周康奇,潘賢輝,牟春艷,鄭曙明
(1.西南大學,魚類繁育與健康養殖研究中心,重慶 402460;2.廣西水產科學研究院,廣西水產遺傳育種與健康養殖重點實驗室,南寧 530021)
魚類鱗片與哺乳動物的指甲、毛發一樣,都是由皮膚的原始干細胞經定向分化形成的衍生物,具有重要的生物學意義[1,2]。鱗片本身具有維持體形骨架、減少游動摩擦以及防御病原侵害等功能,其形態結構還可作為魚類分類特征、生長特征和生存環境的重要依據[3,4]。鱗片上分布著許多色素細胞,使得魚類呈現出不同的體色,魚類體表顏色在一定程度上具有保護自己、攻擊或迷惑對方以及逃避敵害的作用[5]。鱗片及其色素細胞一直是魚類學和魚類生理學重要的研究對象之一。通過對鱗片形態結構的研究,有助于鑒定魚類親緣關系以及判斷魚的生長狀況和培育效果[6,7];對鱗片色素細胞形態特征的觀察,可探索色素細胞的發育情況,為此可制定出合理的增色措施,對于觀賞魚的養殖具有重要的指導意義[8]。
血鸚鵡魚,隸屬于鱸形目(Perciformes)慈鯛科(Cichlidae),由紅頭麗體魚(Viejasynspila♀)和橘色雙冠麗魚(Amphilophuscitrinellus♂)雜交得到。其體幅寬厚尾柄短,鰭條柔軟,上下頜厚實無法閉合,長相似鸚鵡,全身體色通紅故名血鸚鵡,是一種被大眾喜愛的淡水熱帶觀賞魚,具有廣闊的市場前景[9]。血鸚鵡成長階段存在體色褪黑現象,體色有黑色-灰色-黃色-紅色四個過渡階段,前期褪黑不完全的血鸚鵡魚,后期進行揚色處理也無法將黑色褪去。為培育出體色均勻、色質通紅的血鸚鵡魚,國內諸多學者針對血鸚鵡的人工繁殖、養殖以及魚體增色機制等開展了大量研究工作[9-14],目前,關于血鸚鵡魚在生長各階段的鱗片及其色素細胞的顯微和超微結構觀察還未見報道。本試驗擬通過對生長各階段的血鸚鵡魚鱗片及其色素細胞顯微和超微形態進行研究,以闡述血鸚鵡魚鱗片及其色素細胞形態結構和生理機能的關系,探討血鸚鵡魚鱗片顯微和超微形態特征在分類學、生理學上的意義,旨在為血鸚鵡魚行為、分類、進化研究提供一定的理論依據,亦豐富血鸚鵡魚鱗片及色素細胞發育的生物學材料。
本試驗所用血鸚鵡魚從重慶南岸區海珍熱帶魚養殖場購得,包括黑色(7±0.5)cm、灰色(7.5±0.5)cm、黃色(8.5±0.5)cm和紅色(9.0±0.5)cm各20尾,暫養于西南大學動物科學學院魚類繁育與健康養殖中心水族箱(120 cm×60 cm×60 cm)中,養殖水溫25~28 ℃。
所用試劑:重鉻酸鉀、無水乙醇、戊二醛、PBS、四氧化鋨、環氧樹脂、醋酸鈾、枸緣酸鉛。
1.2.1 顯微觀察
分別挑選黑、灰、黃和紅4種體色血鸚鵡魚(圖1),要求色彩鮮艷、體型飽滿、體健無傷的活體試驗魚進行取樣。分別取背鰭起點垂直下方、側線、腹鰭基部和尾鰭基部處的鱗片。載玻片和蓋玻片用重鉻酸鉀浸泡24 h后取出,用清水清洗,放入75%乙醇的浸泡液中浸泡3~4 h備用。從浸泡液中取出取載玻片和蓋玻片,用軟布擦凈,再用膠頭滴管在載玻片上滴上適量蒸餾水,接著將清洗后的樣品放在上面;夾取一片擦凈的蓋玻片,傾斜45°與小水滴接觸,之后緩慢放下蓋玻片,輕按,保證蓋玻片下無氣泡。拍攝在Olympus BX51TF正置生物顯微鏡和CCD拍照系統自帶顯微圖像處理軟件配合下完成。

