松花江四種纖毛蟲的形態學研究

姚順利 陳 瑛 范鑫鵬 母偉杰 王 麗 蔡興隆 潘旭明

(1. 哈爾濱師范大學生命科學與技術學院原生動物實驗室, 哈爾濱 155630; 2. 華東師范大學生命科學學院, 上海 200062)

纖毛蟲作為地球上最古老的真核生物的一支,無論是在其形態結構、行為方式還是在對環境的適應等方面, 均表現出其極大地多樣性且與人類的生活環境息息相關[1]。纖毛蟲在海水、淡水、土壤等微食物網中占有重要的生態地位, 可維持生態系統中有機物質的循環與能量流動, 在水質檢測凈化方面發揮著越來越重要的作用[2—6]。松花江水系為東北最大的淡水水系, 是大量魚類、兩棲動物、水生植物、無脊椎動物和微生物的棲息地。然而, 隨著沿岸工農業生產發展、人口增加等原因, 沿江排放的各種污水導致河中各種有機污染物日益增多,致使松花江水環境遭到嚴重污染, 河流中水生生物包括纖毛蟲的種類日益減少, 然而目前松花江水域的纖毛蟲區系尚不清楚。因此對松花江流域纖毛蟲原生動物多樣性的調查研究勢在必行[7,8]。

棘尾蟲屬(Stylonychia)隸屬于纖毛門、多膜綱(Class Polyphymenophorea)、腹毛目(Hypotrichida)、尖毛蟲科(Oxytrichidae), 該類纖毛蟲高度特化, 體型偏大, 背腹扁平, 腹面具有棘毛, 該類群顯著的特征是具有發達的口圍帶和波動膜。目前在本屬下國際上已報道15種棘尾蟲[9—12]。國內目前發現并報道兩種: 貽貝棘尾蟲(Stylonychia mytilus)和浮萍棘尾蟲(Stylonychialemnae), 二者在體形、纖毛圖式、皮層結構等形態方面極其相似[13]。貽貝棘尾蟲作為棘尾蟲屬下的模式種, 食物通常為小型的原生動物, 常棲息于水質底部、運動、捕食[6]。鬃異源棘尾蟲(Tetmemena pustulata) 隸屬于異源棘尾蟲屬(Tetmemena), 該屬由Eigner根據細胞發生學和分子系統學信息特征所建立, 鬃異源棘尾蟲在形態學和細胞發生學方面均被報道過[14,15]。草履蟲屬(Paramecium)隸屬于寡膜綱(Oligohymenophorea),膜口目(Hymenostmatida), 草履蟲綱(Parameciidae),以藻類、小型纖毛蟲、細菌等為食的一類分布廣泛的纖毛蟲, 生活在海水、半咸水、淡水等生活環境中[15—19]。個體較大, 通常為長橢圓形、草履形等, 背腹扁平, 體纖毛緊密排列, 遍布全身, 大核橢圓形或腎形, 其繁殖能力較強[20]。榴彈蟲屬(Coleps)隸屬于動基片綱(Kinetofragminophora)、前口目(Prostomatida), 該類纖毛蟲通常體形呈橢球形、棒狀或短棒狀, 胞口恒位于體前端, 大核一枚, 體纖毛遍體分布, 其口纖毛器特化程度低, 胞口周圍存在較多的輔助其進食的結構, 如胞口可發射的有毒絲泡。榴彈蟲最明顯的形態學鑒別特征為體表具有盔板帶, 其盔板帶的數目、盔板內窗口的類型等特征是該類群區分于其他類群的主要特征。

本工作對采自松花江中的4種淡水纖毛蟲廣布種——貽貝棘尾蟲、鬃異源棘尾蟲、尾草履蟲(Paramecium caudatum) 和剛毛榴彈蟲(Coleps hirtus) 的活體和纖毛圖式進行了細致的形態學描述和報道,其中貽貝棘尾蟲為基于現代分類手段的重要重描述種, 而鬃異源棘尾蟲為我國東北地區新記錄種。研究結果為揭示東北松花江流域纖毛蟲多樣性區系提供了重要的數據支持。

