同域共存的两种平鳍鳅科鱼类消化系统的形态差异

胡佐灿 解崇友 蔡瑞钰 王志坚

(西南大学生命科学学院, 淡水鱼类资源与生殖发育教育部重点实验室, 水产科学重庆市重点实验室, 重庆 400715)

20世纪, 俄国生物学家高斯通过草履虫实验,验证了“竞争排除法则”[1]。因此, 经典共存理论认为: 物种的生态需求差异以及适应性的分化是维持物种共存的必要条件[2—4]。前人的研究证明, 同域共存的物种往往在食物组成和空间分布等方面存在分化, 从而减弱种间的竞争关系, 以达到稳定共存的目的[5—7]。MacArthur等[8]认为食物资源方面的竞争是物种多样性和物种进化的重要驱动因素。

消化系统在鱼类消化、吸收过程中扮演着重要的角色[9]。研究显示, 鱼类消化系统组成大致相同, 但因食性的不同, 各器官的形态各异。鱼类消化系统形态学、组织学和组织化学的研究能有效地反映不同种类间在生态习性上的差异[10—12]。因此, 了解共存物种特别是形态上相似的共存物种间的消化器官形态差异及其食性分化机制, 有助于解释物种间的分化过程和共存机制[13, 14]。

西昌华吸鳅(Sinogastromyzon sichangensis)和峨眉后平鳅(Metahomaloptera omeiensis)同属鲤形目(Cypriniformes)平鳍鳅科(Balitoridae), 分别是华吸鳅属(Sinogastromyzon)和后平鳅属(Metahomaloptera)的底栖急流性小型鱼类。2种鱼类外形相似, 目前仅凭鳃裂大小进行区分[15]。本文通过形态学、组织学和组织化学等方法对2种鱼类消化系统结构上的差异进行比较, 以期为进一步研究二者共存机制提供基础资料。

1 材料与方法

西昌华吸鳅和峨眉后平鳅于2016年11月至2017年9月, 采自藻渡河(长江支流綦江河的支流)贵州省狮溪河段。

1.1 形态学方法

选取西昌华吸鳅和峨眉后平鳅标本各80尾, 测量其体长、体重、消化系统重、肠长, 并计算比消化系统重、比肠长等消化道形态学指数。

1.2 组织学和组织化学方法

选取体重在(1.92±0.23) g的西昌华吸鳅和体重在(1.33±0.2) g的峨眉后平鳅鲜活成体鱼各10尾, 放于水族箱中暂养48h, 排空消化道, 经MS-222麻醉后解剖, 取口咽腔、食道、胃、前肠、中肠、后肠、肝胰脏, Bouin’s或Carnoy氏液固定, 乙醇逐级脱水后石蜡包埋, 进行组织切片, 厚度5 μm。常规HE染色或AB-PAS染色, 中性塑胶封片。随机选取各器官的切片10张, 用Nikon80i显微镜对30个视野进行观察拍照。

1.3 数据处理

用Image-Pro Plus 6.0图像分析软件测量消化道各段黏膜褶皱高度、肌层厚度及肠道中每10000 μm2上的杯状细胞数目。所得数据均以平均值±标准差(Mean±SD)表示。为避免以上指标受到鱼体重量的影响, 采用SPSS20.0, 以体重为协变量对所得数据进行方差分析, 当P＜0.05时, 差异显著。

2 结果

2.1 形态学结果

西昌华吸鳅和峨眉后平鳅消化系统均由消化道和消化腺组成。消化道起于口而止于后肠, 包括口咽腔、食道、胃和肠等4个部分。西昌华吸鳅和峨眉后平鳅均为弧形的下位口, 其前端有吻皮下包形成的吻沟, 上唇有8—10个乳突, 下唇乳突不明显。下颌前缘外展, 表面有角质化放射状的沟。由于泪骨的扩大, 侧筛骨发达, 因此口咽腔也较大。食道较短, 连接口咽腔与胃, 鳔管将其与胃分开。胃膨大呈U型, 可明显的分为贲门部、盲囊部和幽门部,胃腔从贲门至幽门先增大后减小, 幽门与肠道连接处胃腔骤然变窄。胆管在幽门最窄处连接肠的前段。西昌华吸鳅肠盘旋2回, 呈“φ”字形, 幽门至第一个转折为前肠, 两转折间为中肠, 第二转折后为后肠, 肠道呈粉红色, 由前至后逐渐变细(图版Ⅰ-1、Ⅰ-3)。胰脏弥散分布在肝脏中, 形成肝胰脏。肝胰脏紧贴肠系膜, 覆盖在消化管腹面。峨眉后平鳅肠道盘旋5—7回, 按长度平均分为前、中、后肠(图版Ⅰ-2、Ⅰ-4)。胰脏弥散在肝脏中, 包裹在消化管中间。总体而言, 西昌华吸鳅成鱼个体长度、体重均显著大于峨眉后平鳅(P＜0.05); 两者的比消化系统重无显著差异, 但峨眉后平鳅的比肠长显著大于西昌华吸鳅(P＜0.05)(表 1)。

