鹿回頭多孔鹿角珊瑚與叢生盔形珊瑚性腺組織學研究

張詩澤, 黃暉, 張浴陽, 周國偉,2, 江雷, 陳標

1. 中國科學院南海海洋研究所, 廣東, 廣州 510301

2. 中國科學院海南熱帶海洋生物實驗站, 海南, 三亞 572000

3. 中國科學院大學, 北京 100039

鹿回頭多孔鹿角珊瑚與叢生盔形珊瑚性腺組織學研究

張詩澤1,2,3, 黃暉1,2,*, 張浴陽1, 周國偉1,2, 江雷1,2,3, 陳標1,2,3

1. 中國科學院南海海洋研究所, 廣東, 廣州 510301

2. 中國科學院海南熱帶海洋生物實驗站, 海南, 三亞 572000

3. 中國科學院大學, 北京 100039

造礁石珊瑚繁殖生物學是開展珊瑚有性修復技術的基礎, 對珊瑚礁生態系統修復具有重要的指導意義。本研究選取三亞鹿回頭多孔鹿角珊瑚(Acropora millepora)與叢生盔形珊瑚(Galaxea fascicularis)作為研究對象, 觀察它們性腺特征, 明確多孔鹿角珊瑚與叢生盔形珊瑚有性繁殖類型。結果表明： (1) 多孔鹿角珊瑚是雌雄同體產卵型珊瑚, 叢生盔形珊瑚是假雌全異株產卵型珊瑚; (2) 多孔鹿角珊瑚和叢生盔形珊瑚的蟲黃藻都由后天獲取; (3)多孔鹿角珊瑚在其卵母細胞和精母細胞發育到Ⅳ時相后, 卵巢與精巢之間腸表皮消失, 并在隨后的5 d左右產卵; 叢生盔形珊瑚在其卵母細胞發育到Ⅲ時相后的20 d左右產卵。本研究結果, 為三亞海域造礁石珊瑚繁殖生物學的深入研究提供基礎數據支持。

造礁石珊瑚; 有性繁殖; 多孔鹿角珊瑚; 叢生盔形珊瑚; 性腺

1 前言

珊瑚礁生態系統是生物多樣性最高的海洋生態系統之一, 它不僅為人類的生產和生活提供各種資源, 而且具有巨大的生態功能和價值, 對保障生物多樣性、生物生產力和生態平衡具有重要作用[1]。然而, 海水中二氧化碳濃度升高、表層海水升溫、臭氧層破壞加劇以及人類破壞性活動導致珊瑚礁生態系統逐漸衰退[2-8], 這使得珊瑚礁生態系統的恢復和修復工作越來越受到人們關注。近年來, 利用造礁石珊瑚的有性繁殖進行珊瑚礁生態系統修復, 受到越來越多研究者的認可[9-11]。造礁石珊瑚繁殖生物學的深入研究, 是開展造礁石珊瑚有性繁殖的基礎, 具有重要的指導意義。

造礁石珊瑚分為雌雄同體(Hermaphroditic)、雌雄異體(Gonochoric)[12]和假雌全異株(Pseudogynodioecious)[13]。迄今, 國外對珊瑚的繁殖生物學有較多研究, 雌雄同體[14]、雌雄異體[15]和假雌全異株[13]的珊瑚都有相關研究。國內在珊瑚的繁殖生物學研究方面較少, 李元超等[16]進行了三亞鹿回頭佳麗鹿角珊瑚(Acropora pulchra)卵母細胞發育的組織學研究; 黃潔英等[17]研究了三亞鹿回頭膨脹薔薇珊瑚(Montipora turgescen)和壯實鹿角珊瑚(Acropora robusta)的胚胎和幼蟲發育過程; 楊小東[18]等做了徐聞珊瑚礁保護區澄黃濱珊瑚(Porites lutea)、大管孔珊瑚(Goniopora djiboutiensis)和叢生盔形珊瑚的繁殖生物學研究。多孔鹿角珊瑚和叢生盔形珊瑚的的性腺組織學方面已有研究[13,18,19.20], 然而, 叢生盔形珊瑚的有性繁殖類型存在爭議。多孔鹿角珊瑚與叢生盔形珊瑚是三亞鹿回頭海域常見優勢種[21], 加大其繁殖生物學的深入研究, 厘清它們有性繁殖特征, 為珊瑚礁生態恢復工作提供理論依據。所以, 本研究對三亞鹿回頭多孔鹿角珊瑚與叢生盔形珊瑚性腺特征進行了研究, 研究結果明確了多孔鹿角珊瑚與叢生盔形珊瑚有性繁殖類型, 豐富了造礁石珊瑚繁殖生物學的基礎資料。