1 材料與方法

蟲體培養: 貽貝棘尾蟲、鬃異源棘尾蟲、尾草履蟲、剛毛榴彈蟲均分離自哈爾濱市呼蘭區的呼蘭河(松花江支流)岸邊的一農田池塘(45°93′87″N;126°61′15″E), 采樣日期為2016年9月19日, 樣品采集地水溫14℃。適當攪混取樣處水體后, 將底質沉積物攪動起來形成懸濁液, 并采取少量腐敗枝葉于采樣瓶中帶回實驗室; 分別取采樣地原位水于玻璃培養皿中(做好標記), 再分別加入3—4粒經沸水短時間高溫煮過的米粒或麥粒, 加入蟲體, 將培養皿至于室溫下培養定期更換食物, 清理廢物。

活體觀察: 具體活體形態觀察方法詳見文獻[21]。

氨銀染色法、Wilbert之蛋白銀法[22,23]: 剛毛榴彈蟲、尾草履蟲采用氨銀法染色, 貽貝棘尾蟲、鬃異源棘尾蟲采用Wilbert之蛋白銀染色法 , 用以顯示蟲體的皮層及內部結構, 如纖毛下器、毛基體、核器及各種表膜下纖維系統等。文中名詞術語參照文獻[24]。

分類依據: Corliss J. O. 1979[25]。

2 結果

2.1 貽貝棘尾蟲的形態學描述(表1; 圖版 Ⅰ, 圖版Ⅱ)

蟲體的活體大小為(150—300) μm×(60—110)μm, 蛋白銀染后大小為(260—350) μm×(110—250)μm, 長寬比約為2∶1, 呈長橢圓形(圖版 Ⅰ-1—6)。在活體觀察時可見: 蟲體通常在底部自由運動, 游動速度較快, 蟲體有明顯的背腹之分, 腹面較平滑,背面較凸起, 呈灰色(圖版 Ⅰ-1、2)。蟲體內含有大量的透明顆粒以及灰色的不明顆粒物質, 通常情況下伸縮泡一枚, 呈圓形, 位于蟲體腹面中部靠近右緣棘毛處, 直徑大小為15—20 μm, 排空間歇為10—12s (圖版 Ⅰ-6、15、16)。在蟲體前端長有三根較粗、長的棘毛, 長30—50 μm, 輔助蟲體捕食及運動; 在蟲體背側長有較粗的背觸毛, 尾端長有三根較長的尾棘毛(長50—70 μm)(圖版 Ⅰ-3、4、7、8、11、12)。蟲體左右兩側各長有一列緣棘毛, 且右緣棘毛列比左緣棘毛列長, 左緣棘毛列由30—40根棘毛組成, 右緣棘毛列由40—50根棘毛組成, 長20—50 μm。貽貝棘尾蟲的腹面和兩側的纖毛均特化成棘毛, 有助于蟲體爬行、游泳、捕食等(圖版 Ⅰ-9、10; 圖版 Ⅱ-13、15)。活體觀察時可看見蟲體透明的, 橢圓形的大核, 小核難以觀察(圖版 Ⅰ-5)。經蛋白銀染色后, 可清晰看見大核分為上下兩核節, 分布于蟲體上部的核節, 被口圍帶形成的半環所包圍, 分布于蟲體的下半部的核節, 呈橢圓形, 長約60 μm、寬約35 μm, 小核緊挨大核, 約3—5枚(圖版 Ⅱ-1、9、10)。

表1 貽貝棘尾蟲、鬃異源棘尾蟲形態特征統計Tab. 1 Morphometric characteristics of Stylonychia mytilus (first line) and Tetmemena pustulata (second line) specimens

貽貝棘尾蟲口區約占蟲體的1/2, 口圍帶發達,呈問號狀(圖版 Ⅱ-3—5)。它是由口區小膜按照一定的順序有規律的排列而成, 通常是從蟲體的前部背側彎曲后延伸至蟲體的腹側, 然后小膜寬度逐漸變窄, 直至收斂至胞口, 口圍帶通常由60—80片小膜組成(圖版 Ⅱ-7、8)。額棘毛8枚, 呈橢圓形排列位于蟲體前1/3處; 腹棘毛5枚, 呈3+2排列, 位于蟲體中下部; 橫棘毛5枚, 分布在尾部; 尾端為三枚尾棘毛(圖版 Ⅱ-2、11、12)。共6列背觸毛, 1—4列背觸棘毛列彎曲幅度較大, 5—6列彎曲幅度較小, 其中背觸棘毛列1、2、4列延伸至體末端(圖版 Ⅱ-6、14)。口圍帶內側具兩條平行排列的波動膜, 分別是由橫向排列的多個纖毛組成的膜狀物, 可輔助蟲體攝取食物(圖版 Ⅱ-8)。

