PMC

Diskussion

Återkommande fluorokrommärkning av individer med tänder som håller på att bildas gör det möjligt att göra en detaljerad analys av tandtillväxtprocesser baserat på ett begränsat antal exemplar. Med hjälp av detta tillvägagångssätt rekonstruerade vi molarkronbildningen hos Soay-får på grundval av 147 utvecklingsstadier från ett urval av 27 märkta kindtänder från 11 individer. Detta gjorde det möjligt för oss att bedöma de formativa perioderna för olika delar av kindtandskronorna. Medan vissa etiketter exakt (inom ett intervall på några dagar) markerade uppnåendet av ett karakteristiskt utvecklingsstadium, möjliggjorde etikettmönstret för andra stadier inte en sådan exakt bestämning. I dessa fall var vi tvungna att rekonstruera uppnåendet av ett visst utvecklingsstadium genom interpolation. Trots dessa begränsningar är analysen av fluorokrommärkta tänder från individer med känd ålder en värdefull metod för att rekonstruera tandutvecklingen. Detta tillvägagångssätt kan ses som en retrospektiv longitudinell tillväxtstudie. Studier med liknande utformning har tidigare genomförts för att karaktärisera kronans tillväxttakt och inkrementella mönster i emalj och dentin hos olika däggdjursarter .

En viktig slutsats av vår studie är att molärkronbildningen hos Soay-fåren fortsätter under lång tid efter bildandet av det infundibulära golvet och även efter det att det ocklusala slitaget har börjat. Molarkronans bildning omfattar en period från den sena fosterutvecklingen (början av mineraliseringen i M1) till mer än 900 dagar efter födseln (färdigställande av kronan i M3). Ocklusalt slitage uppstod först i molarer där det infundibulära golvet hade färdigställts och en liten mängd (3-5 mm) av kronbasen redan hade bildats. Därför kan färdigställandet av infundibulumgolvet i mandibulära kindtänder ses som en approximation för början av tandutbrottet (gingivauppkomst) hos får.

Med de metoder som användes i den här studien var det inte möjligt att exakt fastställa den prenatala början av emaljbildningen i den studerade M1. Baserat på mineralappositionshastigheter i dentin har vi dock tidigare rekonstruerat början av den prenatala hårdvävnadsbildningen i dessa tänder som inträffade mellan 20 och 40 dagar före födseln . Detta stämmer ganska väl överens med den period på 49 dagar för prenatal kronbildning i M1 som registrerats för ett får (Dorset-rasen) på grundval av antalet lameller i prenatal emalj och en beräkning av EER . I en studie av fosterfår rapporterades att M1-tandkärnans klockstadium uppnåddes vid dag 53 i dräktigheten . Hårdvävnadsbildningen hade ännu inte börjat hos det äldsta fostret (56 dagars gestationsålder) i den studien. Med tanke på att dräktigheten hos får är ungefär 150 dagar tyder detta på en period på minst 50 dagar mellan det att klockstadiet är uppnått och kronmineraliseringen i M1 börjar. Baserat på våra data förflyter mellan 80 och 100 dagar mellan början av kronmineraliseringen och färdigställandet av infundibulumgolvet i M1.

I den främre loben av Soay-fårets M1 följs färdigställandet av infundibulumgolvet av en ytterligare tillväxtperiod på ca 220 dagar. Hos M2, där kronmineraliseringen börjar vid cirka tre månaders postnatal ålder, förflyter cirka 210 dagar mellan början av kronmineraliseringen och färdigställandet av infundibulumgolvet och ytterligare 260 dagar tills övergången mellan krona och rot sker buccalt i den främre loben. I den främre loben hos M3 går det ungefär 210 dagar mellan början av kronmineraliseringen (vid 12-13 månaders ålder) och färdigställandet av det infundibulära golvet, vilket följs av ytterligare 300 dagar av kronans förlängning innan övergången mellan krona och rot sker. I de bakre loberna av M1 och M2 och de centrala och bakre loberna av M3 börjar kronmineraliseringen något senare och kronbildningen varar något längre än i de främre loberna.