圖1 血鸚鵡魚生長階段體色變化
1.2.1 透射電鏡觀察
分別在4種體色血鸚鵡魚(活體)的背鰭起點垂直下方位置,將鱗片取下,用鋒利的雙面刀片的一側,將鱗片后緣中部切成1 mm×1 mm 正方形組織塊,即刻用牙簽將組織塊挑置于4%戊二醛(固定液)中固定,4 ℃保存。將樣本用0.1 mol/L PBS清洗三次,接著用1%四氧化鋨固定2 h,再用常規乙醇和四氧化鋨梯度脫水,環氧樹脂浸透、包埋、聚合,制備成0.5 μm厚度半薄切片光鏡定位后,再制備成60 nm厚度超薄切片,用醋酸鈾和枸緣酸鉛染色后即可觀察。樣品在JEM-1400PLUS型透射電子顯微鏡(日本HITACHI)下觀察拍照。
觀察發現血鸚鵡魚鱗片整體呈卵圓形,覆瓦狀排列,鱗片露出的部分的邊緣有密生的輻射型細齒。頂區和基區的凸起均較不明顯,橫軸和縱軸的比值接近1,為等比型鱗片(圖2-A)。低倍鏡下觀察鱗焦,其區域面積相對較小且平坦,為亞基位類型,鱗焦至基區邊緣距(r1)與鱗焦至頂區邊緣距(r2)的比值(r1/r2)介于30%~70%。高倍鏡下觀察到鱗焦為短嵴型,在鱗焦處有明顯的不規則短嵴(圖2-B)。
在鱗片的不同區域,鱗嵴的形態和排列方式存在差異。鱗嵴從鱗焦輻射開來,沿頂區邊緣呈波浪形狀排列。鱗嵴被鱗溝隔斷開,呈不連續分布。相對整體而言,頂區的鱗嵴較明顯,鱗嵴排列規則、緊密且始終清晰可辨。鱗嵴在靠近鱗焦處間距較大,在靠近頂區邊緣處間距較小。頂區的鱗嵴均有齒狀突起(圖2-C),但排列無規律疏密不一,基區鱗嵴整體間距比頂區和側區大,有些部分模糊、不規則、不完整 ,鱗嵴上的齒狀突起的較明顯,且更細長,甚至有的齒狀突起伸展出去,為細長的分枝狀。側區鱗嵴整體間距較頂區的大,但較基區的小,平直且清晰,呈平行、規則、均勻、緊密排列,鱗嵴及其齒狀突起的排列與基區相似。
鱗溝在頂區和兩個側區都有分布,但多集中在頂區。鱗溝大多從鱗焦出發,一直延伸到頂區的外緣或至中途消失;少數鱗溝從距鱗焦附近出發,中途消失。
觀察發現鱗片上有黑色素細胞、黃色素細胞、紅色素細胞和虹彩細胞4種色素細胞(圖2-C)。含色素區域主要呈半月狀分布在基區(圖2-A)。魚體各部位鱗片上的色素細胞形態、大小、數量有差異。在黃色和紅色魚體上,背鰭基部的鱗片上的色素細胞比其它部位個體大,顏色深,且分布較均勻;而黑灰色帶斑紋的魚存在這現象的鱗片處于斑紋處。在靠近基區的黑色素細胞個體較小,細胞直徑1~50 μm,呈球形或者樹突狀,分枝不明顯,色素顆粒聚集,細胞顏色較深(圖2-D);靠近鱗焦的黑色素細胞個體較大,細胞直徑60~150 μm,呈樹突或者放射狀,分枝明顯且細長,色素顆粒分散,細胞顏色呈黑色或者棕色(圖2-G)。
黃色素細胞位于黑色素細胞的下層,形態多樣,在魚體發育各階段細胞形態存在差異。黑黃色魚體上的黃色素細胞多為球形或圓點狀,細胞個體小,直徑20~40 μm,分布較均勻(圖2-E);黃色魚體上的黃色素細胞多為不規則的團塊狀,彌散分布著,細胞邊界不清(圖2-H)。紅色素細胞在個體較小的紅色魚體,色素細胞多為樹突或放射狀,細胞有明顯分枝,直徑20~120 μm(圖2-F);個體較大的紅色魚體,色素細胞間分界不清晰,細胞成片連接,細胞中心部分顏色較深,邊緣顏色逐漸變淺且帶有黃色(圖2-I)。虹彩細胞在40倍透射光下才能觀察到,它存在于其他三種色素細胞的間隙或者下層。呈現出多種色彩,有藍綠色、紫色、黃綠色或者其他顏色。形狀為小顆粒狀,少有分散,多成團分布在紅、黑、黃色素細胞周圍(圖2-C),其中多成團出現在放射狀黑色素細胞的中心處(圖2-D,圖2-G)。虹彩細胞在不同放大倍率顯微鏡下呈現細微的折射差異。

