高原鼠兔和高原鼢鼠胃腸組織形態比較研究

蔡新成，包達爾罕，周 睿，馬義杰，董克池，花立民*

(1. 甘肅農業大學草業學院/國家林業草原高寒草地鼠害防控工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730070；2. 青海大學畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016)

胃腸道是哺乳動物消化系統主要的組成部分，對消化食物、獲取外界營養物質、維持體液和電解質平衡以及清除代謝廢物等具有不可替代的作用[1]。動物種類、棲居環境、能量需求、生活方式等差異都會影響動物的消化策略，從而引起動物胃腸道形態結構及其消化功能的適應性演化[2-3]。因此，研究胃腸道形態結構的適應性是理解動物食物消化、吸收及獲取能量機制的基礎，也是明晰生物體與環境相互作用的關鍵，具有重要的生理和生態學意義[4-6]。

嚙齒動物是一類高耗能小型哺乳動物。受其所處特殊生境食物資源的壓力，其胃腸道為高效利用食物資源，以適應環境變化的不確定性，演化出與環境變化相匹配的組織形態結構[7-8]。當前研究普遍認為食物資源和能量需求可顯著影響嚙齒動物消化道形態差異[6]，其中食物資源的差異是引起嚙齒動物種間消化道組織形態變化的主要原因。杜衛國等[9]和S?rensen等[10]比較了不同嚙齒動物胃腸道形態與食性的關系，發現植食性動物消化道長度及重量顯著高于雜食性動物[9-10]。Song等[11]的研究表明，布氏田鼠(Lasiopodomysbrandtii)在高纖維飼料喂養條件下比低纖維飼料喂養時有更長的小腸、盲腸和結腸，并且其胃、小腸、盲腸和結腸的重量也均高于飼喂低纖維飼料的布氏田鼠。此外，能量需求差異也是引起嚙齒動物胃腸道形態適應性改變的重要因素。研究發現，繁殖期棕色田鼠(Lasiopodomysmandarinus)和齊氏姬鼠(Apodemuschevrieri)由于能量需求的增加，它們胃腸道器官長度、重量、粘膜厚度和小腸管徑都有顯著增加趨勢[12-13]。社鼠(Niviventerconfucianus)在嚴寒季節面臨食物資源匱乏和能量需求增加的雙重壓力，必須通過及時調整消化道形態以增強低質量食物的消化吸收能力，進而補償額外能量的攝入[14]。

高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)和高原鼢鼠(Eospalaxbaileyi)是青藏高原高寒草甸兩種優勢植食性嚙齒動物，在高寒草地生態系統的物質循環和能量流動中承擔著極為重要的功能。高原鼠兔和高原鼢鼠常呈現同域分布，但二者地上、地下的棲息環境以及食性差異很大，因而對食物資源和能量脅迫的適應能力也不盡相同[15-16]。高原鼠兔隸屬兔形目(Lagomorpha)鼠兔科(Ochotonidae)鼠兔屬(Ochotona)，主要以穴居方式棲息在海拔3 200～5 000 m的高寒草甸[17]。通過地面采食植物地上部分鮮嫩的莖、葉、芽，多以禾本科和豆科類植物為主[18]。高原鼢鼠隸屬嚙齒目(Rodentia)鼴形鼠科(Spalacidae)凸顱鼢鼠屬(Eospalax)，主要以終生營地下生活的方式棲息在海拔3 200～3 800 m的地下封閉洞道系統，常年以采食雜類草植物地下根莖為主[19-20]。高原鼠兔和高原鼢鼠是典型的青藏高原土著嚙齒動物。在青藏高原高寒、短植物生長期的環境中，它們通過怎樣的胃腸道適應策略實現同域共存，并有效利用有限的食物資源以應對惡劣環境脅迫，目前人們對此還知之甚微。從文獻檢索發現，僅有王德華和王祖望分別對這兩種動物胃腸道形態的季節性變化進行了研究，結果表明高原鼠兔和高原鼢鼠胃腸道形態可隨季節性變化做出不同程度的適應性調整[21-22]。但這兩種動物胃腸道組織形態種內及種間的差異，以及其在適應高寒、低氧環境的取食策略，目前鮮有報道。基于此，本研究通過對比同時期成體高原鼠兔和高原鼢鼠胃腸道器官組織形態種內性別和種間差異，以探討其在高原環境中對食物資源和能量需求的適應對策。