Det dominerande tidsmässiga förhållandet mellan kronans färdigställande och början av slitage hos artiodactylmolarer, som schematiskt illustreras av Hillson för släktena Cervus (mesodont tillstånd) och Bos (hypsodont tillstånd), är att kronbildningen redan är avslutad och rotbildningen är på god väg när tänderna börjar slitas. Den långsträckta kronbasdelen hos fårmolarerna är den största skillnaden mot situationen hos Cervus och Bos, där botten av infundibulum ligger nära CRB:s mest apikala punkt (Witzel et al., opublicerad observation). Tillväxtmönstret för fårmolarer skiljer sig från många andra artiodactylarter genom att kronans förlängning fortsätter en avsevärd tid efter det att tänderna har nått ocklusal kontakt, ett tillstånd som kallas incipient hypselodonty . Förutom hos får ( och denna studie) förekommer detta mönster även hos pronghorn , Myotragus balearicus, en fossil ö-bockart (X. Jordana, personlig kommunikation 2015), och hos extinkta och utdöda hästdjurarter .

Den förlängda perioden av krontillväxt i hypsodontala tänder kräver en högre investering jämfört med bildandet av brachydontala tänder. Den extra investeringen beror delvis på ett ökat antal ameloblaster och en förlängd funktionsperiod för emaljorganet. Dessutom måste ett högre antal odontoblaster rekryteras och mer dentin måste bildas.

En ökning av kronans höjd kräver en förlängd persistens av en epitelavledd stamcellsnisch vid tandkärnans cervikala slinga . Det har visats att inga nya signalmolekyler eller signalvägar behöver utvecklas för att ändra formen på en tandkrona eller de relativa proportionerna av tanddelar. Förändringar i tandens storlek och form uppnås snarare genom att man varierar de tidsmässiga uttrycksmönstren för gener som kodar för befintliga signalmolekyler (BMP2 och 4, SHH, IGF, FGF10, Follistatin och Activin) . I ständigt växande (hypselodont) tänder är den epiteliala stamcellsnischens fortbestånd likaså kopplat till verkan av olika signalmolekyler (BMP4, FGF3, 9 och 10, Activin och NOTCH) . Man kan anta att samma eller liknande molekyler är inblandade i förlängningen av kronans tillväxtperiod hos fårmolarer.

Dovhjorten (Dama dama) är en hjortdjurssort med en kroppsvikt (honor 35-50 kg, hanar 50-80 kg) som ligger i samma storleksordning som oförädlade raser av tamfår . Kroppsvikten hos Soay-får ligger något under detta intervall. Bildningstiden för de mesodontala kindtänderna hos dovhjort är bara ungefär hälften så lång som för de hypsodontala kindtänderna hos Soay-får (CFT M1: Dama ca 150 dagar – Soay ca 300 dagar; CFT M2: Dama ca 220 dagar – Soay ca 470 dagar; CFT M3: Dama ca 150 dagar – Soay ca 300 dagar; Dama ca 220 dagar – Soay ca 470 dagar: Dama ca 260 dagar – Soay ca 500 dagar) . De uppgifter som rapporterats för Dama-tändernas utveckling gör det inte möjligt att skilja mellan bildningstiderna för de olika krondelarna i M1. För M2 och M3 kan man dock visa att bildningstiden för den krondel som är placerad cuspalt mot botten av infundibulum skiljer sig mycket mindre mellan dovhjort och Soay-får (M2: Dama ca 130 dagar – Soay ca 200 dagar; M3: Dama ca 180 dagar – Soay ca 210 dagar) än bildningstiden för kronbasdelen (M2: Dama ca 180 dagar – Soay ca 210 dagar) än bildningstiden för kronbasdelen (M2: Dama ca 180 dagar – Soay ca 210 dagar): Dama ca 90 dagar – Soay ca 260 dagar; M3: Dama ca 80 dagar – Soay ca 300 dagar).