2.2 组织学结果

通过切片观察比较发现, 峨眉后平鳅和西昌华吸鳅消化系统各器官组成相同, 但在肌层厚度、杯状细胞数目及黏膜褶皱高度上存在一定的差异。

口咽腔 西昌华吸鳅和峨眉后平鳅口咽腔从组织学结果看, 没有明显差异。口咽腔壁由黏膜层、黏膜下层和肌层构成。黏膜层向腔内突起, 形成短而钝的褶皱, 表皮为复层扁平上皮, 其间分布有大量球状和杯状的黏液细胞, 还散布着少量的味蕾, 味蕾呈卵圆形, 与固有膜一起伸入上皮中, 其顶端开口于口咽腔。黏膜下层极薄, 肌层发达, 由横纹肌组成(图版Ⅱ-1、Ⅱ-4)。

食道西昌华吸鳅和峨眉后平鳅的食道短,由内而外分为黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层。固有膜和黏膜层向管腔内突起, 形成高而多的黏膜褶皱, 黏膜上皮为复层扁平上皮, 黏液细胞数量多, 排列紧密, 褶皱顶端偶见味蕾分布。黏膜下层为疏松结缔组织, 其间有大量血管, 肌肉层为横纹肌(图版Ⅱ-2、Ⅱ-5)。两者相比, 西昌华吸鳅食道黏膜褶皱高度和肌层厚度均显著高于峨眉后平鳅(P＜0.05)(表 2)。

胃西昌华吸鳅和峨眉后平鳅的胃可分为贲门部(图版Ⅱ-3、Ⅱ-6)、盲囊部(图版Ⅱ-7、Ⅱ-10)和幽门部(图版Ⅱ-8、Ⅱ-11), 各部分都由黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层组成。胃的黏膜层为单层柱状上皮, 黏膜层上未见消化道其余部分常见的杯状细胞。胃腔内黏膜褶皱从贲门至幽门, 先降低后增高。贲门部和盲囊部前端固有层中, 密布单管状胃腺, 胃腺细胞排列工整, 其间可见着色较深的酶原颗粒。各腺管间被结缔组织分割开来, 开口于黏膜层下陷形成的胃小凹处。肌肉层均由平滑肌组成, 从贲门至幽门肌层逐渐增厚。两者相比, 西昌华吸鳅胃各部分黏膜褶皱高度和肌层厚度都显著高于峨眉后平鳅(P＜0.05)(表 2)。

肠西昌华吸鳅和峨眉后平鳅肠道由: 黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层构成。黏膜层向肠腔内突起形成黏膜褶皱, 褶皱高度从前肠至后肠渐趋平缓, 西昌华吸鳅肠道黏膜褶皱从柳叶状渐变为指状, 峨眉后平鳅则始终是指状, 肠上皮细胞为单层柱状细胞, 排列紧密, 前肠(图版Ⅱ-9、Ⅱ-12)游离端可见纹状缘, 其间散布杯状细胞, 杯状细胞数量从前至后逐渐增多。黏膜下层较薄, 为疏松结缔组织, 分布有大量血管。肠道肌层由平滑肌组成,肌层厚度由前肠至后肠(图版Ⅱ-14、Ⅱ-17), 先增厚, 后变薄。肌层分为环肌和纵肌, 内层环肌, 外层纵肌。浆膜层极薄, 由间皮和薄层结缔组织构成。2种鱼相比, 西昌华吸鳅肠道黏膜褶皱高度和中肠(图版Ⅱ-13、Ⅱ-16)肌层厚度, 显著大于峨眉后平鳅(P＜0.05)。其余组织学特征差异不显著(表 2)。

表 1 西昌华吸鳅和峨眉后平鳅消化系统指数比较Tab. 1 Comparison of digestive system exponent in Sinogastromyzon sichangensis and Metahomalotreta omeiensis