2.2 鬃異源棘尾蟲的形態學描述(表1、圖版 Ⅲ、圖版 Ⅳ)

蟲體的活體大小為(90—120) μm×(45—60) μm,長寬比約為2∶1。體形為長橢圓形、背腹扁平, 蟲體呈淺灰色, 靠近蟲體尾端部分含灰黑色顆粒, 直徑大小2 μm(圖版 Ⅲ-1、2)。活體觀察時可見細胞內質中含有大量球形顆粒, 其直徑大小為1.0—4.5 μm, 且具一明顯的伸縮泡, 位于蟲體腹部中部, 直徑大小為8—10 μm, 排空間歇不定(圖版 Ⅲ-3、4)。蟲體近尾端背部長有5根特化棘毛, 長度為15—26 μm(圖版 Ⅲ-5、7)。

纖毛圖式如圖版 Ⅳ所示, 具發達的口圍帶和波動膜, 前者起始于蟲體前端并后行繞至腹面, 約占蟲體長1/2, 每個蟲體口圍帶由約36片小膜組成, 每片小膜長4—8 μm, 波動膜長約60 μm(圖版 Ⅲ-5、6; 圖版 Ⅳ-9、12)。大核2枚, 分別位于體前端1/3和體后端1/3處, 呈橢圓形, 大小約為40 μm×15 μm; 小核兩至多枚, 圓形, 直徑約為6 μm(圖版 Ⅳ-2、9—11)。左緣棘毛列含約28—43根棘毛, 右緣棘毛列含約38—51根棘毛, 右緣棘毛列明顯長于左緣棘毛列(圖版 Ⅳ-3、13)。額棘毛8根, 腹棘毛5根(3+2),分布于蟲體中下部; 橫棘毛5根, 分布于蟲體近尾端(圖版 Ⅳ-1、2、10)。如圖版 Ⅳ-4—8, 為鬃異源棘尾蟲幾個代表性發生時期, 在發生早期, 前仔蟲中的口棘毛、額腹棘毛發生解聚, 且額腹棘毛解聚并發育成為前仔蟲的原基Ⅰ和原基Ⅱ, 形成5列棘毛原基(圖版 Ⅳ-4、5)。老的波動膜前1/3在發生早期會發生解聚, 后2/3保持不變, 當原位重建后其新形成的部分和未發生變化的部分重新拼接成前仔蟲的波動膜(圖版 Ⅳ-5、8)。后仔蟲的口區小膜從早期就開始出現演化, 在口后腹棘毛左側出現毛基體群, 隨著發生階段的進行, 口原基由上至下, 小膜由右至左依次組裝, 合成后仔蟲新的口區(圖版 Ⅳ-5、6)。當發生從中期進入末期時, 大核經過融合,已經再次分裂, 原始各棘毛原基也分化成前、后仔蟲新的結構(圖版 Ⅳ-7、8)。

2.3 尾草履蟲的形態學描述(表2、圖版 Ⅴ)

蟲體的活體大小約(150—250) μm×(60—100)μm, 長寬比約為2∶1(圖版 Ⅴ-1—5)。活體觀察時可見: 蟲體呈卵圓形或草鞋底形, 其橫截面為橢圓形,蟲體前端稍尖, 后端較鈍圓, 形狀較穩定, 蟲體淺灰色(圖版 Ⅴ-1、2)。在水中常常以身體縱軸為軸旋轉向前運動, 有時自由運動, 速度較快, 蟲體纖毛長6—8 μm, 其皮層下射出體較發達, 均勻有規律排布于皮膜下方, 射出體呈短棒狀, 長為7—8 μm(圖版Ⅴ-3、7)。大核一枚, 呈長橢圓形, 位于蟲體的1/2—2/3處, 長約為60 μm, 寬約為40 μm (圖版 Ⅴ-4、11、17)。蟲體內含有大量的內含物、食物泡、晶體、不明食物顆粒, 其位置不固定, 可自由移動(圖版 Ⅴ-5)。伸縮泡2枚, 分別位于腹面體前端1/3和體后端1/3處, 直徑約為10 μm, 2個伸縮泡交替伸縮, 排空間歇不固定, 6—10次/min, 收集管相對較發達, 每枚伸縮泡連接7—8條收集管(圖版 Ⅴ-1、6、8、9)。口區位于體中部, 向內凹陷, 直至胞口處, 其口區含有三片咽膜, 每片咽膜由4列毛基粒組成, 其口前縫合線和口后縫合線明顯(圖版 Ⅴ-7、1 3—1 5)。體纖毛排列緊密, 體動基列95—135列(圖版 Ⅴ-12、16、18)。

