PMC

Discussion

Herhaalde fluorochrome labeling van individuen met vormende tanden maakt een gedetailleerde analyse van tandgroeiprocessen mogelijk op basis van een beperkt aantal specimens. Met deze aanpak reconstrueerden wij de vorming van de tandkroon bij Soay-schapen op basis van 147 ontwikkelingsstadia uit een steekproef van 27 gelabelde kiezen van 11 individuen. Dit stelde ons in staat de vormingsperioden van verschillende delen van de molaire kronen te beoordelen. Terwijl sommige etiketten nauwkeurig (binnen een bereik van enkele dagen) het bereiken van een karakteristiek ontwikkelingsstadium aangaven, liet het etiketteringspatroon voor andere stadia een dergelijke nauwkeurige bepaling niet toe. In deze gevallen moesten we het bereiken van een bepaald ontwikkelingsstadium reconstrueren door interpolatie. Ondanks deze beperkingen is de analyse van met fluorochroom gelabelde tanden van individuen van bekende leeftijd een waardevolle benadering voor de reconstructie van de ontwikkeling van het gebit. Deze benadering kan worden gezien als een retrospectieve longitudinale groeistudie. Studies met een soortgelijke opzet werden eerder uitgevoerd om de groeisnelheid van de kronen en incrementele patronen in glazuur en dentine van verschillende zoogdiersoorten te karakteriseren.

Een belangrijke bevinding van onze studie is dat de vorming van molaire kronen bij Soay-schapen nog lange tijd doorgaat na de vorming van de infundibulaire vloer en ook na het begin van occlusale slijtage. De vorming van de molaarkroon bestrijkt een periode van de late foetale ontwikkeling (begin van mineralisatie in de M1) tot meer dan 900 dagen na de geboorte (voltooiing van de kroon in de M3). Occlusale slijtage trad het eerst op bij molaren waarbij de infundibulaire bodem was voltooid en een kleine hoeveelheid (3-5 mm) van de kroonbasis reeds was gevormd. Daarom kan de voltooiing van de bodem van het infundibulum in mandibulaire molaren worden gezien als een proxy voor het begin van tanderuptie (gingivale opkomst) bij schapen.

Met de methoden die in deze studie werden gebruikt, was het niet mogelijk om het prenatale begin van glazuurvorming in de bestudeerde M1 exact te bepalen. Echter, op basis van minerale appositie tarieven in dentine hebben we eerder gereconstrueerd het begin van de prenatale vorming van hard weefsel in deze tanden als tussen 20 en 40 dagen voor de geboorte. Dit komt vrij goed overeen met de periode van 49 dagen voor prenatale kroonvorming in de M1 die voor een schaap (Dorset-ras) werd vastgesteld op basis van lamineringsaantallen in prenataal glazuur en een berekening van de EER . Een studie bij foetale schapen meldde het bereiken van het belstadium van de M1-tandkiem op dag 53 van de dracht. De vorming van hard weefsel was nog niet begonnen bij de oudste foetus (56 dagen zwangerschapsduur) van die studie. Gezien de draagtijd van ongeveer 150 dagen bij schapen, suggereert dit een periode van ten minste 50 dagen tussen het bereiken van het klokstadium en het begin van de kroonmineralisatie in de M1. Op basis van onze gegevens verstrijken tussen het begin van de kroonmineralisatie en de voltooiing van de bodem van het infundibulum in de M1 tussen 80 en 100 dagen.

In de voorkwab van de M1 van het Soayschaap wordt de voltooiing van de bodem van het infundibulum gevolgd door een verdere groeiperiode van ongeveer 220 dagen. Bij het M2, waarbij de kroonmineralisatie ongeveer drie maanden postnataal begint, verstrijken ongeveer 210 dagen tussen het begin van de kroonmineralisatie en de voltooiing van de bodem van het infundibulum en nog eens 260 dagen tot de kroon-wortel-overgang buccaal in de voorkwab optreedt. In de voorkwab van de M3 verstrijken ongeveer 210 dagen tussen het begin van de kroongineralisatie (op de leeftijd van 12 tot 13 maanden) en de voltooiing van de infundibulaire bodem, gevolgd door nog eens 300 dagen van kroonverlenging vóór de kroon-wortelovergang. In de achterste lobben van M1 en M2 en de centrale en achterste lobben van M3 begint de kroonmineralisatie iets later en duurt de kroonvorming iets langer dan in de voorste lobben.

