2. 中国海洋大学水产学院 青岛 266003;
3. 江苏中洋集团 南通 226600
2. Ocean University of China, Fisheries College, Qingdao 266003 ;
3. Jiangsu Zhongyang Group, Nantong 226600
在鱼类早期发育过程中,其组织、器官及系统的发生发育伴随着重要结构和功能的改变,包括各项生理机能的从无到有,从不完善到完善的变化(Sánchez-Amaya et al, 2007; Padrós et al, 2011; 宋炜等, 2012),这些结构功能的出现对鱼类早期适应外界恶劣的生活环境,提高其存活率至关重要。在大多数鱼类仔鱼阶段,眼睛作为主要的感觉器官,在摄食、熟悉环境、逃避敌害、集群和洄游等活动中发挥着不可代替的作用(赵传絪等, 1989; 柴毅等, 2007)。深入研究不同发育时期鱼类视觉器官的发生发育,对了解其生理活动、生态适应性、仔鱼开口时间、最佳投喂时间和饵料选择上具有重大意义(胡先成, 2007)1)。目前,国内外关于鱼类眼睛视网膜结构和视觉特性的研究已有较多报道(柴毅等, 2007; 马爱军等, 2007; 史玲玲等, 2013; 李超等, 2014; Torisawa et al. 2007; Ali et al, 1977; Yúfera et al, 2014),而对于鱼类早期眼睛各个组织的发生发育研究报道极少。
1) 胡先成.河川沙塘鳢(Odontobutis potamophila)早期发育过程中的器官发生、营养代谢及其能量收支的研究.华东师范大学博士研究生学位论文, 2007, 26-35
美洲鲥学名美洲西鲱(Alosa sapidissima),属鲱形目(Clupeiformes)、鲱科(Clupeidae)、西鲱属(Alosa),主要分布在北美洲大西洋西岸、太平洋海岸的加州圣地亚哥到阿拉斯加及亚洲东南部等地区(Jordan et al, 1898; Jones et al, 1978; Moyle, 1976),典型的溯河产卵鱼类。美洲鲥肉质鲜嫩,丰腴肥美,含有丰富的必需氨基酸、不饱和脂肪酸、矿物质和微量元素(顾若波等, 2007),口感和味道可以与我国濒临灭绝的鲥(Tenualosa reevesii)相媲美,具有较高的营养价值,深受消费者青睐。自2003年美洲鲥引入我国至今,科研工作者已开展了大量的繁育攻关工作,养殖技术日益成熟,取得了较大的成果。目前,国外对美洲鲥繁育(Marcy et al, 1972; Shardo, 1995)、遗传多样性(Hasselman et al, 2013)及捕捞迁徙(Hasselman et al, 2013; Bethoney et al, 2013)等方面进行了研究,而国内主要集中在早期发育(Quinn et al, 1996; 张呈祥等, 2010; 洪孝友, 20111))及苗种培育(彭景书等, 2012; 吴文化等, 2004; 潘庭双等, 2006)等方面,对于美洲鲥早期发育过程中组织学研究报道匮乏(洪孝友, 2011)1)。本文通过对美洲鲥早期不同发育阶段眼睛组织学研究,旨在阐明美洲鲥视觉早期发生发育的机理,探讨其与摄食的关系,丰富美洲鲥早期发育的基础生物学资料,为开展美洲鲥人工苗种繁育和养殖提供相应的理论知识。
1) 洪孝友.美洲鲥早期发育的形态学及组织学观察.上海海洋大学硕士研究生学位论文, 2011, 31-40