1 材料與方法

1.1 試驗動物及采樣區自然概況

2020年10月上旬在甘南藏族自治州瑪曲縣河曲馬場高原鼠兔和高原鼢鼠同域分布的高寒草甸區(33°50′23″ N，102°08′48″ E)利用弓形鋏捕獲非繁殖期健康成年個體[23-24]高原鼠兔(8 ♀，7 ♂)和高原鼢鼠各15只(9♀，6 ♂)。

采樣區位于青藏高原東緣，海拔3 434 m，氣候高寒濕潤，晝夜溫差大，太陽輻射強，年均降水量615.5 mm，年平均蒸發量1 347.3 mm，年均氣溫1.2℃[25]。一年僅有冷、暖兩季，全年日照時數平均2 583.9 h，無絕對無霜期，植物生長期190 d[26]。草地類型為高寒草甸，以禾本科和莎草科為主，伴有其他雜類草。其中，高原鼠兔喜食植物為垂穗披堿草(Elymusdahuricus)、禾葉嵩草(Kobresiagraminifolia)及早熟禾(Poaceaeannua)等，而鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、蒲公英(Taraxacummongolicum)和箭葉橐吾(Ligulariasagitta)等是高原鼢鼠喜食植物[18-19,27]。

1.2 動物胃腸道器官形態指標測定

將捕獲的動物安樂處死。鑒定性別并測量體重及體長后解剖[6,28]。解剖時將動物置于干凈的滅菌解剖盤中，用手術剪配合鑷子從動物腹部向上縱向剪開，向上剪至頸部，向下剪至肛門，分別剪斷食管和直腸，將胃腸道完全取出。將取出的胃腸道仔細分離出胃、小腸、大腸和盲腸，剔出腸系膜及其他結締組織，然后將各器官在盛有生理鹽水的解剖盤內平展為自然狀態下的最大長度(不可拉伸)，用精度0.1 cm的直尺測量各部分長度。用濾紙干燥后，用精度0.01 g的電子天平對含有內容物的新鮮胃、小腸、大腸和盲腸進行稱重，即得鮮重。然后用手術剪縱向剪開各器官，移除內容物并用生理鹽水沖洗干凈。經濾紙吸干水分后，對胃腸道各部分(無內容物)進行稱重，即得凈鮮重。

1.3 數據處理及分析

為消除研究動物由于營養、發育等造成個體間體長和體重差異的影響，同時采用胃腸道相對長度(公式1)、相對重量(公式2)進行比較分析[29-30]。

(1)

(2)

試驗數據先用Excel 2016預處理，然后利用SPSS 19.0進行數據分析，用GraphPad prism 8.0完成繪圖。統計分析前進行正態性檢驗(Kolmogorov-Smirnov test)和方差齊性檢驗(Levene test)。動物胃腸道器官雌雄個體差異用獨立樣本t檢驗分析，種間差異用體重作為協變量進行協方差分析。文中數據以平均值±標準誤(Mean±SE) 表示，P<0.05即認為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 高原鼠兔與高原鼢鼠體長及體重

高原鼠兔與高原鼢鼠體長及體重測定結果如表1所列。結果顯示，高原鼢鼠體長及體重均極顯著大于高原鼠兔(P<0.001)。此外，高原鼠兔與高原鼢鼠體長及體重在性別間也存在顯著差異(P<0.05)，其中雄性高原鼠兔體長及體重顯著大于雌性(P<0.05)；雄性高原鼢鼠體長顯著大于雌性(P<0.05)，體重極顯著高于雌性(P<0.001)。

表1 高原鼠兔與高原鼢鼠體長及體重差異Table 1 Differences in body length and weight between plateau pika and plateau zokor