De overheersende temporele relatie tussen de voltooiing van de kroon en het begin van de slijtage bij artiodactyle kiezen, zoals schematisch geïllustreerd door Hillson voor de geslachten Cervus (mesodont toestand) en Bos (hypsodont toestand), is dat de kroonvorming al voltooid is en de wortelvorming al ver gevorderd is wanneer de tanden in slijtage komen. Het langgerekte kroonbasisgedeelte van schapenkiezen is het belangrijkste verschil met de situatie bij Cervus en Bos, waar de bodem van het infundibulum dicht bij het apicaalste punt van de CRB ligt (Witzel et al., ongepubliceerde waarneming). Het groeipatroon van schapenkiezen verschilt van dat van veel andere artiodactylsoorten in die zin dat de kroonverlenging nog geruime tijd doorgaat nadat de tanden occlusaal contact hebben bereikt, een conditie die incipient hypselodontie wordt genoemd. Naast schapen ( en deze studie) komt dit patroon ook voor bij pronghorns , Myotragus balearicus, een fossiele insulaire geitensoort (X. Jordana, persoonlijke communicatie 2015), en bij uitgestorven en uitgestorven paardachtigen .

De verlengde periode van kroongroei bij hypsodont tanden vereist een hogere investering in vergelijking met de vorming van brachydont tanden. De extra investering is deels te wijten aan een verhoogd aantal ameloblasten en een verlengde functionele periode van het glazuurorgaan. Ook moeten grotere aantallen odontoblasten worden gerekruteerd en moet meer dentine worden gevormd.

Een toename van de kroonhoogte vereist de langdurige persistentie van een epitheel-afgeleide stamcel niche aan de cervicale lus van de tandkiem. Er is aangetoond dat er geen nieuwe signaalmoleculen of signaalwegen hoeven te ontstaan om de vorm van een tandkroon of de relatieve verhoudingen tussen de tanddelen te veranderen. Integendeel, veranderingen in tandgrootte en -vorm worden bereikt door het variëren van de temporele expressiepatronen van genen die coderen voor bestaande signaalmoleculen (BMP2 en 4, SHH, IGF, FGF10, Follistatine en Activine). In steeds groeiende (hypselodont) tanden is de persistentie van de epitheliale stamcel niche eveneens gekoppeld aan de werking van verschillende signaalmoleculen (BMP4, FGF3, 9, en 10, Activine en NOTCH) . Er kan van worden uitgegaan dat dezelfde of soortgelijke moleculen betrokken zijn bij de verlenging van de groeiperiode van de kroon van schapenkiezen.

Het damhert (Dama dama) is een hertachtige soort met een lichaamsgewicht (vrouwtjes 35-50 kg, mannetjes 50-80 kg ) in het bereik van niet-verbeterde rassen van gedomesticeerde schapen . Het lichaamsgewicht van Soay-schapen ligt iets onder dat bereik . De vormingstijd van de mesodontmolaren van het damhert is slechts ongeveer de helft van die van de hypsodontmolaren van het Soayschaap (CFT M1: Dama ca. 150 dagen – Soay ca. 300 dagen; CFT M2: Dama ca. 220 dagen – Soay ca. 470 dagen; CFT M3: Dama ca. 260 dagen – Soay ca. 500 dagen) . Aan de hand van de gegevens die voor de ontwikkeling van de Dama-tanden zijn verstrekt, kan geen onderscheid worden gemaakt tussen de vormingstijd van de verschillende kroongedeelten in de M1. Voor M2 en M3 kan echter worden aangetoond dat de vormingstijd van het kroondeel dat cuspal aan de bodem van het infundibulum ligt, veel minder verschilt tussen damherten en Soay-schapen (M2: Dama ca. 130 dagen – Soay ca. 200 dagen; M3: Dama ca. 180 dagen – Soay ca. 210 dagen) dan de vormingstijd van het kroonbasisdeel (M2: Dama ca. 90 dagen – Soay ca. 260 dagen; M3: Dama ca. 80 dagen – Soay ca. 300 dagen).