圖2 血鸚鵡魚鱗片及其色素細胞顯微結構
另外,在顯微鏡下觀察剛從實驗魚體取下的鱗片,分布在鱗片上的黑、黃、紅三種色素顆粒可隨細胞質的運動發生一些小范圍的移動,或者單個小顆粒在不停的閃動,而虹彩細胞未發現移動。
通過透射電鏡對樣品進行超微結構觀察,觀察到黑色素細胞和虹彩細胞內部的黑色素顆粒和反光體。黑色素細胞切割處理后在電鏡下可觀察到胞囊包裹著密集的黑色素顆粒群體,細胞外也有一些黑色素顆粒散落,黑色素顆粒呈球形或橢圓形,顆粒直徑0.2~0.8 μm(圖3-J、K、L、N中PG)。黑色素顆粒大概分為兩種狀態,一種普遍較大,顆粒較立體,顆粒邊緣顏色較深而內部顏色逐漸變淺(圖3-K、N中PG1);另一種形態較小,顆粒整體顏色較深且均勻,顆粒邊緣模糊不清(圖3-K、N中PG2)。在30 000倍電鏡下可觀察到在黑色素細胞的細胞質里(即黑色素顆粒之間)的線粒體,在黑色素細胞間發現質膜(圖3-N中Me)。
在電鏡下可觀察到虹彩細胞的結晶板,單個反光小板形狀為棍棒狀或桿狀,銀白色,長0.5~2.2 μm,其中每一個反光小板兩端有類似于小帽的頂端結構。反光小板平行排列,長短不一,反光小板反射出兩種亮度不同的銀白色光。細胞內平行排列的反光小板之間或周圍有許多小囊泡,直徑約0.2 μm(圖3-M)。

圖3 血鸚鵡魚鱗片及其色素細胞超微結構
通過25 000倍透射電鏡可觀察到血鸚鵡魚鱗片之間的細胞連接結構,包括橋粒、緊密連接和中間連接等。電鏡下的緊密連接封閉近官腔面細胞之間的空隙,中間連接位于緊密連接的下方,此處兩側有深暗的致密物質,兩側有微絲(microfilament)。橋粒位于中間連接的深部,呈橢圓形斑狀,每個橋粒緊緊貼在兩細胞間,間隙寬0.1~0.25 μm。橋粒較細胞質等周邊物質顏色深,每個附著斑之間的距離不等,附著斑上可清楚觀察到其周圍匯集很多張力微絲。在兩細胞膜間隙中央有一條與膜平行的中間線(intermediate line)(圖3-O)。
魚類鱗片為皮膚的衍生物,由真皮產生,由鈣質所組成,質地較堅硬,覆蓋在魚體體表,具有保護作用[15]。由于魚鱗含有大量的包括魚鱗膠原和羥基磷灰石在內的有效成分,所以被認為是十分具有潛力的生物材料[16]。本次試驗觀察血鸚鵡魚鱗片,判斷為等比型鱗片;露出細齒為輻射型;色素區域集中在基區,鱗溝多在頂區,鱗焦為亞基位型鱗焦,鱗焦為短嵴型,通過鱗片特征判斷屬于櫛鱗,分類地位與魚類學分類地位相一致[5]。血鸚鵡魚鱗嵴在各區排列方式不同,在頂區鱗嵴從鱗焦輻射開來,沿頂區邊邊緣呈波浪形狀排列,鱗嵴間隔較小;在基區和側區鱗嵴上的排列更均勻和規則,鱗嵴整體間距較大,李奇生等[17]研究認為發達的鱗嵴能夠保護身體、減少損傷和減少刺激。Delamater等[18]用掃描電鏡研究羅非魚等9種魚類鱗片的形態特征,認為齒狀粒突和鱗片后區的櫛齒具有種屬間的形態差異,能夠顯示各種屬間系統發育的親緣關系,有助于分類鑒定。本試驗在鱗嵴在各區也均發現有齒狀粒突,基區齒狀粒突更細長,但排列方式無規律,疏密不一。根據鱗嵴間距和齒狀粒突形態特征分析,血鸚鵡魚可能喜歡生活在水流緩慢的環境中。