2.4 剛毛榴彈蟲形態學描述(表2、圖版 Ⅵ)

蟲體活體大小為(40—75) μm×(23—50) μm, 長寬比約為3∶2, 蟲體體形通常相對穩定, 在不同個體間稍有差別, 呈現為長橢圓形, 長卵圓形或圓柱狀,無明顯的背腹之分, 蟲體呈深灰色(圖版 Ⅵ-1—7)。細胞質含大量食物泡及色素顆粒(圖版 Ⅵ-4、5、7、9)。蟲體運動時多數以蟲體的縱軸為軸旋轉向前游動, 或是呈S形向前運動, 速度較快, 通常在相對污濁的水環境中數量較多。蟲體口區恒位于蟲體的最前端, 呈圓形, 其口直徑約為10 μm (圖版 Ⅵ-15)。伸縮泡單一, 通常位于蟲體亞尾端; 大核一枚,近圓形, 其直徑7—10 μm, 通常位于蟲體中部, 小核緊鄰大核(圖版 Ⅵ-1、7、12、13、14)。

盔板帶共有6圈, 分別為圍口盔板帶、頂端盔板帶、前主盔板帶、后主盔板帶、亞尾端盔板帶、尾端盔板帶, 每圈約有14塊無色長方形盔板組成(圖版 Ⅵ-8、9)。剛毛榴彈蟲盔板為雙孔形盔板,腎形。活體觀察中蟲體前端具有明顯的平截區, 在尾端盔板帶上長有兩根較粗的棘刺, 長2—3 μm(圖版 Ⅵ-1、9、11、13)。圍口盔板帶頂端逐漸變尖, 尾端盔板帶末端逐漸變尖, 呈刺狀, 其窗口數目較為恒定(圖版 Ⅵ-8、9)。頂端盔板帶有一逐漸變尖的末端, 使蟲體頂端平截, 呈皇冠狀, 個別盔板上著生有明顯的頂刺。前主盔板帶、后主盔板帶, 亞尾端盔板帶均具有四行窗口(圖版 Ⅵ-7—9)。在每兩個主盔板帶結合的地方, 蟲體寬度稍稍變窄, 每列盔板中脊較發達, 每一腎形窗口右側具脊, 左側邊緣較平滑(圖版 Ⅵ-10)。

口區開口于頂端。圍繞口的動基列環是由多對成對的毛基體所組成, 三個斜向口器靠近圍口纖毛環。口器Ⅰ有三對毛基粒組成, 口器ⅡⅢ 由四對毛基粒組成, 通常活體下難于觀察, 口圍籃由內口圍籃與外口圍籃組成。體纖毛均勻排布, 長6—7 μm (圖版 Ⅵ-3、7)。體動基列通常約為14列, 比較穩定(圖版 Ⅵ-12、13)。繁殖方式為典型的二分裂(圖版 Ⅵ-14)。

表2 尾草履蟲、剛毛榴彈蟲形態特征統計Tab. 2 Morphometric characteristics of Paramecium caudatum (first line) and Coleps hirtus (second line) specimens

3 討論

本工作報道的貽貝棘尾蟲哈爾濱種群和Ehrenberg[37]報道的原始種群及史新柏[16]所報道的種群相比, 形態特征基本吻合: 蟲體大小均約為200 μm×100 μm, 均具有發達的口區小膜, 6列背觸毛的排列方式相同。細微區別在于哈爾濱種群口圍帶平均由70片小膜組成, 而原始種群約60片小膜; 前者小核數目3—5枚, 后者1—7枚; 此外, 本工作對哈爾濱貽貝棘尾蟲的左右緣棘毛組成數目進行了補足性描述。

