Dark果蠅復(fù)眼結(jié)構(gòu)及其影響因素的研究

鐘亞迪 曹楷翔 李小帥卜威振

摘要： 目的 探究黑暗環(huán)境和營養(yǎng)因素對Dark果蠅復(fù)眼結(jié)構(gòu)的影響。方法 分別以營養(yǎng)不豐富的Pearl氏培養(yǎng)基及營養(yǎng)豐富的玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)實驗組DD果蠅（黑暗環(huán)境）、DL果蠅（正常光照）和對照組LL果蠅（光照-黑暗環(huán)境），然后于電鏡下觀察各組果蠅復(fù)眼的超微結(jié)構(gòu)特點。結(jié)果 以Pearl氏培養(yǎng)基飼養(yǎng)的DD果蠅、DL果蠅和LL果蠅都出現(xiàn)視桿明顯退化；以玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)的DD果蠅和DL果蠅出現(xiàn)局部視桿退化，LL果蠅視桿結(jié)構(gòu)正常。結(jié)論 營養(yǎng)因素對果蠅復(fù)眼形態(tài)的影響比光照條件所產(chǎn)生的影響更大；在黑暗環(huán)境中經(jīng)歷許多代的果蠅，其復(fù)眼只受到稍微的影響。

關(guān)鍵詞：果蠅；復(fù)眼；視桿；退化；營養(yǎng)

【中圖分類號】Q964【文獻標識碼】 A【文章編號】1002-3763（2014）09-0115-02視覺感知過程通常被認為易受到異常光照條件的顯著影響。果蠅通過復(fù)眼中的視桿來感受光線，光感受器形成特定的細胞結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的神經(jīng)回路來有效地感覺光線和準確地辨別物體。Dark果蠅于1954年建立，在完全黑暗的環(huán)境中以Pearl氏培養(yǎng)基飼養(yǎng)[1]。在黑暗中飼養(yǎng)至第617代時，其復(fù)眼表現(xiàn)出異于尋常的結(jié)構(gòu)：視桿微絨毛比在光照-黑暗周期中飼養(yǎng)的對照組稠密，這些過度發(fā)育的微絨毛經(jīng)過3d的光照被完全破壞[2]。在第796代果蠅中也出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象[3]。先前研究也發(fā)現(xiàn)，以富含營養(yǎng)的培養(yǎng)基飼養(yǎng)時，Dark果蠅視桿結(jié)構(gòu)正常。相反以營養(yǎng)不足的培養(yǎng)基飼養(yǎng)會導(dǎo)致Dark果蠅和對照組果蠅均出現(xiàn)視桿退化。因此，營養(yǎng)顯著影響視桿的發(fā)育，但營養(yǎng)條件如何影響Dark果蠅的進化并不清楚。本研究旨在探索在黑暗中經(jīng)歷1300多代的果蠅視桿結(jié)構(gòu)的變化以及營養(yǎng)因素對其可能的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗動物：本實驗觀察了三組果蠅：第1308代Dark果蠅（DD果蠅），置于完全黑暗環(huán)境中，除了在每兩周更換培養(yǎng)基的過程中，果蠅會被微弱紅光短暫照亮，以確定其被轉(zhuǎn)移至新鮮的培養(yǎng)基中，自建立一直以Pearl氏培養(yǎng)基飼養(yǎng)；轉(zhuǎn)移至正常光照條件下生存5代的DD果蠅子代（DL果蠅），以Pearl氏培養(yǎng)基飼養(yǎng)；對照組果蠅（LL果蠅）以往在光照-黑暗環(huán)境中以玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)，本研究改用Pearl氏培養(yǎng)基在光照-黑暗環(huán)境中飼養(yǎng)。初次觀察后三組果蠅使用玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)兩代來檢測營養(yǎng)因素的影響。

1.2 方法：將果蠅的頭在固定液[2.5%戊二醛、2%多聚甲醛、0.1 mol/L二甲胂酸鈉緩沖液（CB）]中切成兩半，冰上處理；固定液中預(yù)固定，4℃過夜；0.1 mol/L CB沖洗后，2%四氧化鋨固定，室溫2h；蒸餾水沖洗，梯度丙酮脫水；環(huán)氧丙烷滲透，樹脂固定；超薄切片用乙酸鈾酰和檸檬酸鹽雙染色，電子顯微鏡（Hitachi H7650）觀察。