肝胰脏西昌华吸鳅和峨眉后平鳅肝胰脏由多边形至圆形的肝细胞形成的肝小叶集合而成。小叶间结缔组织不发达, 小叶中可见中央静脉,肝细胞和肝血窦围绕中央静脉向四周放射状排列,肝细胞间还有锥形至米粒形的胰腺细胞, 胰腺细胞较肝细胞着色深, 常聚集在血管旁。部分胰脏分布在肝脏之外, 紧贴肝脏, 由管泡状细胞组成, 卵带状折叠排列(图版Ⅱ-15、Ⅱ-18)。

2.3 组织化学结果

根据尹苗等[16]的分类方法, 按消化道黏液细胞与AB-PAS反应后的染色结果将黏液细胞分为4个类型: Ⅰ型为红色, AB阴性, PAS阳性, 含有中性黏多糖; Ⅱ型为蓝色, AB阳性, PAS阴性, 含有酸性黏多糖; Ⅲ型紫红色, AB与PAS均为阳性, 主要含有中性黏多糖; Ⅳ型为蓝紫色, AB与PAS均为阳性, 主要含有酸性黏多糖。西昌华吸鳅和峨眉后平鳅消化道各段黏液细胞类型及密度见表 3。

口咽腔黏液细胞类型西昌华吸鳅和峨眉后平鳅口咽腔内4种黏液细胞均有分布, 其中, Ⅰ型黏液细胞较少, 散布Ⅱ型、Ⅲ型黏液细胞, 以Ⅳ型为主(图版Ⅲ-1、Ⅲ-4)。

食道黏液细胞类型西昌华吸鳅和峨眉后平鳅食道内黏液细胞密布, 均为Ⅱ型和Ⅳ型黏液细胞, 未见Ⅰ型、Ⅲ型黏液细胞。细胞周围及黏膜褶皱间有大量被染成蓝色的黏液物质(图版Ⅲ-2、Ⅲ-5)。

胃黏液细胞类型2种鱼的胃经AB-PAS染色后, 黏膜上层单层柱状上皮尾部染色明显。西昌华吸鳅胃内4种黏液细胞都有, 贲门部Ⅲ型、Ⅳ型黏液细胞数量较多, 可见Ⅱ型黏液细胞, 偶见Ⅰ型黏液细胞, 部分胃腺被染成蓝色(图版Ⅲ-3); 从贲门部至盲囊部(图版Ⅲ-7), Ⅳ型黏液细胞比重逐渐变大, 至盲囊中部, 黏液细胞几乎都被染成蓝紫色, 胃腔中可见深蓝色黏液物质; 盲囊到幽门(图版Ⅲ-8),Ⅲ型黏液细胞数量增多, 幽门处以Ⅲ型、Ⅳ型黏液细胞为主, 可见Ⅰ型黏液细胞。

峨眉后平鳅胃内贲门部Ⅲ型、Ⅳ型黏液细胞数量较多, 可见Ⅰ型、Ⅱ型黏液细胞; 从贲门(图版Ⅲ-6)至幽门(图版Ⅲ-11), Ⅰ型和Ⅲ型数量逐渐增多, 盲囊部多为Ⅲ型黏液细胞(图版Ⅲ-10), 胃腔内常有蓝紫色黏液物质, 幽门处多以Ⅲ型黏液细胞为主, 可见Ⅳ型、Ⅰ型黏液细胞。

表 2 西昌华吸鳅和峨眉后平鳅消化道组织特点比较Tab. 2 Comparison of histological characteristics in the digestive tract of Sinogastromyzon sichangensis and Metahomalotreta omeiensis

肠道黏液细胞类型西昌华吸鳅和峨眉后平鳅肠道黏液细种类相似, 主要以Ⅱ、Ⅳ黏液细胞为主, 偶见Ⅲ黏液细胞, 未见Ⅰ型黏液细胞分布(图版Ⅲ-9、图版Ⅲ-12—16)。

3 讨论

3.1 消化系统结构的相似性

平鳍鳅科鱼类多栖息于山涧急流中, 以固着藻类和小型无脊椎动物为食, 因此西昌华吸鳅和峨眉后平鳅消化系统表现出一定程度的相似性。首先,二者口下位, 下颌角质化, 与其底栖刮食的生活习性相适应。此外, 他们均是有胃鱼类。胃是进行消化作用的重要场所, 具有碾磨压碎食物、分泌消化酶、使消化酶与食物充分搅拌等功能, 兼有机械消化和化学消化的作用[17]。过去的研究发现: 胃的形状随种类不同而异, 主要有直管型、“U”型和“Y”型[18]。西昌华吸鳅和峨眉后平鳅的胃呈“U”型, 与大鳍异 (Creteuchiloglanis macropterus)等[19—21]几种肉食性鱼类相同。笔者认为, 西昌华吸鳅和峨眉后平鳅的“U”型胃主要与其杂食性相适应, 与此同时,“U”型胃能够储存大量的食物, 增加食物在胃内停留的时间, 促进消化。