2 材料與方法

2.1 材料

多孔鹿角珊瑚采集時間分別為2012年3月19日、2012年3月27日和2012年4月1日; 叢生盔形珊瑚樣品采集時間為2013年4月13日。多孔鹿角珊瑚與叢生盔形珊瑚均采自海南省三亞市鹿回頭海域(圖1), 水深3—5 m。樣品取于叢徑大于15 cm,健康珊瑚的頂端, 其大小為 5 cm, 每次每種珊瑚各10株。

2.2 方法

珊瑚樣品用5%海水甲醛固定24 h, 連續5 d用50%甲酸脫鈣。然后用50%乙醇、70%乙醇、80%乙醇、90%乙醇、95%乙醇和無水乙醇逐級脫水。性腺用二甲苯透明, 54 ℃石蠟包埋, 制成4 μm的連續切片。用無水乙醇、95%乙醇、90%乙醇、80%乙醇、70%乙醇和50%乙醇逐級水化, 經H-E(hematoxylineosinstaining)染色, 凝膠樹脂封片, 在Leika DMIRB顯微鏡下觀察, 并用Leica DC500拍照。

3 結果與分析

圖1 采樣站位圖(★代表采樣區域)Fig. 1 Maps of the sampling location (marked by ★)

3.1 多孔鹿角珊瑚性腺組織學觀察

3.1.1 多孔鹿角珊瑚無性繁殖期內部結構特征

多孔鹿角珊瑚屬于六放珊瑚亞綱, 其生殖腺來源于內胚層, 位于口道內側隔膜內。多孔鹿角珊瑚消化循環腔被隔膜隔成 6個部分, 無精巢與卵巢發育, 含有 6個獨立的萎縮生殖腺; 消化循環腔體壁由外胚層、中膠層、內胚層及腸表皮等結構組成; 造礁石珊瑚共生蟲黃藻位于體壁內; 消化循環腔外有刺絲囊結構(圖2)。