2.2 高原鼠兔胃腸道形態性別差異

高原鼠兔胃腸道各器官長度、鮮重、凈鮮重性別差異如圖1。獨立樣本t檢驗結果顯示，雄性高原鼠兔小腸長度顯著大于雌性(P<0.05)，盲腸鮮重顯著高于雌性(P<0.05)，其他胃腸道各器官長度、鮮重和凈鮮重均表現出雄性大于雌性，但差異均不顯著。

圖1 高原鼠兔胃腸道器官組織形態性別差異Fig.1 Gender differences of gastrointestinal organs morphology in plateau pika

對高原鼠兔胃腸道各器官相對長度和相對重量進行對比后發現，其胃腸道各器官相對長度和相對重量在性別間均不存在顯著性差異(表2)。

表2 高原鼠兔胃腸道相對長度和相對重量性別差異Table 2 Gender differences in the relative length and relative weight of the gastrointestinal tract between plateau pika

2.3 高原鼢鼠胃腸道形態的性別差異

高原鼢鼠胃腸道各器官長度、鮮重、凈鮮重性別差異如圖2。獨立樣本t檢驗結果顯示，雄性高原鼢鼠胃凈鮮重顯著高于雌性(P<0.05)，小腸長度極顯著大于雌性(P<0.01)，大腸鮮重和凈鮮重極顯著高于雌性(P<0.01，P<0.001)，盲腸長度顯著大于雌性(P<0.05)，其他胃腸道各器官長度、鮮重和凈鮮重都表現出雄性大于雌性，但均沒有顯著差異。

圖2 高原鼢鼠胃腸道器官組織形態差異Fig.2 Gender differences in gastrointestinal organs morphology of plateau zokor

對高原鼠兔胃腸道各器官相對長度和相對重量進行獨立樣本t檢驗后發現，除雄性高原鼢鼠大腸相對重量極顯著高于雌性外(P<0.01)，其他胃腸道各器官相對長度和相對重量在性別間均不存在顯著性差異(表3)。

表3 高原鼢鼠胃腸道相對長度和相對重量性別差異Table 3 Gender differences in the relative length and relative weight of the gastrointestinal tract between plateau zokor

2.4 高原鼠兔與高原鼢鼠胃腸道形態差異

高原鼠兔與高原鼢鼠胃腸道各器官長度、鮮重、凈鮮重差異如圖3。協方差分析結果表明，高原鼠兔與高原鼢鼠胃腸道各器官長度存在極顯著種間差異，其中，高原鼠兔小腸和盲腸長度極顯著大于高原鼢鼠(P<0.001)，而其胃和大腸卻極顯著小于高原鼢鼠(P<0.01)；兩者胃腸道各器官鮮重對比結果顯示，高原鼢鼠胃腸道各器官鮮重均高于高原鼠兔，其中大腸鮮重顯著高于高原鼠兔(P<0.05)；對于凈鮮重，除高原鼠兔盲腸凈鮮重顯著高于高原鼢鼠外(P<0.05)，其他胃腸道器官凈鮮重均低于高原鼢鼠，但差異不顯著。

高原鼠兔與高原鼢鼠胃腸道各器官相對長度和相對重量也存在顯著差異(表4)。獨立樣本t檢驗分析結果顯示，高原鼠兔小腸、盲腸相對長度極顯著大于高原鼢鼠(P<0.001)，而其胃、大腸相對長度極顯著小于高原鼢鼠(P<0.001)；兩者胃腸道器官相對重量分析中，除高原鼠兔盲腸相對重量極顯著高于高原鼢鼠外(P<0.001)，其他胃腸道器官相對重量均低于高原鼢鼠，且小腸和大腸極顯著低于高原鼢鼠(P<0.01，P<0.001)。

圖3 高原鼠兔與高原鼢鼠胃腸道器官組織形態差異Fig.3 Differences of gastrointestinal organs morphology between plateau pika and plateau zokor注：以體重為協變量的協方差分析,數據用矯正平均值±標準誤表示，下同Note:In the analysis of covariance with weight as the covariate,the data is expressed as the corrected mean±standard error,the same as below

表4 高原鼠兔與高原鼢鼠胃腸道相對長度和相對重量差異Table 4 Differences in the relative length and relative weight of the gastrointestinal tract between plateau pika and plateau zokor