对2种鱼的消化系统进行AB-PAS染色, 结果显示二者在黏液细胞组成上基本相同, 消化道中以分泌酸性物质的Ⅱ型和Ⅳ型黏液细胞为主。酸性黏液物质不仅可以润滑食物, 同时在防止病原微生物侵入鱼体等方面发挥着重要的作用。这与大多数硬骨鱼的消化道黏液细胞组成类似[22—24]。

3.2 消化系统解剖学的差异

西昌华吸鳅和峨眉后平鳅的消化系统在形态上也存在明显的差异。观察发现, 二者在肠道盘绕方式上区别明显。西昌华吸鳅消化道盘绕方式简单, 盘旋2回, 呈“φ”字形, 肝胰脏覆盖在消化管腹面;峨眉后平鳅的肠道盘旋5—7回, 肠道盘绕复杂, 肝胰脏镶嵌在消化管之间。峨眉后平鳅更为复杂的肠道盘绕能增加肠道长度。80尾西昌华吸鳅和80尾峨眉后平鳅的肠道系数分别为1.17±0.18和1.37±0.20, 前者显著小于后者。虽有学者提出不同的看法, 但鱼类消化道指数已成为划分鱼类营养类型的重要形态学指标是不争的事实[25]。大多数学者认为, 鱼类的肠道系数与食性密切相关, 比消化系统重能间接反映鱼类的消化能力[26]。前人研究发现:凶猛肉食性鱼类比肠长均小于1, 杂食性鱼类, 肠道系数则介于1—3, 而碎屑食性鱼类的肠道系数在3以上[27]。西昌华吸鳅和峨眉后平鳅肠道系数介于1—3, 与其食性相适应, 但二者肠道系数的差异, 可能暗示着各自食性的偏好。由于植物中难以消化的纤维素含量较高, 因此与肉食性鱼类相比, 草食性的鱼类拥有更长的肠道, 以延长食物在肠道内的停留时间[25]。因此, 笔者推测与峨眉后平鳅相比,西昌华吸鳅更偏肉食性。比消化系统重的数据也支持这一假设, 西昌华吸鳅拥有更发达的消化系统,有助于储存和消化更大型的食物。这可能也是采样地西昌华吸鳅体长、体重显著大于峨眉后平鳅的重要原因。杨元昊等[28]对兰州鲶和鲶消化系统的比较得出了相似的结果。

表 3 西昌华吸鳅和峨眉后平鳅消化道黏液细胞种类Tab. 3 Types of mucous cells in the digestive tract of Sinogastromyzon sichangensis and Metahomalotreta omeiensis

3.3 消化道组织结构的差异

胃对食物碾压和搅拌的功能均与肌层厚度相关。对2种鱼胃内肌层厚度比较后发现, 西昌华吸鳅胃内肌肉层厚度显著高于峨眉后平鳅, 这表明与峨眉后平鳅相比, 西昌华吸鳅的胃可能具有更强的物理消化能力。同时, 西昌华吸鳅胃内黏膜褶皱高度也显著大于峨眉后平鳅, 较高的黏膜褶皱增加了食物与胃的接触面积。这些特征使得西昌华吸鳅能捕食和储存更多更大的猎物, 也具备更强的消化能力。鱼类消化道的组织结构能较好的反应鱼类的消化能力, 同时与其食性、栖息环境密切相关[29]。以上结果提示西昌华吸鳅和峨眉后平鳅在食性上有所差异。叶元土等[30]曾对长吻 和南方鲶进行比较时得出了相似的结论。

结合上述分析, 西昌华吸鳅和峨眉后平鳅虽然形态相似, 且都符合杂食性鱼类的特征, 但二者可能在食性上存在生态位的分化。西昌华吸鳅消化系统更为发达, 具备捕食和储存更多更大猎物的能力; 而峨眉后平鳅消化道更长, 肠道盘曲更为复杂,表现出偏植食性的杂食性鱼类的特征。二者食性上的具体差异, 有待进一步的研究。