（神经生物学专业论文）甘肃鼢鼠（myospalax+cansus）的视器结构及辨色能力研究.pdf

甘肃鼢鼠( m y o s p a l a xc a n s u s ) 的视器结构 及辨色能力研究 戴月琴 甘肃鼢鼠是我国黄土高原特有的营地下生活的鼠类，终年生活在地下黑暗的 洞道内，很少在地面活动，其洞穴呈封闭状态，生活的空间格局对其身体结构、 生理机能及感觉器官产生了深刻的影响，经过长期的适应进化，其感觉系统的形 态结构和功能发生了巨大变化，其中最为显著的是视觉退化，跟萎缩，眼球直径 与体长之比远远小于地面活动的啮齿动物。 前期研究发现，将甘肃鼢鼠暗适应一段时间后，暴露于光下，脑区视觉相关 核团c - f o s 蛋白表达强烈，说明甘肃鼢鼠能够处理光信息。本研究应用行为学、 形态学、神经解剖学、免疫组化、免疫荧光等生物学技术，对甘肃鼢鼠的视器结 构和辨色能力作了研究，旨在探讨甘肃鼢鼠能否区分不同波长的光，结果表明： 尽管甘肃鼢鼠长期生活在地下，眼球并没有完全退化，仍存在眼睑、角膜、 虹膜、晶状体、巩膜、脉络膜及视网膜等基本结构，说明甘肃鼢鼠能够适应短期 的地面活动。 对甘肃鼢鼠视网膜超微结构的研究发现，感光细胞结构完整，具有大量的感 光细胞胞体，突触终末有大量突触小带结构，而向大脑传输视觉信息的神经节细 胞稀疏，说明甘肃鼢鼠能够接受光学信息，光学信息在视网膜内进行了大量整合， 到达脑部的信息较少。视网膜色素颗粒代谢旺盛，四期色素颗粒同时大量存在。 因此，可以对视网膜起到保护作用，防止甘肃鼢鼠偶尔地面活动时，强光对视细 胞有损害作用。与其他地面活动的啮齿动物相比，甘肃鼢鼠视网膜结构最明显的 特征是神经节细胞稀疏，远远少于地面活动的啮齿动物，通过对其视网膜超微结 构的研究发现，少量神经节细胞显现出凋亡特征，说明部分神经节细胞凋亡可能 是甘肃鼢鼠神经节细胞稀少的原因。 通过免疫荧光技术，运用b l u e s e n s i t i v eo p s i n 虻1 4 3 6 3 和o p s i nr e d g r e e n a b - 5 4 0 5 分别标记对短波长敏感的视锥细胞色素蛋白( s 视锥细胞) 及对长波长敏 感的视锥细胞色素蛋白( i ，视锥细胞) ，结果表明甘肃鼢鼠存在两种类型的视锥细 胞，即含有大量s 视锥细胞和少量l 视锥细胞。因此甘肃鼢鼠为典型的二色视者， 具有区分不同波长光的能力。 甘肃鼢鼠对不同波长的光刺激具有不同的行为反应。在红光与蓝光下的活动 行为差异显著，在红光环境的活动频率高于在红光环境下的活动频率。 用不同颜色光刺激甘肃鼢鼠后，其脑区相关核团及后扣带皮质均有c - f o s 蛋 白表达，说明甘肃鼢鼠有感受光的能力。两种不同波长的光刺激后，c f o s 蛋白表 达差异极其显著，进步证明甘肃鼢鼠具有区分不同波长光的能力。 总之，甘肃鼢鼠的视觉器官结构能适应其短时闷的地面活动，具有感受光刺 激的能力，并能区分不同波长的光，但对于其是否具有成像功能有待于进一步研 究。 关键词：甘肃鼢鼠视觉器官辨色能力感光细胞c f o s n t h es t r u c t u r eo fv i s u a lo r g a ni nm y o s p a l a xc a n s u sa n dt h es t u d y o fc o l o rd i s c r i m i n a t i o n y u e q i nd a i m y o s p a l a xc a t t s u $ i st h er o d e n tt h a tl i v e su n d e r g r o u n d ，i tl i v e si nd a r kt u n n e lw i t h ac l o s ee n d ，a n ds u r f a c ea c t i v i t yi sr a r e l y a sar e s u l t ，t h eb o d ys t r u c t u r e 、p h y s i o l o g i c a l f u n c t i o na n dt h es e n s eo r g a na r ea f f e c t e dd e e p l yb yt h el i v i n gc o n d i t i o n s t h es t r u c t u r e a n df u n c t i o no ft h es e n s es y s t e mc h a n g e de n o r m o u s l ya f t e rl o n gt i m ea d a p t a t i o n a m o n gt h o s ec h a n g e s ，e y e sd e g e n e r a t i o ni st h em o s td i s t i n c t i v e t h ee y e sa l ea t r o p h i c a n dm u c hl e s st h a no t h e rr o d e n t sw h i c hm o v e sa b o v eg r o u n d i np r e v i o u ss t u d i e s ，m o s to ft h ev i s u a ln u c l e u ss h o w e ds t r o n gc f o se x p r e s s i o n w h e nm y o s p a l a xc a r $ n 5w a ss t i m u l a t e db yl i g h ta f t e rf o s t e r i n gi nd a r k n e s s ，i n d i c a t i n g t h a ti nm y o s p a l a xc a n s u 5t h eb r a i ni sa b l et op r o c e s sl i g h ti n f o r m a t i o n ，i na t t e m p tt o c l a l i f yw h e t h e ri ti sa b l et od i s t i n g u i s hd i f f e r e n ts p e c t r u m ，m a n yb i o l o g i c a lt e c h n o l o g y a n dm e t h o d s ，s u c ha se t h o l o g y , m o r p h o l o g y ，n e r v o u sa n a t o m y ，i m m u n o h i s t o c h e m i s t r y a n di m m u n o f l u r e s c e n c e ，w i l lb ea p p l i e di nt h i sp r o j e c tt os t u d yt h ev i s u a ls y s t e mo f m y o s p a l a xc a n s u $ i th a sb e e ns h o w n h o w e v e r , t h a tm y o s p a l a x c a n s u 5i ss u b t e r r a n e a n r o d e n t st h a ta l er a l e l ye x p o s e dt oe n v i r o n m e n t a ll i g h t ，t h ee y e sa r es