根據色素細胞所含的色素顆粒、光反射器官及運動性等特性,可將色素細胞分為四類:黑色素細胞、紅色素細胞、黃色素細胞和虹彩細胞[19,20]。由于這4類色素細胞在魚體表層上的分布和數量有差異,所以可使魚體表顯現出不同的體色和斑紋[21,22]。本次通過光鏡觀察到黑色素細胞的兩種細胞類型:一種細胞體積小,色素顆粒集中顏色深,呈球形,分支細小;另一種細胞體積大,色素顆粒分散顏色淺、呈放射狀,分支長。徐偉等[23]、李小兵等[24]分別在鯉鯽魚鱗片和曼龍魚鰭上通過顯微鏡觀察的相類似的兩種黑色素細胞形態。徐偉等[23]認為這兩種類型的黑色素細胞是魚體鱗片表現出網紋結構的原因。李小兵等[24]認為體積小、分支少的色素細胞可能是處于生長期,而體積大分支粗大的一類是較成熟的黑色素細胞。Fujii[25,26]認為魚體在不同應激條件下會出現相應的應激反應,從而導致色素顆粒迅速的分散與集結;集結時魚體體表顏色變淺,分散時變黑。黑色素細胞易受到神經傳導物質神經荷爾蒙的影響使其收縮或舒張,收縮即黑色素顆粒沿著從細胞中心輻射出的微管向細胞中心移動,反之為舒張[17]。結合電鏡所觀察黑色素細胞的內部結構,發現黑色素細胞里的顆粒也有兩種類型:一種普遍較大,顆粒較立體,顆粒邊緣顏色較深而內部顏色逐漸變淺;另一種形態較小,顆粒整體顏色較深且均勻,顆粒邊緣模糊不清。黑色素細胞含有黑素蛋白,存儲在為黑色素的細胞器[25]。黑色素細胞含有高電子密度黑素蛋白沉積物,從而呈現出黑色[27]。Ida Djurdevic[28]對大理石鱒和褐鱒兩種大馬哈魚的皮膚進行了超微結構觀察,結果表明不同距離的色素細胞間的相互作用,能促進成熟色素細胞圖案的形成,色素細胞之間也是相互影響的。目前關于兩種黑色素顆粒形態還未見報道,推測呈現這兩種形態的黑色素顆粒存在三種原因:其一在光鏡下觀察色素顆粒,由于顆粒分為外層和內層,電子顯微鏡聚焦不同造成;其二每個色素顆粒處在生理的不同階段,較小形態的色素顆粒可能是正在退化、凋亡或者正在生長的階段,而較大形態的色素顆粒可能為最鼎盛階段[29];其三兩種形態色素顆粒確實為不同類型,其所含的化學成分等有微量不同,從而造成了顏色、大小、形態的差異。所以結合顯微和超微結構的觀察,推測黑色素細胞和顆粒呈現的兩種類型很可能是細胞和顆粒處在不同的生長階段、對應激產生反應及細胞間相互影響等多個因素共同作用的結果。
黃色素細胞有兩種類型,一類為黃素體(也稱蝶呤體),儲存碟啶;另一類為類胡蘿卜素小囊泡[30,31]。有研究表明:紅色素細胞和黃色素細胞區分不明確,是人主觀的根據黃素體和類胡蘿卜囊泡數量類型確定[28,31]。黃色素細胞和紅色素細胞在顯微觀察時較易判斷,電鏡觀察時較難區分,兩者的區別是按類胡蘿卜素囊泡和黃素體相對比例來區分的,且電鏡所見無法區分彩色,所以在透射電鏡觀察、區分紅、黃兩種色素細胞及其色素顆粒時,可能判斷會比較武斷[28]。也就是說,許多紅色素細胞的研究也許就描述了黃色素細胞非常相似的色素細胞超微結構。在本次顯微鏡觀察時也出現了紅色和黃色素細胞彌散交融在一起,兩者難以分清界限的現象(圖2-I)。本次電鏡觀察未觀察到黃素體和胡蘿卜素小囊泡結構,可能是由于切片不當造成的。
