同域共存的兩種平鰭鰍科魚類消化系統的形態差異

胡佐燦 解崇友 蔡瑞鈺 王志堅

(西南大學生命科學學院, 淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室, 水產科學重慶市重點實驗室, 重慶 400715)

20世紀, 俄國生物學家高斯通過草履蟲實驗,驗證了“競爭排除法則”[1]。因此, 經典共存理論認為: 物種的生態需求差異以及適應性的分化是維持物種共存的必要條件[2—4]。前人的研究證明, 同域共存的物種往往在食物組成和空間分布等方面存在分化, 從而減弱種間的競爭關系, 以達到穩定共存的目的[5—7]。MacArthur等[8]認為食物資源方面的競爭是物種多樣性和物種進化的重要驅動因素。

消化系統在魚類消化、吸收過程中扮演著重要的角色[9]。研究顯示, 魚類消化系統組成大致相同, 但因食性的不同, 各器官的形態各異。魚類消化系統形態學、組織學和組織化學的研究能有效地反映不同種類間在生態習性上的差異[10—12]。因此, 了解共存物種特別是形態上相似的共存物種間的消化器官形態差異及其食性分化機制, 有助于解釋物種間的分化過程和共存機制[13, 14]。

西昌華吸鰍(Sinogastromyzon sichangensis)和峨眉后平鰍(Metahomaloptera omeiensis)同屬鯉形目(Cypriniformes)平鰭鰍科(Balitoridae), 分別是華吸鰍屬(Sinogastromyzon)和后平鰍屬(Metahomaloptera)的底棲急流性小型魚類。2種魚類外形相似, 目前僅憑鰓裂大小進行區分[15]。本文通過形態學、組織學和組織化學等方法對2種魚類消化系統結構上的差異進行比較, 以期為進一步研究二者共存機制提供基礎資料。

1 材料與方法

西昌華吸鰍和峨眉后平鰍于2016年11月至2017年9月, 采自藻渡河(長江支流綦江河的支流)貴州省獅溪河段。

1.1 形態學方法

選取西昌華吸鰍和峨眉后平鰍標本各80尾, 測量其體長、體重、消化系統重、腸長, 并計算比消化系統重、比腸長等消化道形態學指數。

1.2 組織學和組織化學方法

選取體重在(1.92±0.23) g的西昌華吸鰍和體重在(1.33±0.2) g的峨眉后平鰍鮮活成體魚各10尾, 放于水族箱中暫養48h, 排空消化道, 經MS-222麻醉后解剖, 取口咽腔、食道、胃、前腸、中腸、后腸、肝胰臟, Bouin’s或Carnoy氏液固定, 乙醇逐級脫水后石蠟包埋, 進行組織切片, 厚度5 μm。常規HE染色或AB-PAS染色, 中性塑膠封片。隨機選取各器官的切片10張, 用Nikon80i顯微鏡對30個視野進行觀察拍照。

1.3 數據處理

用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件測量消化道各段黏膜褶皺高度、肌層厚度及腸道中每10000 μm2上的杯狀細胞數目。所得數據均以平均值±標準差(Mean±SD)表示。為避免以上指標受到魚體重量的影響, 采用SPSS20.0, 以體重為協變量對所得數據進行方差分析, 當P＜0.05時, 差異顯著。

2 結果

2.1 形態學結果

西昌華吸鰍和峨眉后平鰍消化系統均由消化道和消化腺組成。消化道起于口而止于后腸, 包括口咽腔、食道、胃和腸等4個部分。西昌華吸鰍和峨眉后平鰍均為弧形的下位口, 其前端有吻皮下包形成的吻溝, 上唇有8—10個乳突, 下唇乳突不明顯。下頜前緣外展, 表面有角質化放射狀的溝。由于淚骨的擴大, 側篩骨發達, 因此口咽腔也較大。食道較短, 連接口咽腔與胃, 鰾管將其與胃分開。胃膨大呈U型, 可明顯的分為賁門部、盲囊部和幽門部,胃腔從賁門至幽門先增大后減小, 幽門與腸道連接處胃腔驟然變窄。膽管在幽門最窄處連接腸的前段。西昌華吸鰍腸盤旋2回, 呈“φ”字形, 幽門至第一個轉折為前腸, 兩轉折間為中腸, 第二轉折后為后腸, 腸道呈粉紅色, 由前至后逐漸變細(圖版Ⅰ-1、Ⅰ-3)。胰臟彌散分布在肝臟中, 形成肝胰臟。肝胰臟緊貼腸系膜, 覆蓋在消化管腹面。峨眉后平鰍腸道盤旋5—7回, 按長度平均分為前、中、后腸(圖版Ⅰ-2、Ⅰ-4)。胰臟彌散在肝臟中, 包裹在消化管中間。總體而言, 西昌華吸鰍成魚個體長度、體重均顯著大于峨眉后平鰍(P＜0.05); 兩者的比消化系統重無顯著差異, 但峨眉后平鰍的比腸長顯著大于西昌華吸鰍(P＜0.05)(表 1)。