1 材料与方法实验所用美洲鲥来自江苏中洋集团繁育中心,实验于2014年5月1日在江苏中洋集团进行。选取体质健壮、性成熟的3-4龄个体于产卵池中(700 m3),取同一批次自然受精卵置于锥形流水孵化缸中孵化,水流速为15-25 L/min,微量充气,保证卵上下浮动。孵化水温为(21.0±0.50)℃,每隔一段时间吸出坏死长霉卵。显微镜(NIKON YS100)下连续观察发育特征,记录发育时间,并在各个发育时期分别取100粒胚胎样品。孵化后仔鱼转移到室内5 t水泥池(2.5 m×2 m× 1.0 m)中。仔鱼3日龄开口,3-15日龄投喂淡水轮虫[优势种群为萼花臂尾轮虫(Brachionus calyciflorus)],密度为12-15个/ml;12-20日龄,添加桡足类和枝角类无节幼体,密度为15-20个/ml;20-35日龄,开始投喂大型桡足类和枝角类;自30日龄起,开始投喂山东升索微粒子颗粒饲料。仔稚鱼培育水温为(20.5±1.0)℃,溶解氧控制在6.0-7.5 mg/L, 氨氮控制在0.05 mg/L以下。每日定时清污,日换等温淡水1/3,培育用水为曝气3 d以上地下深井水。仔鱼孵化后至15日龄每天连续取样,16-42日龄,每隔1 d取样1次,45日龄取样1次。每次随机取样60尾,其中,15尾用于全长和眼径的测量,其余45尾和上述所取受精卵样本分别置于Bouin’s固定液中,室温固定24 h,70%乙醇多次换洗后保存备用。
取各个发育时期胚胎30粒,鱼苗15尾,常规乙醇梯度脱水、二甲苯透明及石蜡包埋,运用LeiCa RM2265轮转式切片机进行连续切片,切片厚度为4-5 mm,HE染色,中性树胶封片,NIKON YS100显微镜下观察拍照,应用Photoshop 5.0软件优化处理图片。
2 结果 2.1 美洲鲥胚胎期眼睛的发育受精21 h 13 min时,胚盘下包90%,神经褶在前端愈合膨大形成脑原基,在脑两侧区域形成对称的囊状突起即视泡(图 1-1)。
受精26 h 23 min,胚体进入器官分化期,脑在形态上分化成了端脑、前脑、中脑和后脑,此时视泡外皮向内凹陷,形成双层杯状结构即视杯;贴近视杯的表皮外胚层逐渐增厚内陷入视杯形成晶状体泡(图 1-2)。
受精35 h 44 min,耳囊、心脏原基出现,尾芽开始偏离卵黄囊。视杯内外两层细胞不断靠拢生长、增厚,最终两层腔缝消失,外细胞层发育成为视网膜色素上皮,内细胞层发育成为原始的视网膜。此时,晶状体泡开始分化,晶状体内层细胞不断向内生长、延伸,在中心部位聚集,形成原始晶状体(图 1-3)。
受精47 h 35 min,心脏跳动频繁,胚胎肌肉抽动。晶状体被单层立方上皮所包裹,其内皮细胞增生、变长,继续向内延伸,形成初级晶状体纤维。在眼腹面可见明显的脉络膜裂(图 1-4)。
受精60 h15 min,仔鱼出膜前期,胚胎转动明显,鳍原基全部出现,卵黄囊斑点状色素明显。角膜在视网膜前缘的瞳孔处形成,由单一的立方上皮构成。晶状体新生纤维继续向中央环绕(图 1-5)。
2.2 美洲鲥胚后眼睛的发育美洲鲥受精卵在(21.0±0.5)℃条件下,经过70 h 15 min大量孵化出膜。初孵仔鱼全长为(7.45±0.15) mm,眼径为(0.38±0.03) mm,此时,仔鱼眼不具色素,视网膜最内层细胞最先分化出来,形成神经节细胞,细胞排列不规则,多呈长圆形。新生晶状体纤维逐层添加到原有纤维外侧,晶状体体积不断增大(图 2-1)。
1日龄仔鱼全长为(7.91±0.23) mm,眼径为(0.39±0.01) mm,视网膜继续分化,在视网膜边缘出现一层薄薄的色素层,包含少量的黑色素颗粒;在视网膜色素层和神经节细胞层之间,可见排列紧密染色较深的外核层、厚度较宽细胞较大的内核层及着色较浅致密的内网膜层;聚集内部的晶状体纤维及其细胞核逐渐退化形成晶状体核,呈嗜酸性被HE染成深红色(图 2-2)。角膜立方上皮开始扁平化,视网膜外周的间充质细胞逐渐迁入预定角膜处和晶状体之间,在预定角膜处内侧形成一层薄的扁平细胞,即角膜内皮(图 2-3)。
2日龄仔鱼全长为(8.89±0.19) mm,眼径为(0.41±0.02) mm,巩膜形成,由软骨细胞层和弹力纤维组织构成,前端与角膜相连,与角膜共同包被整个眼球,起保护支撑作用;在巩膜和视网膜色素层之间,紧贴着巩膜内侧出现一层疏松的间充质组织,即脉络膜(图 2-4)。视网膜各层继续分化,最外色素层增厚明显,具大量的黑色素细胞。外界膜出现,由胶质细胞外侧突末端相互连接而成,分隔感光细胞内部与其细胞核。色素层与外核层之间出现视觉细胞层,为纯视锥细胞层,此时,色素层开始向视觉细胞层延伸。在外核层与内核层之间,形成染色较浅的薄层为外网膜层。内核层分化为3种神经细胞:最外侧的单层水平细胞、中部的双极细胞层和内部无长突细胞层(图 2-5)。