虹彩細胞又稱為白色素細胞或者鳥糞素[25],根據其大小可分為兩種:L型大小為10~20 μm,S型>50 μm,在光學顯微鏡下呈藍色、紫色或其他鮮亮顏色,形狀不規則,細胞核為橢圓形,細胞質具有多六邊形的反射板,能與水結合形成晶體鳥嘌呤,相互排列形成光反射層,反射光成色[32,33]。研究者曾在在鰈魚身上只觀察到了長六邊形S型的虹彩細胞,在斑馬魚皮膚上觀察到了S型藍紫色虹彩細胞和長六邊形S型虹彩細胞[32]。Ida Djurdjevic[28]在大理石鱒和褐鱒兩種大馬哈魚的鱗片和皮膚上也觀察到了以上兩種形態的虹彩,且L型虹彩細胞多存在于放射狀的黑色素細胞中心,與本次在血鸚鵡魚鱗片上觀察到的虹彩細胞類型、位置基本一致。本次研究未在血鸚鵡魚鱗片上發現S型的虹彩細胞,且虹彩細胞總體數量少、個體小,推測可能與血鸚鵡魚生活習性相關,如鯽、斑馬魚、大馬哈魚都是游動速度極快的魚類,喜歡生活在水流較急的水域里,身體顏色鮮亮,鱗片皮膚都有明顯反光的銀色,這種體色能更好地保護自己在水域里活動和躲避敵害,所以虹彩細胞比較發達,個體較大、數量較多,類型也較豐富;而血鸚鵡魚正好相反,喜歡在靜水中生活,游動不迅速,體色較前三種暗淡,所以虹彩細胞不是很發達,數量少、個體小。虹彩細胞的反光組織形狀為獨特的結晶板[34]。電鏡下觀察到的虹彩細胞內的結晶板完整時為灰白或銀白色,但被切割的結晶板反射出更耀眼的亮白色。這個現象說明有可能每個結晶板表面有一個包裹的類似于膜的物質,將嘌呤等內含物包裹其中,但依然能反射一定的光[35]。當結晶板被切割后,膜里面嘌內含物裸露出來反射更強的光,所以呈現更耀眼的亮白色。結晶板兩端觀察到有帽子狀的頂端結構,周邊具有線粒體和貼著質膜的小囊泡,我們推測這可能與結晶板的合成等生理機能有關。且在其細胞質內及色素顆粒間含有大量線粒體,推測線粒體可能與胞內色素顆粒的形成、變化有關。
魚的顏色是由很多種類不同的色素細胞疊合而來。種類不同的色素細胞在平面上的排列方式、立體的堆疊都會形成不同的色彩[27]。甚至有些是同一色素細胞內含有不同顏色的胞器進而產生不同的色彩(如紅色素細胞、黃色素細胞內所含不同比例的碟呤體和類胡蘿卜素小囊泡)。如劍魚(Xiphophorushelleri)的紅色素細胞同時存在兩種顏色不同的胞器,分別為紅棕色的碟呤體和黃色類胡蘿卜素小囊泡,使紅色素細胞呈橘紅色[36]。許多魚類如金魚、錦鯉等呈現雙閃的紅色和黃色,是由于紅色素細胞或黃色素細胞下面還存在的一層虹彩細胞的緣故。藍刻齒雀鯛(Chrysipteracyanea)呈現絢麗的藍色是由于雙層色素細胞的結構造成,體表虹彩細胞形成的藍色被排列在下方的黑色素細胞進一步強化,受到黑色素細胞的影響,虹彩細胞反射的藍色更加飽滿艷麗[37]。而如橘色等不屬于任何一種色素細胞本身的顏色,通常是由不同種類的色素細胞以平行排列、鑲嵌的方式形成。