2.2 組織學結果

通過切片觀察比較發現, 峨眉后平鰍和西昌華吸鰍消化系統各器官組成相同, 但在肌層厚度、杯狀細胞數目及黏膜褶皺高度上存在一定的差異。

口咽腔 西昌華吸鰍和峨眉后平鰍口咽腔從組織學結果看, 沒有明顯差異。口咽腔壁由黏膜層、黏膜下層和肌層構成。黏膜層向腔內突起, 形成短而鈍的褶皺, 表皮為復層扁平上皮, 其間分布有大量球狀和杯狀的黏液細胞, 還散布著少量的味蕾, 味蕾呈卵圓形, 與固有膜一起伸入上皮中, 其頂端開口于口咽腔。黏膜下層極薄, 肌層發達, 由橫紋肌組成(圖版Ⅱ-1、Ⅱ-4)。

食道西昌華吸鰍和峨眉后平鰍的食道短,由內而外分為黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層。固有膜和黏膜層向管腔內突起, 形成高而多的黏膜褶皺, 黏膜上皮為復層扁平上皮, 黏液細胞數量多, 排列緊密, 褶皺頂端偶見味蕾分布。黏膜下層為疏松結締組織, 其間有大量血管, 肌肉層為橫紋肌(圖版Ⅱ-2、Ⅱ-5)。兩者相比, 西昌華吸鰍食道黏膜褶皺高度和肌層厚度均顯著高于峨眉后平鰍(P＜0.05)(表 2)。

胃西昌華吸鰍和峨眉后平鰍的胃可分為賁門部(圖版Ⅱ-3、Ⅱ-6)、盲囊部(圖版Ⅱ-7、Ⅱ-10)和幽門部(圖版Ⅱ-8、Ⅱ-11), 各部分都由黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層組成。胃的黏膜層為單層柱狀上皮, 黏膜層上未見消化道其余部分常見的杯狀細胞。胃腔內黏膜褶皺從賁門至幽門, 先降低后增高。賁門部和盲囊部前端固有層中, 密布單管狀胃腺, 胃腺細胞排列工整, 其間可見著色較深的酶原顆粒。各腺管間被結締組織分割開來, 開口于黏膜層下陷形成的胃小凹處。肌肉層均由平滑肌組成, 從賁門至幽門肌層逐漸增厚。兩者相比, 西昌華吸鰍胃各部分黏膜褶皺高度和肌層厚度都顯著高于峨眉后平鰍(P＜0.05)(表 2)。

腸西昌華吸鰍和峨眉后平鰍腸道由: 黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層構成。黏膜層向腸腔內突起形成黏膜褶皺, 褶皺高度從前腸至后腸漸趨平緩, 西昌華吸鰍腸道黏膜褶皺從柳葉狀漸變為指狀, 峨眉后平鰍則始終是指狀, 腸上皮細胞為單層柱狀細胞, 排列緊密, 前腸(圖版Ⅱ-9、Ⅱ-12)游離端可見紋狀緣, 其間散布杯狀細胞, 杯狀細胞數量從前至后逐漸增多。黏膜下層較薄, 為疏松結締組織, 分布有大量血管。腸道肌層由平滑肌組成,肌層厚度由前腸至后腸(圖版Ⅱ-14、Ⅱ-17), 先增厚, 后變薄。肌層分為環肌和縱肌, 內層環肌, 外層縱肌。漿膜層極薄, 由間皮和薄層結締組織構成。2種魚相比, 西昌華吸鰍腸道黏膜褶皺高度和中腸(圖版Ⅱ-13、Ⅱ-16)肌層厚度, 顯著大于峨眉后平鰍(P＜0.05)。其余組織學特征差異不顯著(表 2)。

表 1 西昌華吸鰍和峨眉后平鰍消化系統指數比較Tab. 1 Comparison of digestive system exponent in Sinogastromyzon sichangensis and Metahomalotreta omeiensis