3 討論

胃腸道作為嚙齒動物消化食物和吸收營養的主要場所,在動物適應能量消耗增加或食物質量降低等發揮重要作用[31]。已有研究表明，嚙齒動物胃腸道形態結構與其生存環境密切相關[28,32-33]，不同物種或同種動物不同性別、不同生長季節以及不同生理狀態由于所處生境能量收支差異會導致動物胃腸道各器官的形態結構和功能發生代償性變化以適應食物資源和能量需求的改變[34]。因而，胃腸道形態特征可作為動物所處生境能量壓力水平的指示指標[6]。本研究對高原鼠兔和高原鼢鼠胃腸道組織形態對比研究后發現，高原鼠兔與高原鼢鼠胃腸道形態存在明顯的種內性別和種間差異，但不同器官表現的差異并不一致。總體而言，同種嚙齒動物雄性動物消化道較雌性發達，而種間兩種動物消化道各器官形態存在代償性差異。

胃腸道形態結構的差異，能使動物消化吸收功能和動物需求相匹配從而適應環境[5]。呂建偉等[35]研究發現，低溫環境下的嚙齒動物通過增大胃腸道容納量和吸收面積來增加食物消化吸收效率，以此更好地適應其在高體溫調節下的能量需求。高原鼠兔和高原鼢鼠均生活在寒冷低氧的高原環境，但由于兩種動物生存方式不同，其面臨的能量壓力也存在差異。有研究認為消化道前腸(胃和小腸)部位大小可反映動物遭受能量壓力水平[36]。本研究中，高原鼠兔小腸長度及相對長度顯著大于高原鼢鼠，而胃和小腸其他指標均小于高原鼢鼠。胃是食物暫存并進行初步消化的場所，胃的大小一般與食物質量和能量需求有關，較大的胃可提高動物單次攝食量，增強對低質量食物的初步消化能力[34]。小腸是營養吸收的主要部位，其形態反映了動物能量需求，較長的小腸可延長食物滯留時間有利于食物的充分吸收[21-22]。高原鼠兔為高代謝小型哺乳動物，日常采食因躲避天敵能量消耗巨大，較長的小腸保證了高原鼠兔生存的能量需求。而高原鼢鼠長期生存在地下環境，雖不用因捕食風險而消耗能量，但其掘土覓食的過程能量消耗高于高原鼠兔，利用較發達的胃，通過提高單次食物攝入量來縮短覓食時間，從而節省高原鼢鼠采食耗能，較重的小腸表明單位面積下小腸的吸收能力較大，彌補了高原鼢鼠小腸長度對食物營養吸收的限制。

食性是嚙齒動物長期進化和自然選擇的結果。食性不同能反映胃腸道形態的差異，也是引起動物種間胃腸道形態變化的主要原因[37-38]。陳文文等[39]研究發現，食性以植物莖葉為偏好的安氏白腹鼠(Niviventerandersoni) 胃腸道容積、長度和重量均大于以種子和動物性食物為主的高山姬鼠和中華姬鼠(Apodemusdraco)。此外，食性的差異對嚙齒動物后腸影響最大，后腸可作為檢驗嚙齒動物食性的指標[40]。柳勁松等對棕背(Myodesrufocanus)、林姬鼠(Apodemusspeciosus)和黑線姬鼠(Apodemusagrarius)三種嚙齒動物消化道形態的研究也驗證了這一點，認為后腸對食性和食物質量比較敏感，較大的盲腸有利于微生物充分分解食物纖維，較長的大腸能提高對食物殘渣營養物質的再吸收效率[34]。本研究結果顯示，高原鼠兔盲腸長度、相對長度、凈鮮重、相對重量顯著大于高原鼢鼠，而其大腸長度、相對長度、鮮重及相對重量顯著小于高原鼢鼠。高原鼠兔和高原鼢鼠同屬高寒草甸植食性動物，但營養生態位存在明顯分離。高原鼠兔主要以禾本科、莎草科和豆科植物地上莖葉為食，而高原鼢鼠因常年營地下生活，食物主要以雜類草植物根莖為主[41]。植物根莖相對于莖葉含有更高的纖維素。高原鼢鼠以植物根莖為食，其食物纖維素含量大于高原鼠兔采食的莖葉食物。因此，高原鼢鼠理應具有比高原鼠兔更為發達的盲腸來消化高纖維食物。然而，本研究結果與此相反，高原鼠兔盲腸形態指標顯著大于高原鼢鼠，其原因可能是高原鼢鼠發達的大腸提高了纖維食物經后腸發酵后營養物質的再吸收能力，補償了其較小盲腸利用微生物分解纖維素的不足。本研究發現高原鼠兔盲腸相對長度和相對重量極顯著高于高原鼢鼠而大腸相對長度和相對重量極顯著小于高原鼢鼠的結果，也證實了高原鼠兔和高原鼢鼠后腸存在代償性差異這個推測。