3.1.2 多孔鹿角珊瑚性腺特征

多孔鹿角珊瑚的卵母細胞與精母細胞在同一個消化循環腔內, 卵巢與精巢之間由腸表皮隔開, 生殖腔內未發現蟲黃藻(圖2b, 圖3a)。按Bernardo[14]的標準, 將2012年3月19日和3月27日的多孔鹿角珊瑚卵母細胞劃分為Ⅲ時相卵母細胞, 其細胞核光滑, 帶有明亮的核仁, 未開始向動物極移動。卵黃松散, 囊泡充滿脂質。腸表皮內能看到蟲黃藻, 腸系膜內未見蟲黃藻。多孔鹿角珊瑚卵母細胞直徑大小由3月19日的250—300 μm增至3月27日的300—400 μm(圖2c, 圖3b)。2012年3月19日和3月27日的多孔鹿角珊瑚精母細胞可劃分為Ⅱ時相精母細胞, 已發展到楔形細胞, 組織完善, 封閉在中膠層,具有明顯的細胞核。腸表皮內能清晰看到蟲黃藻,腸系膜內未見蟲黃藻。精巢直徑大小由3月19日的50 μm—70 μm左右增至3月27日的60—90 μm(圖2d, 圖3c)。3月27日多孔鹿角珊瑚精母細胞有少數發育較快的發育至Ⅲ時相, 精巢的中心開始形成一個腔隙(圖3d)。2012年3月19日和3月27日的多孔鹿角珊瑚卵母細胞發育均比精母細胞發育快。2012年4月1日多孔鹿角珊瑚卵巢與精巢之間的腸表皮消失, 由腸系膜隔開, 且腸系膜內未見蟲黃藻(圖4a)。2012年4月1日多孔鹿角珊瑚卵母細胞可劃分為Ⅳ時相卵母細胞, 其細胞核偏位并向相鄰的卵黃膜靠近, 卵黃相當均勻, 卵黃膜從中膠層局部回縮, 直徑大小在 300—450 μm之間, 已經發育成熟(圖4c)。2012年4月1日多孔鹿角珊瑚精巢直徑大小在120—200 μm之間, 精母細胞可劃分為Ⅳ時相精母細胞, 其大小較小, 數量較多, 已經看不出Ⅲ時相精巢的中間空隙, 精母細胞發育跟卵母細胞發育已經同步(圖4b)。

圖2 2012年3月19日采集的多孔鹿角珊瑚性腺組織切片Fig. 2 The gonads of Acropora millepora sampled on 19th, March 2012 by H & E staining

圖3 2012年3月27日采集的多孔鹿角珊瑚性腺組織切片Fig. 3 The gonads of Acropora millepora sampled on 27th, March 2012 by H & E staining

圖4 2012年4月1日采集的多孔鹿角珊瑚性腺切片照片Fig. 4 The gonads of Acropora millepora sampled on 1st, April 2012 by H & E staining

3.2 叢生盔形珊瑚性腺組織學觀察

3.2.1 叢生盔形珊瑚無性繁殖期內部結構特征

叢生盔形珊瑚屬于六放珊瑚亞綱, 其生殖腺來源于內胚層, 位于口道內側隔膜內。其消化循環腔被隔膜隔成12(6的倍數)個部分, 無精巢與卵巢發育,含有12個獨立的萎縮生殖腺; 消化循環腔體壁由外胚層、中膠層、內胚層及腸表皮等結構組成; 造礁石珊瑚共生蟲黃藻位于體壁內; 消化循環腔外有刺絲囊結構(圖6a)。

3.2.2 叢生盔形珊瑚性腺特征

叢生盔形珊瑚具有發育完全的紅色卵子和發育不完全的白色卵子(圖5, 圖7a)。具有紅色卵子的叢生盔形珊瑚生殖腔內未發現精母細胞, 僅有卵母細胞(圖 6b)。卵母細胞發育到Ⅲ時相, 其細胞核光滑, 帶有明亮的核仁, 未開始向動物極移動。卵黃松散, 囊泡充滿脂質。腸表皮內能看到蟲黃藻, 腸系膜內未見蟲黃藻。卵母細胞直徑大小在150—200 μm之間(圖6c)。具有白色卵子的叢生盔形珊瑚經過暫養, 于2013年4月27日出現排卵行為(圖 7b), 卵子未能發育成幼體且兩天后破裂。

圖5 2013年4月13日叢生盔形珊瑚的紅色卵子Fig. 5 Red eggs of Galaxea fascicularis sampled on 13th, Apr, 2013

圖6 2013年4月13日采集的叢生盔形珊瑚性腺組織切片Fig. 6 The gonads of Galaxea fascicularis sampled on 13th, April 2013 by H & E staining

圖7 2013年4月27日采集的即將產卵的叢生盔形珊瑚和已排的白色卵子Fig. 7 Galaxea fascicularis spawning and the white eggs on 27th, Apr, 2013