2 結(jié)果

透射電鏡觀察到以Pearl氏培養(yǎng)基飼養(yǎng)的DD果蠅、LL果蠅和DL果蠅均出現(xiàn)視桿明顯退化：視桿微絨毛很不規(guī)則，反向突入細胞體，膨脹形成大液泡（圖1上部分），這一結(jié)果和先前報道結(jié)果并不一致：第617代的DD果蠅表現(xiàn)出異于尋常的結(jié)構(gòu)——更大的視桿和更濃密的微絨毛，這些微絨毛比對照組果蠅的薄。DD、LL和DL三組果蠅均以玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)兩代，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)的LL果蠅視桿結(jié)構(gòu)正常，DD果蠅和DL果蠅僅表現(xiàn)出較小程度的退化（圖1下部分）。

圖1 果蠅單眼橫斷面視桿透射電鏡圖

3 討論

總結(jié)目前實驗結(jié)果以及先前報道的結(jié)果，筆者得到了兩個結(jié)論。首先，果蠅在黑暗中經(jīng)歷數(shù)百代，在早期其表現(xiàn)出與光敏化相適應(yīng)的形態(tài)學改變，因而形成了異于尋常的結(jié)構(gòu)，然后轉(zhuǎn)變成眼睛的退化。這種時間變化模式可能與深海魚類相似：在進化歷程中逐漸適應(yīng)了漸深漸暗的環(huán)境，生活在水深1000m處的魚類眼睛高度敏感，而那些棲息在更深處的魚類則發(fā)生眼睛的退化[4]。其次，通過實驗結(jié)果可知飲食對視桿結(jié)構(gòu)有明顯的影響。DD果蠅視桿的退化可以通過用玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)兩代而幾乎完全阻止。對照組LL果蠅以往是用玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)的，以Pearl氏培養(yǎng)基飼養(yǎng)17代時視桿出現(xiàn)嚴重退化，但這種退化通過玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)兩代就完全恢復(fù)。已經(jīng)證明以Pearl氏培養(yǎng)基飼養(yǎng)的果蠅，其視色素生色團的含量是玉米粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)果蠅的5%～10%，實際上這是Pearl氏培養(yǎng)基維生素A含量低的結(jié)果，目前研究所觀察到的退化很可能是因為維生素A不足[5]。但是，為什么原始的以缺乏維生素A的培養(yǎng)基飼養(yǎng)的對照組果蠅在第206代和617代未出現(xiàn)視桿退化，長期以維生素A缺乏的培養(yǎng)基飼養(yǎng)可能選擇保留下來這樣的個體，其視桿在苛刻的營養(yǎng)條件下不發(fā)生退化。

Dark果蠅可能正處于逐漸適應(yīng)黑暗環(huán)境的進程中。除了形態(tài)上的改變，與黑暗環(huán)境生存相關(guān)的生理功能變化，如對光、震動、觸覺和化學刺激的敏感性，將成為有趣而亟待解決的問題。

參考文獻

[1] Naoyuki F，Tasuku K，Takashi H，et al.Evolution in the Dark：Adaptation of Drosophila in the Laboratory[M].Japan：Springer，2014：23-27.

[2] Eguchi E，Ookoshi C.Fine structural changes in the visual cells of Drosophila cultured in darkness for about six hundred generations[J].Annot Zool Jpn，1981（54）：113-124.

[3] Eguchi E，Arikawa K.Structure and function of the compound eyes of Drosophila melanogaster cultured in darkness for about 800 generations[J].Zoolog Sci，1985（2）：867-867.

[4] Eguchi E.Eyes and darkness–evolutionary and adaptational aspects[J].Zoolog Sci，1986（3）：931-943.

[5] Suzuki E，Katayama E，Hirosawa K.Structure of photoreceptive membranes of Drosophila compound eyes as studied by quick-freezing electron microscopy[J].J Electron Microsc，1993（42）：178-184.