肝胰臟西昌華吸鰍和峨眉后平鰍肝胰臟由多邊形至圓形的肝細胞形成的肝小葉集合而成。小葉間結締組織不發達, 小葉中可見中央靜脈,肝細胞和肝血竇圍繞中央靜脈向四周放射狀排列,肝細胞間還有錐形至米粒形的胰腺細胞, 胰腺細胞較肝細胞著色深, 常聚集在血管旁。部分胰臟分布在肝臟之外, 緊貼肝臟, 由管泡狀細胞組成, 卵帶狀折疊排列(圖版Ⅱ-15、Ⅱ-18)。

2.3 組織化學結果

根據尹苗等[16]的分類方法, 按消化道黏液細胞與AB-PAS反應后的染色結果將黏液細胞分為4個類型: Ⅰ型為紅色, AB陰性, PAS陽性, 含有中性黏多糖; Ⅱ型為藍色, AB陽性, PAS陰性, 含有酸性黏多糖; Ⅲ型紫紅色, AB與PAS均為陽性, 主要含有中性黏多糖; Ⅳ型為藍紫色, AB與PAS均為陽性, 主要含有酸性黏多糖。西昌華吸鰍和峨眉后平鰍消化道各段黏液細胞類型及密度見表 3。

口咽腔黏液細胞類型西昌華吸鰍和峨眉后平鰍口咽腔內4種黏液細胞均有分布, 其中, Ⅰ型黏液細胞較少, 散布Ⅱ型、Ⅲ型黏液細胞, 以Ⅳ型為主(圖版Ⅲ-1、Ⅲ-4)。

食道黏液細胞類型西昌華吸鰍和峨眉后平鰍食道內黏液細胞密布, 均為Ⅱ型和Ⅳ型黏液細胞, 未見Ⅰ型、Ⅲ型黏液細胞。細胞周圍及黏膜褶皺間有大量被染成藍色的黏液物質(圖版Ⅲ-2、Ⅲ-5)。

胃黏液細胞類型2種魚的胃經AB-PAS染色后, 黏膜上層單層柱狀上皮尾部染色明顯。西昌華吸鰍胃內4種黏液細胞都有, 賁門部Ⅲ型、Ⅳ型黏液細胞數量較多, 可見Ⅱ型黏液細胞, 偶見Ⅰ型黏液細胞, 部分胃腺被染成藍色(圖版Ⅲ-3); 從賁門部至盲囊部(圖版Ⅲ-7), Ⅳ型黏液細胞比重逐漸變大, 至盲囊中部, 黏液細胞幾乎都被染成藍紫色, 胃腔中可見深藍色黏液物質; 盲囊到幽門(圖版Ⅲ-8),Ⅲ型黏液細胞數量增多, 幽門處以Ⅲ型、Ⅳ型黏液細胞為主, 可見Ⅰ型黏液細胞。

峨眉后平鰍胃內賁門部Ⅲ型、Ⅳ型黏液細胞數量較多, 可見Ⅰ型、Ⅱ型黏液細胞; 從賁門(圖版Ⅲ-6)至幽門(圖版Ⅲ-11), Ⅰ型和Ⅲ型數量逐漸增多, 盲囊部多為Ⅲ型黏液細胞(圖版Ⅲ-10), 胃腔內常有藍紫色黏液物質, 幽門處多以Ⅲ型黏液細胞為主, 可見Ⅳ型、Ⅰ型黏液細胞。

表 2 西昌華吸鰍和峨眉后平鰍消化道組織特點比較Tab. 2 Comparison of histological characteristics in the digestive tract of Sinogastromyzon sichangensis and Metahomalotreta omeiensis

腸道黏液細胞類型西昌華吸鰍和峨眉后平鰍腸道黏液細種類相似, 主要以Ⅱ、Ⅳ黏液細胞為主, 偶見Ⅲ黏液細胞, 未見Ⅰ型黏液細胞分布(圖版Ⅲ-9、圖版Ⅲ-12—16)。

3 討論

3.1 消化系統結構的相似性

平鰭鰍科魚類多棲息于山澗急流中, 以固著藻類和小型無脊椎動物為食, 因此西昌華吸鰍和峨眉后平鰍消化系統表現出一定程度的相似性。首先,二者口下位, 下頜角質化, 與其底棲刮食的生活習性相適應。此外, 他們均是有胃魚類。胃是進行消化作用的重要場所, 具有碾磨壓碎食物、分泌消化酶、使消化酶與食物充分攪拌等功能, 兼有機械消化和化學消化的作用[17]。過去的研究發現: 胃的形狀隨種類不同而異, 主要有直管型、“U”型和“Y”型[18]。西昌華吸鰍和峨眉后平鰍的胃呈“U”型, 與大鰭異 (Creteuchiloglanis macropterus)等[19—21]幾種肉食性魚類相同。筆者認為, 西昌華吸鰍和峨眉后平鰍的“U”型胃主要與其雜食性相適應, 與此同時,“U”型胃能夠儲存大量的食物, 增加食物在胃內停留的時間, 促進消化。