4 結論

4.1 多孔鹿角珊瑚和叢生盔形珊瑚有性繁殖類型

多孔鹿角珊瑚精巢與卵巢保持在同一個消化循環腔內發育, 即多孔鹿角珊瑚為雌雄同體產卵型珊瑚。此結果與Baria等人推斷多孔鹿角珊瑚的有性繁殖類型相符[22]。叢生盔形珊瑚為假雌全異株型珊瑚,有兩種性腺, 分別發育紅色卵子和白色卵子, 兩種性腺生理功能不一致。具有紅色卵子的叢生盔形珊瑚消化循環腔內僅有卵巢, 沒有精巢, 具有明顯卵黃顆粒, 其紅色卵子具有繁殖能力, 說明可育紅色卵子的叢生盔形珊瑚為全雌株珊瑚, 另一類叢生盔形珊瑚其白色卵子不具有繁殖能力, 說明可育白色卵子的叢生盔形珊瑚為假雌雄同體株珊瑚; 此結果與 Harrison[13]一致, 叢生盔形珊瑚為假雌全異株型珊瑚, 即叢生盔形珊瑚有全雌株和假雌雄同體株珊瑚, 叢生盔形珊瑚白色卵子為不完全發育卵子, 不具有繁殖能力。

關于叢生盔形珊瑚為雌雄同體型珊瑚[18]和雌全異株型珊瑚[19]的說法不全面。楊小東[18]未能獲得叢生盔形珊瑚的兩種卵子, 僅憑其中一種珊瑚性腺的石蠟切片并不足以說明叢生盔形珊瑚有性繁殖類型。Shashank等[19]未能觀察到精巢結構, 單純靠顏色和大小區分紅色卵子與白色卵子, 并不科學; 其研究需單獨對白色卵子進行受精才能有效證明其繁殖能力, 而不是采取白色卵子和紅色卵子混合受精的方式進行驗證, 缺乏嚴謹。

4.2 多孔鹿角珊瑚和叢生盔形珊瑚珊瑚性腺特征和規律

產卵型珊瑚Ⅱ時相卵母細胞、Ⅲ時相卵母細胞、Ⅳ時相卵母細胞發育時間分別為3個月、5個月、1個月; Ⅱ時相精母細胞、Ⅲ時相精母細胞發育、Ⅳ時相精母細胞發育時間分別為4個月、1個月、1個月[13]。前期卵母細胞發育比精母細胞發育快, 但最終達到同步。目前國際對珊瑚性腺的組織學研究主要用于繁殖力計算等[14,23,24], 只能大概推斷珊瑚產卵時間, 但不夠精確, 李元超僅推斷出三亞鹿回頭佳麗鹿角珊瑚排卵時間為 4月底至5月初。

確認珊瑚排卵時間的關鍵在于珊瑚性腺發育后期的一個月, 因此本研究僅采集性腺發育后期的珊瑚母體作為樣品。2012年3月19日和3月27日多孔鹿角珊瑚卵巢與精巢之間由腸表皮隔開; 2012年4月1日多孔鹿角珊瑚卵巢與精巢之間的腸表皮已經消失, 它們僅由腸系膜隔開; 2012年4月6日三亞鹿回頭多孔鹿角珊瑚發生大規模集體產卵。因此,多孔鹿角珊瑚卵巢與精巢之間的腸表皮消失是即將產卵的標志。2013年4月13日叢生盔形珊瑚的卵母細胞處于Ⅲ時相, 其卵母細胞相對多孔鹿角珊瑚同時期卵母細胞較小, 推測在20 d左右, 即5月初產卵。我們后續的調查發現進一步證實相關推測,即2013年5月2日三亞鹿回頭叢生盔形珊瑚發生大規模集體產卵。

4.3 多孔鹿角珊瑚和叢生盔形珊瑚性腺發育期間蟲黃藻的觀察

多孔鹿角珊瑚在性腺發育后期階段, 其蟲黃藻不存在于卵母細胞和精母細胞內, 僅存在體壁之內。因此, 本研究進一步證實多孔鹿角珊瑚蟲黃藻由后天獲取的推斷[22]。本研究采集叢生盔形珊瑚時其蟲黃藻不存在于卵母細胞內, 只存在體壁之內。所以, 叢生盔形珊瑚蟲黃藻也是由后天獲取, 與Babcock等人研究結果一致[22]。

[1] 鄒仁林. 中國動物志-造礁石珊瑚[M]. 北京： 科學出版杜, 2001： 9-18.