De bildningsperioder för de främre loberna på Soay-fårens mandibulära kindtänder som fastställts i vår studie är flera månader längre än de totala kronbildningstider som rapporterats för moderna fårraser på grundval av radiografiska och/eller makroskopiska undersökningar . Dessa studier rapporterade också en tidigare mineralisering i M2 (vid en månads ålder) och M3 (vid 9 till < 12 månaders ålder) jämfört med vår studie av Soay-får. En orsak till denna diskrepans kan vara att i dessa studier var de yngsta analyserade fåren redan 3 till 6 , 5 eller 6 månader gamla, så att man var tvungen att extrapolera början av mineraliseringen av M2. I en nyligen genomförd studie på Dorsetfår registrerades början av M2-mineralisering först hos djur som var 88 dagar gamla . Detta värde stämmer väl överens med våra resultat för början av M2-mineralisering hos Soay-får (vid cirka 90 dagar). På samma sätt är de ungefärliga bildningsperioderna för de främre kronloberna hos Soay-fårens mandibulära kindtänder (300 dagar för M1, 460 dagar för M2 och 500 dagar för M3) endast något högre än de maximala värden som anges för kronbildningen av dessa tänder hos Shetlandsfår .

Differenserna i de rapporterade CFT:erna mellan olika studier kan tillskrivas två huvudorsaker. För det första är röntgenundersökning mindre väl lämpad för att avgöra om kronbildningen är avslutad än histologisk analys av märkta tänder eller makroskopisk inspektion av extraherade tänder, vilket tidigare har rapporterats för människotänder . För det andra tar det längre tid att bilda molarkronor hos oförädlade raser från norra Europa än hos mer förädlade fårraser som växer i snabbare takt . Dessutom understryker den markanta variationen i CRB:s läge mellan olika områden av tandkronan de varnande anmärkningarna från Upex och Dobney om bristen på klarhet i många studier när det gäller de kriterier som används för att definiera utvecklingsstadiet ”krona färdig”. Det är uppenbart att kronbildningen är fullständig först när emaljutvidgningen har upphört på alla tandflanker.

Den registrerade markanta minskningen av EER från cuspal till cervikal indikerar en progressiv nedgång i rekryteringen av ameloblaster till sekretoriska fronten. Våra resultat bekräftar tidigare fynd hos får , andra nötkreatur och hästdjur . Eftersom tandslitage hos får sker samtidigt som den cervikala krondelen bildas, bidrar den markanta minskningen av EER under senare stadier av kronbildningen till ett balanserat förhållande mellan eruption och slitage, vilket beskrevs som ett karakteristiskt drag hos tänder som fortsätter att växa efter att ha nått ocklusal kontakt . Med tanke på diskrepansen mellan den rekonstruerade slitagehastigheten på cirka 8,5 μm/dag i M1 och den registrerade EER på cirka 40 μm/dag i den cervikala delen av kindtandskronan måste dock ytterligare processer vara inblandade för att uppnå ett balanserat förhållande mellan eruption och slitage. Det har föreslagits att under den s.k. penetrerande fasen av tandutbrottet blir tänderna djupare inskjutna i käken på grund av en process som innefattar en ombyggnad av alveolärprocessen.

Den uppskattade slitaget av M1 på 8,5 μm/dag hos Soay-fåren faller inom intervallet för slitaget av kindtänder som rapporterats för olika betesdjur (5,6-10,0 μm/dag). Samtidig krontillväxt och tandslitage påverkar de registrerade värdena för HWR som var högst hos får som ännu inte hade avslutat kronbildningen. Eftersom HWR för M3 vanligen används som HI i taxonjämförelser måste man beakta att HI-värden för tänder med samtidig förekomst av kronbildning och funktionellt slitage inte är direkt jämförbara med värden för tänder som avslutar kronbildningen innan de når ocklusal kontakt . Det HI-värde på 4,6 som vi har registrerat för Soay-får är något lägre än det tröskelvärde som definierar ett mycket hypsodont tillstånd (> 4,75; sensu Janis ) men något högre än de värden som anges för Ovis dalli (4,08) och Ovis canadensis (4,11) . Om man emellertid antar att en viss kronreducering (~ 5-10 % av den totala kronhöjden) redan hade ägt rum i M3 hos det omärkta Soay-fåret med en ungefärlig ålder på 900 dagar, kan en tandhöjd på cirka 39 mm rekonstrueras för den oslitna M3. Genom att dividera denna kronhöjd med den uppmätta tandbredden hos denna individ (7,84 mm) erhålls en HI på 4,97, vilket karaktäriserar Soay-fåret som mycket hypsodont.