De in onze studie vastgestelde vormingsperioden voor de voorste lobben van de mandibulaire molaren van Soay-schapen zijn verscheidene maanden langer dan de totale kroonvormingsperioden die voor moderne schapenrassen op basis van radiografisch en/of macroscopisch onderzoek zijn gerapporteerd. Deze studies meldden ook een vroeger begin van mineralisatie in de M2 (op de leeftijd van één maand) en M3 (op 9 tot < 12 maanden) in vergelijking met onze studie bij Soay-schapen. Een reden voor dit verschil zou kunnen zijn dat in deze studies de jongste geanalyseerde schapen reeds 3 tot 6 , 5 of 6 maanden oud waren, zodat het begin van de M2 mineralisatie moest worden geëxtrapoleerd. In een recente studie bij Dorset schapen werd het begin van M2 mineralisatie voor het eerst vastgesteld bij dieren van 88 dagen oud. Deze waarde komt goed overeen met onze bevindingen voor het begin van M2 mineralisatie bij Soay-schapen (op ongeveer 90 dagen). Ook de geschatte vormingsperioden voor de voorste kroonlobben van de mandibulaire molaren van Soay-schapen (300 dagen voor M1, 460 dagen voor M2, en 500 dagen voor M3) zijn slechts iets hoger dan de maximumwaarden die voor de kroonvorming van deze tanden bij Shetland-schapen worden gegeven.

De verschillen in gerapporteerde CFT’s tussen de studies kunnen aan twee hoofdoorzaken worden toegeschreven. Ten eerste is radiografisch onderzoek minder geschikt om de voltooiing van de kroonvorming vast te stellen dan histologische analyse van gelabelde tanden of macroscopische inspectie van getrokken tanden, zoals eerder is gerapporteerd voor menselijke tanden . Ten tweede duurt de vorming van de molarenkroon bij niet-verbeterde schapenrassen uit Noord-Europa langer dan bij meer verbeterde schapenrassen die sneller groeien. Bovendien onderstreept de duidelijke variatie in de positie van de CRB tussen verschillende gebieden van de tandkroon de waarschuwende opmerkingen van Upex en Dobney over een gebrek aan duidelijkheid in veel studies met betrekking tot de criteria die worden gebruikt om het ontwikkelingsstadium “kroon compleet” te definiëren. Het is duidelijk dat de kroonvorming pas voltooid is wanneer de glazuuruitbreiding op alle tandflanken is opgehouden.

De geconstateerde duidelijke vermindering van de EER van cuspal tot cervicaal wijst op een progressieve afname van de rekrutering van ameloblasten in het secretorische front. Onze resultaten bevestigen eerdere bevindingen bij schapen, andere runderen en paardachtigen. Aangezien de slijtage van de tanden bij schapen gelijktijdig optreedt met de vorming van het cervicale kroongedeelte, draagt de duidelijke vermindering van de EER tijdens de latere stadia van kroonvorming bij tot een evenwichtige eruptie/slijtage relatie, die beschreven werd als een karakteristiek kenmerk van tanden die blijven doorgroeien na het bereiken van occlusaal contact. Gezien de discrepantie tussen de gereconstrueerde slijtagesnelheid van ongeveer 8,5 μm/dag in de M1 en de geregistreerde EER van ongeveer 40 μm/dag in het cervicale kwart van de molaarkroon, moeten echter nog andere processen betrokken zijn bij het bereiken van een evenwichtige relatie tussen eruptie en slijtage. Er is gesuggereerd dat tijdens de zogenaamde penetratieve fase van tanderosie de tanden dieper in de kaak komen te liggen als gevolg van een proces waarbij de processus alveolaris wordt geremodelleerd.

De geschatte M1-slijtage van 8,5 μm/dag bij Soay-schapen valt binnen het bereik van de molaarslijtage die voor verschillende grazers is gemeld (5,6-10,0 μm/dag). Gelijktijdige kroongroei en tandslijtage zijn van invloed op de geregistreerde waarden van de HWR die het hoogst waren bij schapen die nog niet klaar waren met kroonvorming. Aangezien de HWR van de M3 gewoonlijk als HI in taxonvergelijkingen wordt gebruikt, moet er rekening mee worden gehouden dat HI-waarden voor tanden waarbij tegelijkertijd kroonvorming en functionele slijtage optreden, niet direct vergelijkbaar zijn met waarden voor tanden waarbij de kroonvorming voltooid is voordat occlusaal contact wordt bereikt. De door ons voor Soay-schapen vastgestelde HI van 4,6 is iets lager dan de drempelwaarde die een zeer hypsodont toestand definieert (> 4,75; sensu Janis ) maar iets hoger dan de waarden die voor Ovis dalli (4,08) en Ovis canadensis (4,11) zijn gegeven. Ervan uitgaande echter dat in de M3 van het niet-gemerkte Soay-schaap met een leeftijd van ongeveer 900 dagen reeds een zekere kroonreductie (~ 5-10% van de totale kroonhoogte) had plaatsgevonden, kan voor de niet-gemerkte M3 een tandhoogte van ongeveer 39 mm worden gereconstrueerd. Delen van deze kroonhoogte door de gemeten tandbreedte van dit individu (7,84 mm) levert een HI van 4,97 op, waarmee Soay-schapen als sterk hypsodont gekarakteriseerd worden.