[2] GATES R D. Seawater temperature and sublethal bleaching in Jamaica[J]. Coral Reefs, 1990, 8： 193-197.

[3] PRATCHETT M S. Dynamics of an out break population of Acanthaster planci at Lizard Island, northern Great Barrier Reef (1995-1999)[J]. Coral Reefs, 2005, 24：453-462.

[4] HOEGH G O, MUMBY P J, HOOTEN A J, et al. Coral reefs under rapid climate change and ocean acidification[J]. Science, 2007, 318： 1737-1742.

[5] HELEN S, ANDREW B, ANDREA M. Impact of the live reef fish trade on populations of coral reef fish off northern Borneo[J]. Proceeding of the Roval Society Biology, 2007, 274： 989-994.

[6] KUFFNER I B. Effects of ultraviolet radiation and water motion on the reef coral, Porites compressa Dana： a transplantation experiment[J]. Joural of Experimental Marine Biology and Ecology, 2002, 270：147-169.

[7] DULVY N K, ZHANG K S. The exploitation of coral reefs in Tanzania’s Mafia Island： the administrative dilermma[J]. Ambio, 1995, 24(6)： 358-365.

[8] ANGELA D, ROBERT V W. Survival under chronic stress from sediment load： spatial patterns of hard coral communities in the southern islands of Singapore[J]. Marine Pollution, 2006, 52： 1340-1354.

[9] OMORI M, FUJIWARA S. Manual for restoration and remediation of coral reefs nature conservation bureau[J]. Ministry of Environment, 2004, 1-84.

[10] ROEROE K A, YAP M, et al. Development of a coastal environment assessment system using coral recruitment[J]. Fisheries Science, 2009, 75(1)： 215-224.

[11] RAYMUNDO L J, MAYPA A P. Getting bigger faster：mediation of size-specific mortality via fusion in juvenile coral transplants[J]. Ecological Applications, 2004, 14(1)：281-295.

[12] SZMANT A M. Reproductive ecology of Caribbean reefcorals[J]. Coral Reefs, 1986, 5： 43-54.

[13] HARRISON P L. An unusual breeding system in the scleractinian coral Galaxea fascicularis[J]. Proceedings of the 6th International Coral Reef Symposium, 1988, 2：669-705.

[14] BERNARDO V A, SUSAN B, COLLE S, et al. The reproductive seasonality and gametogenic cycle of Acropora cervicornis off Broward County, Florida, USA[J]. Coral Reefs, 2006, 25： 110-122.

[15] ELENA Q, JOSEP M G, PABLO J, et al. Sexual reproductive cycle of the epibiotic soft coral Alcyonium coralloides(Octocorallia, Alcyonacea)[J]. Aquatic Biology, 2013, 18： 113-124.

[16] 李元超, 黃暉, 董志軍, 等. 鹿回頭佳麗鹿角珊瑚卵母細胞發育的組織學研究[J]. 熱帶海洋學報, 2009, 1(28)：56-60.

[17] 黃潔英, 黃暉, 張浴陽, 等. 膨脹薔薇珊瑚和壯實鹿角珊瑚的胚胎和幼蟲發育[J]. 熱帶海洋學報, 2011, 2(30)：67-73.

[18] 楊小東. 澄黃濱珊瑚、大管孔珊瑚和叢生盔形珊瑚性腺發育與生長規律的研究[D]. 湛江： 廣東海洋大學, 2013：22-29.