Det adaptiva värdet av den förlängda kronbildningstiden hos Soay-fårens kindtänder ligger i förlängningen av deras funktionella period. Ett första försök att kvantifiera förhållandet mellan den relativa tandhöjden och den funktionella perioden hos kindtänderna hos olika däggdjurs herbivorer gjordes av Kovalevky 1874 . Han myntade termen ”Zahnkapital” (tandkapital) för att beskriva den mängd tandkrona som är tillgänglig för slitage, och relaterade denna parameter till respektive arts livslängd.

I en studie om slitagestadierna hos mandibulära kindtänder hos får med känd ålder visade Moran och O’Connor på ett distinkt mönster i slitageutvecklingen, som registrerades med Pynes referenskoder (PRC) . Ett kontinuerligt yttre emaljskikt som en del av den ocklusala ytans relief uppnås vid PRC 9A i första och andra kindtanden och vid PRC 11G i tredje kindtanden . I dessa stadier har båda loberna i den första och andra kindtanden och de främre och centrala loberna i den tredje kindtanden fortfarande infundibula. Efter att detta slitstadium har uppnåtts (PRC 9A i M1 vid 12 månaders ålder och i M2 vid 26 månaders ålder, PRC 11G i M3 vid 32-42 månaders ålder) sker inga ytterligare förändringar i den ocklusala morfologin under en avsevärd tidsperiod. Detta återspeglas av det faktum att individer i mycket olika åldrar ingår i dessa slitstadier som därför kallades ”persisting stages” av Moran och O’Connor . Denna ”persistens” är naturligtvis bara skenbar, eftersom kronhöjden successivt minskar med åldern. Övergången till nästa förslitningsstadium sker när infundibulum på den främre loben börjar försvinna (PRC 12 A i M1/2 och PRC 14G i M3). När tandslitaget har gått under nivån för det infundibulära golvet är förekomsten av emalj begränsad till tandkronans omkrets.

Tandslitningsmönster som liknar dem som rapporterades av Moran och O’Connor registrerades också för Soay-får med känd ålder . Åldern på Soayfår som uppvisade slitageskede 9A i M1 varierade mellan 12 och 60 månader, och mellan 36 och 108 månader hos dem som uppvisade detta slitageskede i M2. För individer som uppvisar slitageskede 11G i M3 fastställdes ett åldersintervall på 60-132 månader. I en studie av levande får med känd ålder (upp till 7 år) av olika raser rapporterade Jones ett åldersintervall på 10-84 månader för kvarvarande slitageskede 9A i M1. Detta stadium uppnåddes tidigast vid 20 månader hos M2 och vid 42 månader hos M3 (slitstadium 11G).

Behr studerade tandslitage hos levande Karakulfår med känd ålder (åldersintervall 3 till 13 år) med hjälp av en tandreplikteknik. Hans detaljerade beskrivning av slitningsstadier gör det möjligt att tilldela tänderna PRCs. Förlusten av infundibulum i den främre loben (PRC 12A) inträffade först vid 60 månader i M1, vid 84 månader i M2 och vid 108 månader i M3 (PRC 14G). Milhaud och Nezit rapporterar en tidigare förlust av infundibulum i de främre loberna i M1 (36 månader) och M2 (72 månader) hos får från Pre d’Alp du Sud. Enligt Behr registrerades fullständig förlust av kronan hos Karakulfår, dvs. exponering av rotvävnad vid den ocklusala ytan, för första gången vid en ålder av 8 år hos M1 och vid 10 år hos M2. Hos de äldsta exemplaren i hans studie (13 år) hade detta stadium inte uppnåtts hos M3.