同物種個體胃腸道形態結構主要受食物質量和能量需求差異的影響。Valle等[42]研究發現，低質量飲食會使嚙齒動物胃腸道長度顯著增加，獲能過程中可通過腸道尺寸的增加來補償低質量飲食造成消化率降低的不足。Speakman[43]和Zhang等[44]對繁殖期嚙齒動物胃腸道形態變化特征進行了研究，結果表明，雌性動物在適應繁殖期高耗能過程中會通過增加胃腸道容積、長度和重量的方式提高對食物攝入、消化和吸收的能力以滿足繁殖期額外能量的需求。本研究結果表明，兩種動物雌雄個體胃腸道形態差異明顯，其中雄性高原鼠兔小腸長度、盲腸鮮重顯著大于雌性，雄性高原鼢鼠胃凈鮮重、小腸與盲腸長度、大腸鮮重、凈鮮重及相對重量顯著高于雌性。本研究高原鼠兔和高原鼢鼠均生活在同一區域，同種動物雌雄個體棲息環境和食物資源一致，理論上兩種動物胃腸道形態的性別差異受食物質量影響很小。加之，試驗動物胃腸道取樣時間均為非繁殖期，其胃腸道形態的性別差異也不會因為繁殖期高耗能引起。有研究表明，除食物質量和短暫性高耗能生理狀態外，嚙齒動物的體重、活動模式等也會導致能量需求的差異，進而影響其胃腸道形態結構[45]。本研究發現高原鼠兔與高原鼢鼠雄性個體體長和體重顯著大于雌性，體型不同會導致雌、雄個體基礎能量需求的差異[46]，進而引起動物性別間胃腸道形態的區化。此外，無論高原鼠兔還是高原鼢鼠，雄性相比雌性具有更強的活動能力[47-48]，能量支出都大于雌性。為平衡日常額外能量收支，雄性動物演化出比雌性更為發達的胃腸道。因此，本研究認為高原鼠兔和高原鼢鼠胃腸道形態的性別差異是對雌雄個體間不同基礎代謝和活動強度的適應。高原鼠兔小腸長度和盲腸鮮重性別間差異顯著，這表明雄性高原鼠兔通過采用延長小腸，增加食靡滯留時間和增加攝食量的方式應對能量需求的增加。高原鼢鼠也通過改變小腸長度適應性別間差異化的能量需求。此外，其雄性個體胃凈鮮重、大腸凈鮮重和盲腸長度還顯著高于雌性，這可能是由于地下環境食物資源相對匱乏，相比雌性，雄性高原鼢鼠為滿足能量需求，大量攝食過程中不得已將其食譜拓寬至更難消化的高纖維植物根系，其胃凈鮮重的增加提高了胃的初步消化能力，盲腸長度的增加擴展了微生物對高纖維植物發酵容積，大腸凈鮮重增加提高了食物殘渣營養再吸收效率，使雄性動物能有效適應其生境壓力和能量需求的脅迫。

4 結論

本研究對比了高原鼠兔和高原鼢鼠胃腸道器官形態，發現高原鼠兔和高原鼢鼠兩個物種的前腸和后腸因其種間能量需求和食性的不同存在代償性差異；同一物種雌、雄個體均通過改變小腸長度來適應性別間差異化的能量需求。