如頰鱗雀鯛(Pomacentruslepidogenys)中含有放射狀和圓形兩種不同的虹彩細胞,不同種類的虹彩細胞聚集成小于100 μm的團狀結構,當放射狀的虹彩細胞上覆蓋黃色素細胞時形成亮黃色色調,圓形虹彩細胞反射的光線多在藍色及綠色之間,兩種不同色素細胞形成的顏色宏觀上看起來就成了黃綠色[37]。位于黑色素細胞中心正上方的虹彩細胞形成藍色到黃色之間的顏色,而位于黑色素細胞樹枝狀分枝正上方的虹彩細胞則形成淡黃色,當虹彩細胞反射出的藍色與黃色同時存在時,魚體就出現綠色。本次試驗也觀察到類似現象,成團分布在紅、黑、黃色素細胞周圍(圖2-C)的虹彩細胞,以及位于放射狀黑色素細胞的中心處成團的虹彩細胞(圖2-D,G)呈現藍色到黃色之間顏色。
色素細胞具有移動能力,不同距離的色素細胞間能夠相互作用,能促進成熟色素細胞圖案的形成[30];細胞內色素顆粒也能移動。細胞內的胞器沿著細胞骨架(微管、微絲、中間線)進行有方向性的移動[25,38]。本次試驗在顯微鏡下發現鱗片上的黑、黃、紅三種色素顆粒可隨細胞質的運動發生一些小范圍的移動,細胞均能變形。如細胞膨大則色素展開,體色格外鮮艷,反之色素細胞收縮,色素隱沒,體色亦隨之暗淡或隱沒。魚類色彩、濃淡的變化是這些細胞擴散、收縮位移的結果。例如黃色素顆粒在擴散透色射光下呈淡黃色或橙色,收縮時變密集呈深橙色或紅色[5]。色素顆粒的運動系由節后神經纖維所控制,在魚類的延腦前方有一調節中樞,一旦受刺激,則全身黑色素細胞的色素顆粒集中而使體色變淡,同時在間腦也有一中樞起著與上述相反的頡頏作用[39]。更微觀地看來,魚受到外界刺激后產生應激反應后,通過神經-體液調節,細胞膨脹,囊泡體積變大,囊泡內色素含量減少,導致顏色發生變淡;反之細胞收縮后囊泡變小則顏色增加[40]。林永豐[27]認為黑色素細胞易受到神經傳導性物質與神經荷爾蒙的影響,使其收縮或擴張,收縮是黑色顆粒沿著細胞中心輻射出來的微管往細胞中心移動,擴張為黑色顆粒沿著微管向細胞外移動。電鏡下觀察到散落在細胞膜外的黑色素顆粒,推測這可能體現了色素顆粒胞吐的排出方式,這種分泌方式將黑色素顆粒從胞囊由內到外排出去,使色素顆粒產生集散,從而使魚的體色變淺或者變淡。
細胞連接是通過膜蛋白、細胞骨架或者胞外基質形成的細胞之間、細胞與胞外基質之間的連接結構,根據形式功能的不同,分為封閉連接、錨定連接和通訊連接。其中緊密連接是封閉連接的主要類型。錨定連接又分為與中間絲相關的錨定連接,比如橋粒和半橋粒;以及與肌動蛋白纖維相關的錨定連接,比如黏著帶和黏著斑[41]。橋粒是上皮細胞所特有的一種細胞間粘著結構,起到細胞之間連接作用。橋粒不僅為中間絲在細胞表面的主要錨定位點,還有傳導調節細胞行為的細胞內信號功能。橋粒是角質形成細胞之間的黏著連接結構,其表面的張力微絲可加強橋粒的韌性,即起到保持細胞形態的作用[42]。此外,鄭敏等[43]發現人體癌細胞不僅有表面的橋粒,而且都有胞質橋粒,胞質橋粒的形成在癌細胞完全分裂之后根據細胞自身機能的需要產生。本次研究通過電鏡,觀察到血鸚鵡魚鱗片的橋粒為表面橋粒。緊密連接、中間連接和橋粒三者通過聯合,形成了一個連接的復合體,將相鄰細胞細胞間以紐扣式把細胞連接起來,這樣與表面張力微絲共同作用,起到了增強細胞間結構的作用。