai risultati di cui sopra, si possono dedurre periodi caratterizzati da diverse morfologie occlusali per i molari di pecora. Una morfologia occlusale massimamente funzionale con presenza di creste di smalto sui fianchi della corona buccale e linguale e intorno all’infundibolo è presente sul lobo anteriore di M1 per un periodo da 24 a 48 mesi, in M2 da 36 a 54 mesi, e in M3 da 54 a 60 mesi. La persistenza più lunga dell’infundibolo nella M3 rispetto a M1 e M2 è probabilmente legata alla maggiore altezza della corona della prima. Inoltre, un’usura meno intensa del M3 rispetto a M1 e M2 può essere coinvolta, causata da un volume di smalto relativo più elevato nel terzo rispetto al primo e al secondo molare che è stato registrato da Winkler e Kaiser per diversi mammiferi erbivori.

Nelle pecore Soay, la morfologia della corona occlusale presente dopo che il piano di usura è progredito sotto il livello del pavimento infundibolare persiste per almeno circa 4 anni nel M1, 5 anni nel M2 e 6 anni nel M3. La presenza di una porzione estesa della base della corona nei molari ovini si traduce quindi in un periodo funzionale marcatamente prolungato in tutti i molari e, di conseguenza, una durata massima di vita estesa dell’individuo. A questo proposito, è importante rendersi conto che la formazione dello smalto nella zona infundibolare è limitata al periodo pre-eruttivo della crescita della corona perché l’organo dello smalto nella zona infundibolare viene perso nel processo di eruzione del dente. Al contrario, la formazione dello smalto alla base della corona può continuare anche durante il periodo post-eruttivo.

Aumentare l’altezza del dente e quindi la quantità di tessuti dentali, specialmente lo smalto, è uno dei vari mezzi possibili per aumentare la durata funzionale di un dente sotto un regime alimentare abrasivo. Altri mezzi possibili sono una maggiore durezza dello smalto e una maggiore complessità delle creste occlusali dello smalto. Per quanto riguarda i tratti dentali, la mancanza di rimodellamento nello smalto e nella dentina limita le modifiche evolutive della morfologia dei denti al periodo dell’odontogenesi. L’investimento di risorse aggiuntive nella crescita dei denti, con il conseguente prolungamento della funzione dentale, si verifica quindi in anticipo o in parziale sovrapposizione con il periodo funzionale dei denti. All’interno delle specie, i tassi di usura dentale hanno dimostrato di essere correlati alla composizione della dieta, ai fattori ambientali e alla durezza dello smalto. Queste differenze influenzano anche la longevità, come è stato dimostrato per il cervo Sika (Cervus nippon, ) e per i cervi rossi (Cervus elaphus) e wapiti (Cervus canadensis) che presentano fluorosi dentale. Una maggiore longevità nelle popolazioni con una maggiore altezza media dei molari è stata osservata nel capriolo (Capreolus capreolus).

Per il Myotragus balearicus, il confronto dei modelli di meso e macrorugosità con quelli degli artiodattili continentali esistenti ha suggerito una dieta dominata dal browse e un tasso moderato di usura dentale. Questo risultato è stato interpretato come indicazione che l’abrasività del cibo non era l’unica forza trainante per l’aumento dell’altezza della corona, ma che il periodo eccezionalmente lungo di formazione dei denti in questa specie costituisce un adattamento specifico alle condizioni di vita insulare. Le limitazioni delle risorse, la bassa pressione di predazione e l’adozione di nuove nicchie alimentari sono discusse come correlate ad un generale rallentamento dei processi di sviluppo in Myotragus. Non ci sono prove di una maggiore longevità nelle pecore Soay rispetto ad altre razze ovine (continentali). Inoltre, il modello di crescita della corona qui documentato per le pecore Soay non differisce marcatamente da quello delle pecore continentali o di altri caprini (capra domestica, muflone, camoscio, Witzel et al., osservazione non pubblicata).