[19] SHASHANK K, HSU CHIAMIN, KUO CHAOYANG, et al. Larval development offertilized “Pseudo-Gynodioecious”eggs suggests a sexual pattern of gynodioecy in Galaxea fascicularis (Scleractinia： euphyllidae)[J]. Zoological Studies, 2012, 51(2)： 143-149.

[20] ANDREW H B, JAMES R G, BETTE L. Systematic and biogeographical patterns in the reproductive biology of scleractinian corals [J]. Reviews in Advance, 2009, 40：551-571.

[21] 練健生, 黃暉, 黃良民, 等. 三亞珊瑚礁及其生物多樣性[M]. 北京： 海洋出版杜, 2001： 87-90.

[22] BARIA M V B, DELA CRUZ D W, VILLANUEVA R D, et al. Spawning of three-year-old Acropora Millepora corals reared from larvae in Northwestern Philippines[J]. Bulletin of Marine Science, 2012, 88：61-62(2).

[23] BABCOCK R C, HEYWARD A J. Larval development of certain gamete-spawning scleractinian corals[J]. Coral Reefs, 1986, 5(3)： 111-116.

[24] SHLESINGER Y, GOULET T L, OYA Y L. Reproductive patterns of scleractinian corals in the northern Red Sea[J]. Marine Biology, 1998, 132： 691-701.

Histological analyses of the gonad for Acropora millepora and Galaxea fascicularis from Sanya Luhuitou of Hainan Island

ZHANG Shize1,2,3, HUANG Hui1,2, ZHANG Yuyang1, ZHOU Guowei1,2, JIANG Lei1,2,3, CHEN Biao1,2,3

1. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, CAS, Guangzhou 510301, China
2. National Experiment Station of Tropical Marine Biology, Hainan Island, Sanya 572000, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China

Reproductive biology is the basis of the sexual reproduction for scleractinian coral. It is very important in the rehabilitation and restoration of coral reef ecosystem. In this study, histological analyses were firstly performed on scleractinian coral Acropora millepora and Galaxea fascicularis from Sanya Luhuitou of Hainan Island. The characteristics of gonad and sexual reproduction were described and compared for both coral species. The results were as follows. (1) A. millepora was hermaphroditic spawning coral, but G. fascicularis was pseudo-gynodioecious spawning coral. (2) Symbiotic zooxanthellae were primary acquired after nature for both coral speices. (3) A. millepora spawned about 5 days after the stage Ⅳ of the developing oocytes and spermatocytes, when the gasrtodermis between ovary and testis disappeared. However, G. fascicularis spawned about 20 days after the stage Ⅲ of the developing oocytes. This study provided useful formation for the reproductive biology of scleratinian coral in Sanya.

scleratinian coral; sexual reproduction; A. millepora; G. fascicularis; gonad

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.006

A

1008-8873(2016)01-041-06

2014-04-30;

2014-05-18

國家自然基金項目(41206140, 41306144); 海洋公益性行業科研專項經費項目(201305030-3, 201105012-2); 海南省重大科技項目(ZDZX2013014);國家科技支撐計劃項目(2012BAC19B08)

張詩澤(1988—), 男, 廣東汕頭人, 碩士研究生, 主要從事珊瑚生物學研究, E-mail： zhangshize1988@qq.com

*通信作者：黃暉; 研究員, 主要從事珊瑚生物學與珊瑚礁生態學研究, E-mail： huanghui@scsio.ac.cn

張詩澤, 黃暉, 張浴陽, 等. 鹿回頭多孔鹿角珊瑚與叢生盔形珊瑚性腺組織學研究[J]. 生態科學, 2016, 35(1)： 41-46.

ZHANG Shize, HUANG Hui, ZHANG Yuyang, et al. Histological analyses of the gonad for Acropora millepora and Galaxea fascicularis from Sanya Luhuitou of Hainan Island[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 41-46.