國內對鬃異源棘尾蟲該種報道過4次, 哈爾濱種群、武漢東湖種群、珠江種群和漠河種群, 其中漠河種群在形態及其發生方面描述較詳細, 且采樣地點與本文報道種群相近, 在此對2個種群進行比較如下[26—28]。本文報道的鬃異源棘尾蟲哈爾濱種群與Luo等[29]報道的鬃異源棘尾蟲漠河種群相比,二者在運動、體形、棘毛排列方式及數目上完全一致; 構成口圍帶的小膜數目、口區長度均為50 μm左右; 伸縮泡位置、大小、內質顆粒大小相近; 二者之間區別在于哈爾濱鬃異源棘尾蟲的左右緣棘毛數目普遍多于漠河鬃異源棘尾蟲的數目, 前者左/右緣棘毛數約為18/28, 后者左/右緣棘毛數約為17/24; 前者小核數目兩至多枚, 后者小核數目普遍為兩枚; 前者成蟲蟲體大小較穩定, (95—118) μm×(45—61) μm, 后者(45—125) μm×(25—85) μm, 波動范圍較大; 在發生模式上, 哈爾濱鬃異源棘尾蟲與漠河種群遵循同一種發生模式。哈爾濱鬃異源棘尾蟲作為異源棘尾蟲屬的模式種與棘尾蟲屬的模式種貽貝棘尾蟲相比, 前者在體形上前后端均鈍圓,后者前端明顯寬于尾端; 前者橫棘毛呈J形, 后者橫棘毛則分為兩組。

尾草履蟲為纖毛蟲一著名常見類群, 但基于現代分類學染色技術的尾草履蟲的形態學的詳細報道較少, 提供完備分類學信息僅見于潘旭明[30]描述的青島種群(發現于青島嶗山淡水湖), 本文報道的哈爾濱尾草履蟲種群與其相比, 共同點為二者2枚伸縮泡均分布于蟲體的兩端, 蟲體體形、大小相近,體動基列數均約為100; 皮層下射出體排列密集, 均呈短棒狀。不同點在于, 本文報道的尾草履蟲每枚伸縮泡連接7—8條收集管, 后者收集管數為10條;初步預測因兩種尾草履蟲生活環境、地理位置等條件不同, 從而導致尾草履蟲兩種群特征的細微差別, 但具體原因有待于下一步的深入研究。將同屬的綠草履蟲與其相比, 尾草履蟲體型略大[活體(150—250) μm×(60—100) μmvs. (70—110) μm×(40—55) μm], 體動基列較多(95—135vs. 70—85),且活體觀察時綠草履蟲可見蟲體內部含有大量綠色顆粒物質, 故種間差異較顯著[30]。

圖版Ⅰ 貽貝棘尾蟲活體照片PlateⅠ Morphology of Stylonychia mytilus

圖版Ⅱ 貽貝棘尾蟲蛋白銀染色照片(腹面觀), 示纖毛圖式PlateⅡ Morphology of Stylonychia mytilus after protargol impregnation (ventral views)

圖版 Ⅲ 鬃異源棘尾蟲活體照片Plate Ⅲ Morphology of Tetmemena pustulata

圖版 Ⅳ 鬃異源棘尾蟲的蛋白銀染色照片Plate Ⅳ Morphology of Tetmemena pustulata after protargol staining

圖版 Ⅴ 尾草履蟲活體(1—10)和氨銀法染色所得的纖毛圖式照片(11—18)Plate Ⅴ Paramecium caudatum (1—10) and silver carbonate staining (11—18)

圖版 Ⅵ 剛毛榴彈蟲活體(1—11)和氨銀法染色所得照片(12—15)Plate Ⅵ Coleps hirtus (1—11) and silver carbonate staining (12—15)

本文榴彈蟲與前人報道的剛毛榴彈蟲相比, 均具6圈盔板帶, 且前主盔板帶、后主盔板帶均為4行,每行盔板數14—16; 頂端盔板帶和亞尾端盔板帶均為2行, 以細菌、微小原生動物、藻類等為食; 體動基列數目相近, 約14列, 具有棘狀突起, 其盔板窗口均是雙窗口型盔板, 因此將本文榴彈蟲定為剛毛榴彈蟲[31—33]。且與Smith等[34]報道的美國種群、Bahatia[35]的印度種群及Perty等[36]的瑞士種群報道的剛毛榴彈蟲相比, 后者無棘狀突起。