3日龄仔鱼全长为(9.20±0.15) mm,眼径为(0.42±0.03) mm,视网膜视觉细胞层出现视杆细胞,色素层扩展到视觉细胞层,遮蔽了部分视觉细胞的外段。视网膜神经纤维层形成,由外层的神经节细胞轴突组成,视神经纤维聚集成束形成视神经。在视神经纤维内侧内界膜形成,由胶质细胞内侧突末端相互连接而成,将视神经纤维和玻璃体分开,此时美洲鲥仔鱼视网膜分化完全,由自外向内的色素层、视觉细胞层、外界膜、外核层、外网膜层、内核层、内网膜层、视神经节细胞层、视神经纤维层和内界膜10层构成(图 2-6)。脉络膜开始向眼前缘延伸,在靠近角膜和瞳孔处形成1层薄薄的环形膜,即为虹膜,膜内含有零星的色素细胞(图 2-7)。
5日龄仔鱼全长为(9.52±0.29) mm,眼径为(0.45±0.01) mm,虹膜开始分化,虹膜基质层出现,由含有少量色素颗粒的疏松结缔组织构成;在预定虹膜处间充质细胞在基质层外侧发育为一层胶原纤维样结构,即前缘层;视网膜色素上皮向晶状体方向延伸,紧贴虹膜基质层形成虹膜色素层(图 2-8)。
6日龄仔鱼全长为(9.77±0.16) mm,眼径为(0.47±0.03) mm,脉络膜出现毛细血管,可见少量血细胞,为视网膜外侧区域提供营养;晶状体上皮不断增生、变长、形成新的次级晶状体纤维添加到晶状体核周围,晶状体纤维化明显(图 2-9)。
11日龄仔鱼全长为(11.83±0.32) mm,眼径为(0.51±0.04) mm,角膜分化明显,此时,角膜上皮发育为复层扁平上皮。在角膜内皮和复层扁平上皮之间分化出一层透明均质的薄膜,即前弹性膜,其内含微细的胶原原纤维和基质,不具再生能力。角膜后缘内皮细胞沿着虹膜向内延伸形成虹膜内皮层。晶状体可见明显的螺旋状纤维纹脉(图 3-1)。
13日龄仔鱼全长为(12.58±0.74) mm,眼径为(0.54±0.01) mm,脉络膜外层银膜出现(图 3-2)。
14日龄仔鱼全长为(12.85±1.28) mm,眼径为(0.62±0.05) mm,角膜的后弹性层由角膜内皮分泌形成,为一层透明的均质膜,较前弹性层薄,其具有弹性可再生。在前弹性层和后弹性层之间为角膜基质层,由粗细一致的胶原原纤维平行排列而成,内含角膜细胞。此时角膜分化完全,由自外向内的复层扁平上皮、前弹性层、基质层、后弹性层和内皮层5层构成(图 3-3)。
16日龄仔鱼全长为(15.00±1.76) mm,眼径为(0.66±0.02) mm,虹膜分化明显,基质层含有大量色素细胞,虹膜色素层上皮细胞呈现矮柱状;虹膜与角膜之间的腔隙称为前房,与晶状体之间的腔隙称为后房(图 3-4)。晶状体内部纤维层经HE染色变为黄色。巩膜外侧有丰富的肌肉层(图 3-5)。
20日龄仔鱼全长为(16.25±1.24) mm,眼径为(0.78±0.04) mm,虹膜继续分化,虹膜后缘层出现,为一层无细胞结构的透明膜(图 3-6)。
22日龄仔鱼全长为(18.05±1.74) mm,眼径为(0.92±0.08) mm,银膜继续增厚、延伸,呈现发达的线条形覆盖整个脉络膜,此时脉络膜结缔组织富含血管和色素颗粒;在眼背后部,银膜与血管膜之间,靠近视神经区域,可见明显的脉络膜腺(图 3-7)。
26日龄稚鱼全长为(21.3±1.55) mm,眼径为(1.15±0.05) mm,脉络膜色素贯穿整个脉络膜结缔组织层,此时脉络膜发育完全,由外向内依次为银膜层、血管层和色素层。虹膜基质层出现大量的肌肉纤维和色素,虹膜后缘层可见明显的色素颗粒,虹膜色素层继续向内延伸,富含大量的黑色素,其最外层为一层柱状细胞(图 3-8)。此时虹膜分化完全,由外向内依次为虹膜内皮层、前缘层、基质层、后缘层和色素层。45日龄幼鱼视网膜内核层具2层水平细胞(图 3-9)。此时,美洲鲥眼睛各个组织结构分化发育完全。