De adaptieve waarde van de verlengde kroonvormingstijd bij de molaren van Soay-schapen ligt in de verlenging van hun functionele periode. Een eerste poging om de relatie tussen de relatieve tandhoogte en de functionele periode van de kiezen van verschillende herbivore zoogdieren te kwantificeren werd ondernomen door Kovalevky in 1874. Hij bedacht de term “Zahnkapital” (tandkapitaal) om de hoeveelheid tandkroon te beschrijven die beschikbaar is voor slijtage, en bracht deze parameter in verband met de levensduur van de respectieve soorten.

In een studie naar de slijtagefasen van mandibulaire kiezen van schapen van bekende leeftijd, toonden Moran en O’Connor een duidelijk patroon aan in de progressie van slijtage die werd vastgelegd met de referentiecodes van Payne (PRC) . Een continue buitenste glazuurlaag als onderdeel van het occlusale oppervlakreliëf wordt bereikt bij PRC 9A in de eerste en tweede molaren en bij PRC 11G in de derde molaren . In deze stadia bezitten beide lobben van de eerste en tweede molaar en de anterieure en centrale lobben van de derde molaar nog infundibula. Nadat dit slijtagestadium is bereikt (PRC 9A bij M1 op een leeftijd van 12 maanden en bij M2 op een leeftijd van 26 maanden, PRC 11G bij M3 op een leeftijd van 32 tot 42 maanden), treden gedurende een aanzienlijke periode geen verdere veranderingen in de occlusale morfologie op. Dit wordt weerspiegeld door het feit dat individuen van zeer verschillende leeftijden zijn opgenomen in deze slijtage stadia die daarom werden aangeduid als “persisterende stadia” door Moran en O’Connor . Uiteraard is deze “persistentie” slechts schijn, aangezien de kroonhoogte geleidelijk afneemt met de leeftijd. De overgang naar het volgende slijtagestadium vindt plaats wanneer het infundibulum op de voorste lob verloren begint te gaan (PRC 12 A in M1/2 en PRC 14G in M3). Nadat de tanden tot onder het niveau van het infundibulum zijn afgesleten, blijft de aanwezigheid van glazuur beperkt tot de omtrek van de tandkroon.

Tandslijtagepatronen vergelijkbaar met die gerapporteerd door Moran en O’Connor werden ook geregistreerd voor Soay-schapen van bekende leeftijd. De leeftijd van Soay-schapen met slijtagestadium 9A in de M1 varieerde van 12 tot 60 maanden, en van 36 tot 108 maanden bij schapen met dit slijtagestadium in de M2. Voor individuen met slijtagestadium 11G in de M3 werd een leeftijdsspanne van 60-132 maanden vastgesteld. In een studie van levende schapen van bekende leeftijd (tot 7 jaar) van verschillende rassen, meldde Jones een leeftijdsbereik van 10 tot 84 maanden voor het aanhouden van slijtagestadium 9A in de M1. Het vroegste bereiken van dit stadium in de M2 werd geregistreerd op 20 maanden en op 42 maanden in de M3 (slijtagestadium 11G).

Behr bestudeerde tandslijtage bij levende, bekende Karakul schapen (leeftijd van 3 tot 13 jaar) met behulp van een gebitsreplica techniek. Zijn gedetailleerde beschrijving van de slijtagefasen maakt het mogelijk om PRC’s aan de tanden toe te wijzen. Verlies van het infundibulum in de voorste lob (PRC 12A) trad het eerst op na 60 maanden in de M1, na 84 maanden in de M2, en na 108 maanden in de M3 (PRC 14G). Een vroeger verlies van de infundibula wordt gemeld door Milhaud en Nezit voor de voorste lobben van M1 (36 maanden) en M2 (72 maanden) bij schapen van Pre d’Alp du Sud. Volgens Behr werd volledig verlies van de kroon bij Karakul-schapen, d.w.z. blootligging van het wortelweefsel aan het occlusale oppervlak, voor het eerst vastgesteld op een leeftijd van 8 jaar bij M1 en op 10 jaar bij M2. Bij de oudste exemplaren van zijn studie (13 jaar) was dit stadium bij de M3 nog niet bereikt.