對2種魚的消化系統進行AB-PAS染色, 結果顯示二者在黏液細胞組成上基本相同, 消化道中以分泌酸性物質的Ⅱ型和Ⅳ型黏液細胞為主。酸性黏液物質不僅可以潤滑食物, 同時在防止病原微生物侵入魚體等方面發揮著重要的作用。這與大多數硬骨魚的消化道黏液細胞組成類似[22—24]。

3.2 消化系統解剖學的差異

西昌華吸鰍和峨眉后平鰍的消化系統在形態上也存在明顯的差異。觀察發現, 二者在腸道盤繞方式上區別明顯。西昌華吸鰍消化道盤繞方式簡單, 盤旋2回, 呈“φ”字形, 肝胰臟覆蓋在消化管腹面;峨眉后平鰍的腸道盤旋5—7回, 腸道盤繞復雜, 肝胰臟鑲嵌在消化管之間。峨眉后平鰍更為復雜的腸道盤繞能增加腸道長度。80尾西昌華吸鰍和80尾峨眉后平鰍的腸道系數分別為1.17±0.18和1.37±0.20, 前者顯著小于后者。雖有學者提出不同的看法, 但魚類消化道指數已成為劃分魚類營養類型的重要形態學指標是不爭的事實[25]。大多數學者認為, 魚類的腸道系數與食性密切相關, 比消化系統重能間接反映魚類的消化能力[26]。前人研究發現:兇猛肉食性魚類比腸長均小于1, 雜食性魚類, 腸道系數則介于1—3, 而碎屑食性魚類的腸道系數在3以上[27]。西昌華吸鰍和峨眉后平鰍腸道系數介于1—3, 與其食性相適應, 但二者腸道系數的差異, 可能暗示著各自食性的偏好。由于植物中難以消化的纖維素含量較高, 因此與肉食性魚類相比, 草食性的魚類擁有更長的腸道, 以延長食物在腸道內的停留時間[25]。因此, 筆者推測與峨眉后平鰍相比,西昌華吸鰍更偏肉食性。比消化系統重的數據也支持這一假設, 西昌華吸鰍擁有更發達的消化系統,有助于儲存和消化更大型的食物。這可能也是采樣地西昌華吸鰍體長、體重顯著大于峨眉后平鰍的重要原因。楊元昊等[28]對蘭州鯰和鯰消化系統的比較得出了相似的結果。

表 3 西昌華吸鰍和峨眉后平鰍消化道黏液細胞種類Tab. 3 Types of mucous cells in the digestive tract of Sinogastromyzon sichangensis and Metahomalotreta omeiensis

3.3 消化道組織結構的差異

胃對食物碾壓和攪拌的功能均與肌層厚度相關。對2種魚胃內肌層厚度比較后發現, 西昌華吸鰍胃內肌肉層厚度顯著高于峨眉后平鰍, 這表明與峨眉后平鰍相比, 西昌華吸鰍的胃可能具有更強的物理消化能力。同時, 西昌華吸鰍胃內黏膜褶皺高度也顯著大于峨眉后平鰍, 較高的黏膜褶皺增加了食物與胃的接觸面積。這些特征使得西昌華吸鰍能捕食和儲存更多更大的獵物, 也具備更強的消化能力。魚類消化道的組織結構能較好的反應魚類的消化能力, 同時與其食性、棲息環境密切相關[29]。以上結果提示西昌華吸鰍和峨眉后平鰍在食性上有所差異。葉元土等[30]曾對長吻 和南方鯰進行比較時得出了相似的結論。

結合上述分析, 西昌華吸鰍和峨眉后平鰍雖然形態相似, 且都符合雜食性魚類的特征, 但二者可能在食性上存在生態位的分化。西昌華吸鰍消化系統更為發達, 具備捕食和儲存更多更大獵物的能力; 而峨眉后平鰍消化道更長, 腸道盤曲更為復雜,表現出偏植食性的雜食性魚類的特征。二者食性上的具體差異, 有待進一步的研究。