3 讨论在美洲鲥视觉器官发育过程中,视泡在原肠晚期既已出现,为对称的囊状突起。受精后35 h 44 min,原始视网膜和晶状体形成。这与大多数硬骨鱼类的发育时序相同(何滔等, 2012; 佟雪红等, 2011; 胡先成等, 2007)。由此可知,视网膜和晶状体的早期分化对鱼类早期视觉的形成至关重要。美洲鲥初孵仔鱼视网膜无色素和视觉细胞。2日龄仔鱼巩膜形成,由软骨组织和外围的纤维组成。3日龄仔鱼视网膜分化明显,具10层结构,原始脉络膜和虹膜出现,此时仔鱼已经具备了初始视觉成像系统。眼睛的早期分化和发育为其开口摄食提供了视觉上的保证。13日龄脉络膜外层银膜出现,其为鱼类所特有的,内含鸟粪素,可将射入眼球的微弱光线反射到视网膜上,这个结构的出现为仔鱼更好的适应弱光环境提供了保障。14日龄仔鱼角膜分化发育完全,此时仔鱼眼睛具备了较强的屈光能力,对外界刺激敏感。22日龄脉络膜腺出现,它对来自心脏的血液所产生的压力起缓冲作用,可以减少对视网膜的机械损伤,具有保护视网膜的作用。26日龄仔鱼脉络膜和虹膜分化发育完善,使外界反射的物象更加清楚,此时稚鱼具备完善的遮光、调节能力,活动更加敏捷。美洲鲥早期眼睛发育特点与条石鲷(Oplegnathus fasciatus)、河川沙塘鳢(Odontobutis potamophila)类似,但在发育时序上具有一定的差别(何滔等, 2012; 胡先成等, 2007)。
视网膜是形成视影像的重要组成部分,外界光能通过视网膜形成电信号,沿着视路传递到视觉中枢而形成视觉。视觉是鱼类进行摄食活动的重要感觉器官之一,其在摄食行为中主要体现在寻找和发现、辨认和选择、摄食方向和姿势调整(李大勇等, 1994)。美洲鲥2日龄仔鱼视网膜可见明显的视觉细胞层,由视锥细胞组成,这与其他鱼类的报道相同(柴毅等, 2007; 胡先成等, 2007; 史玲玲等, 2013; Wahl et al, 1993)。此时,美洲鲥仔鱼初具游泳能力,位于水层中上部,适于感应强光。3日龄稚鱼视网膜分化完全,具备10层结构,由外向内依次为色素层、视觉细胞层、外界膜、外核层、外网膜层、内核层、内网膜层、视神经节细胞层、视神经纤维层和内界膜,而软骨鱼施氏鲟视网膜仅分化为8层结构,缺少内、外界膜结构(史玲玲等, 2013),可见美洲鲥眼睛的结构分化更加复杂,在功能上可能强于施氏鲟。另外,高小强等(2015)研究发现,美洲西鲱仔鱼3日龄开口,初次摄食率高达46.6%,且美洲西鲱不同发育阶段一昼夜中摄食高峰存在差异,即4日龄仔鱼一昼夜具有1个摄食高峰,17日龄仔鱼一昼夜中具有两个摄食高峰,而28日龄稚鱼一昼夜则具有3个摄食高峰。结合本研究结果,美洲鲥仔鱼开口摄食时,视网膜已经分化完全,且视觉细胞层视杆细胞出现,使仔鱼具备了感受弱光的能力,从而为初次摄食提供了有效的保证;此后随着发育的进行,视杆细胞逐渐增多,角膜(14日龄)、虹膜(26日龄)和脉络膜(26日龄)的分化发育成熟,视觉系统逐渐发育完善,美洲鲥摄食能力不断得到加强,摄食成功率也不断提高。综上所述,美洲鲥的视觉发育与其摄食行为特性相适应。
不同生态习性的鱼类具备不同的视觉特性,如光感受系统发达的中上层鱼类具备4层水平细胞,而光感受系统不发达的底栖鱼类一般仅有1-2层水平细胞(Biaxter et al, 1970)。半滑舌鳎终生无分化的水平细胞(马爱军等, 2007),鳜仔鱼视网膜水平细胞仅为1层,属于光感受系统不发达种类(田文斐等, 2012)。潘庭双等(2006)研究表明,美洲鲥生殖洄游的亲鱼常活动于水体中下层,产卵后群体即行解散, 降河入海索饵和越冬,有些鱼苗在降河洄游时不会入海, 而只在海口深水层的洞穴里越冬。在本研究中,美洲鲥发育到幼鱼阶段内核层的水平细胞为两层,属于视觉系统不发达的鱼类,这与其生态习性相适应。
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