Op basis van bovenstaande bevindingen kunnen perioden, gekenmerkt door verschillende occlusale morfologieën, worden afgeleid voor schapenkiezen. Een maximaal functionele occlusale morfologie met aanwezigheid van glazuurranden op de buccale en linguale kroonflanken en rond het infundibulum is aanwezig op de voorste lob van de M1 gedurende een periode van 24 tot 48 maanden, in de M2 gedurende 36 tot 54 maanden, en in de M3 gedurende 54 tot 60 maanden. De langere persistentie van het infundibulum in de M3 in vergelijking met M1 en M2 houdt waarschijnlijk verband met de grotere kroonhoogte van eerstgenoemde. Bovendien kan een minder intense slijtage van de M3 vergeleken met M1 en M2 een rol spelen, veroorzaakt door een hoger relatief glazuurvolume in de derde in vergelijking met de eerste en tweede molaren, dat door Winkler en Kaiser voor verschillende herbivore zoogdieren werd vastgesteld.

Bij Soay-schapen persisteert de occlusale kroonmorfologie die aanwezig is nadat het slijtvlak tot onder het niveau van de infundibulaire vloer is gevorderd, gedurende ten minste ongeveer 4 jaar in de M1, 5 jaar in de M2 en 6 jaar in de M3. De aanwezigheid van een verlengd kroonbasisgedeelte in schapenkiezen resulteert dus in een duidelijk verlengde functionele periode in alle kiezen en, bijgevolg, een verlengde maximale levensduur van het individu. In dit verband is het belangrijk te beseffen dat glazuurvorming in het infundibulaire gebied beperkt is tot de pre-eruptieve periode van kroongroei, omdat het glazuurorgaan in het infundibulaire gebied verloren gaat in het proces van tanderuptie. Daarentegen kan de glazuurvorming aan de kroonbasis ook tijdens de post-eruptieve periode doorgaan.

Het verhogen van de tandhoogte en daarmee de hoeveelheid tandweefsel, met name glazuur, is een van de vele mogelijke middelen om de functionele levensduur van een tand onder een abrasief voedselregime te verlengen. Andere mogelijke middelen zijn een verhoogde glazuurhardheid en een verhoogde complexiteit van de occlusale glazuurranden. Met betrekking tot tandheelkundige eigenschappen, beperkt het gebrek aan hermodellering in glazuur en dentine evolutionaire modificaties van de tandmorfologie tot de periode van odontogenese . De investering van extra middelen in tandgroei, resulterend in de verlenging van de tandfunctie, vindt dus plaats vóór of gedeeltelijk overlappend met de functionele periode van het gebit. Er is aangetoond dat de mate van gebitsslijtage binnen soorten gecorreleerd is met de samenstelling van het dieet, omgevingsfactoren en de hardheid van het glazuur. Deze verschillen beïnvloeden ook de levensduur, zoals is aangetoond bij het Sika hert (Cervus nippon, ) en bij het edelhert (Cervus elaphus) en de wapiti (Cervus canadensis) die gebitsfluorose vertonen. Bij reeën (Capreolus capreolus) is een langere levensduur waargenomen in populaties met een grotere gemiddelde kieshoogte.

Voor Myotragus balearicus suggereerde een vergelijking van de meso- en macro-slijtagepatronen met die van op het vasteland levende artiodactylen een door snoeihout gedomineerd dieet en een matige gebitsslijtage. Deze bevinding werd geïnterpreteerd als een aanwijzing dat de abrasiviteit van het voedsel niet de enige drijvende kracht was achter de toename van de kroonhoogte, maar dat de uitzonderlijk lange periode van tandvorming bij deze soort een specifieke aanpassing is aan de omstandigheden van het insulaire leven. Beperkte hulpbronnen, lage predatiedruk en de overname van nieuwe voedingsniches worden in verband gebracht met een algemene vertraging van de ontwikkelingsprocessen bij Myotragus. Er zijn geen aanwijzingen voor een langere levensduur van Soay-schapen in vergelijking met andere schapenrassen (op het vasteland). Bovendien verschilt het hier gedocumenteerde kroongroeipatroon bij het Soay-schaap niet duidelijk van dat van schapen van het vasteland of van andere caprines (tamme geit, moeflon, gems, Witzel et al., ongepubliceerde waarneming).