Baserat på ovanstående resultat kan man dra slutsatser om perioder som kännetecknas av olika bettmorfologier för fårmolarer. En maximalt funktionell ocklusal morfologi med förekomst av emaljkammar vid de buccala och linguala kronflankerna och runt infundibulum finns på den främre loben av M1 under en period på 24-48 månader, i M2 under 36-54 månader och i M3 under 54-60 månader. Att infundibulum är längre kvar i M3 jämfört med M1 och M2 har troligen att göra med den större kronhöjden hos den förstnämnda. Dessutom kan ett mindre intensivt slitage av M3 jämfört med M1 och M2 vara inblandat, vilket orsakas av en högre relativ emaljvolym i den tredje jämfört med den första och andra kindtanden som Winkler och Kaiser noterade för olika växtätare av däggdjur.

I Soay-får består den ocklusala kronmorfologi som finns efter det att slitageplanet har avancerat under nivån för infundibulumgolvet i minst cirka 4 år i M1, 5 år i M2 och 6 år i M3. Förekomsten av en förlängd kronbasdel i fårmolarer resulterar således i en markant förlängd funktionsperiod för alla kindtänder och följaktligen en förlängd maximal livslängd för individen. I detta avseende är det viktigt att inse att emaljbildningen i det infundibulära området är begränsad till den preeruptiva perioden för kronans tillväxt eftersom emaljorganet i det infundibulära området går förlorat under tandens eruptionsprocess. Däremot kan emaljbildningen vid kronbasen fortsätta även under den post-eruptiva perioden.

En ökning av tandhöjden och därmed mängden tandvävnad, särskilt emalj, är ett av flera möjliga sätt att öka den funktionella livslängden för en tand under en abrasiv livsmedelsregim . Andra möjliga medel är ökad hårdhet av emaljen och ökad komplexitet hos de ocklusala emaljkammarna . När det gäller dentala egenskaper begränsar avsaknaden av remodellering i emalj och dentin de evolutionära förändringarna av tandmorfologin till odontogenesperioden . Investeringen av ytterligare resurser i tandtillväxten, som resulterar i en förlängning av tandfunktionen, sker alltså i förväg eller överlappar delvis med tändernas funktionsperiod. Inom olika arter har tandslitaget visat sig vara korrelerat med dietens sammansättning, miljöfaktorer och emaljens hårdhet. Dessa skillnader påverkar också livslängden, vilket har visats för sikahjortar (Cervus nippon, ) och för kronhjortar (Cervus elaphus) och wapiti (Cervus canadensis) som uppvisar tandfluoros . Ökad livslängd i populationer med större genomsnittlig molarhöjd har observerats hos rådjur (Capreolus capreolus) .

För Myotragus balearicus tyder en jämförelse av meso- och makroslitage-mönstren med de mönster som finns hos artiodactyler på fastlandet på att de har en diet som domineras av broddar och att de har en måttlig tandförslitningshastighet . Detta resultat tolkades som ett tecken på att födans slipförmåga inte var den enda drivkraften bakom ökningen av kronans höjd, utan att den exceptionellt långa tandbildningsperioden hos denna art utgör en specifik anpassning till förhållandena på öar . Resursbegränsningar, lågt predationstryck och antagandet av nya födosöksnischer diskuteras som relaterade till en allmän avmattning av utvecklingsprocesserna hos Myotragus. Det finns inga belägg för en ökad livslängd hos Soay-får jämfört med andra fårraser (på fastlandet). Dessutom skiljer sig inte heller det tillväxtmönster för kronan som dokumenterats här för Soay-får markant från det för fastlandsfår eller andra lodjur (tamget, mufflon, gems, Witzel et al., opublicerad observation).