t i l le x i s t e n t , y e t p o s s e s st h eb a s i cs t r u c t u r e s ：e y e l i d 、c o r n e a 、i r i s 、l e n s 、c h o m i dl a y e ra n dr e t i n a , s u g g e s t i n gt h a tm y o s p a l a x c a n s l i sa d a p t i v et os h o r t - t e r ms u r f a c e - d w e l l i n gh a b i t a t u l t r as t r u c t u r eo ft h er e t i n as h o w st h a tp h o t o r e c e p t o r si nm y o s p a l a xc a n s u sa r e i n t a c t a n dt h e r ea r el o t so fp h o t o r e c e p t o rb o d i e si nt h eo u t e rn u c l e a rl a y e r ( 0 n l ) l a r g en u m b e r so fs y n a p t i cr i b b o n sa r el o c a t e di nt h eo u t e rp l e x i f o r ml a y e r ( o p l ) w h i l e t h eg a n g l i o nc e l l sw h i c ht r a n s f e r sl i g h ti n f o r m a t i o nt ot h eb r a i na l es p a r s e , i n d i c a t i n g t h a tl i g h ti n f o r m a t i o nw e r ed i s p o s e di nt h er e t i n aa n df e wi n f o r m a t i o nc a nr e a c ht h e b r a i n t h ea c t i v i t i e so fp i g m e n tg r a n u l ei n c r e a s e d ，i n d i c a t i n gt h a ti tw i l lp r o t e c tt h e r e t i n ai nm y o s p a l a xc a n $ 1 # $ ，p r e v e n t i n gt h ed a m a g et ot h ep h o t o r e c e p m r sw h e ne x p o s e d t os t r o n gl i g h t c o m p a l e dw i t ho t h e rs u r f a c e - d w e l l i n gr o d e n t s ，t h em o s td i s t i n c tf e a t u r e o ft h em y o s p a l a xc a n s u 5i st h a tt h eg a n g l i o nc e l l sa r es p a r s e ，m u c hl e s st h a no t h e r r o d e n t s a tt h ee l e c t r o nm i c r o s c o p e , a p o p t o t i cn u c l e iw e r ed e t e c t e di nt h eg a n g l i o nc e l l l a y e r , i n d i c a t i n gt h a tc e l la p o p t o t i ci st h er e a s o nt h a tt h eg a n g l i o nc e l l sa l es p a r s e u s i n gi m m u n o f l u r e s c e n c et e c h n o l o g y , t h es h o r t - w a v e s e n s i t i v ec o n e s ( s - c o n e ) w e r el a b e l e db yb l u e s e n s i t i v eo p s i ns c 1 4 3 6 3a n dt h el o n g - w a v e - s e n s i t i v ec o n e s l i t ( l - c o n e ) w e r el a b e l e db yo p s i nr e d g r e e na b 一5 4 0 5 m y o s p a l a xe a n s u $ h a st w o k i n d so fc o n e s ，am a j o r i t yo fs - c o n e s ，a n dam i n o r i t yo fl - c o n e s ，s u g g e s t i n gt h a tt h e m y o s p a l a xc a n s u $ w a sd i c h r o m a t i cc o l o rv i s i o n a n di t c a nd i s t i n g u i s hd i f f e r e n t s p e c t r u m t h e a c t i v i t yo fm y o s p a l a xc a n $ 1 4 si ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tw h e ns t i m u l a t e db yb l u e l i g h ta n dr e dl i g h t i ta l s os u g g e s t st h a tm y o s p a l a xc a n $ 1 1 哼o a nd i s t i n g u i s hd i f f e r e n t s p e c t r u m i nb o t hr e d l i g h t - s t i m u l a t e da n db l u e l i g h t - s t i m u l a t e da n i m a l s , t h er u d i m e n t a r y s u p e r i o rc o l l i c u l u se x h i b i t e ds l i g h ti m m u n o r e a c t i v i t y , i n d i c a t i n gt h a ti nm y o s p a l a x c a n s u st h eb r a i ni sa b l et op r o c e s sl i g h t t h ec - f o sl a b e l i n gh a sg r e a t l ys i g n i f i c a n i d i f f e r e n c ew h e ns i m u l a t e db yr e dl i g h ta n db l u e g h t , f u r t h e re l u c i d a t i n gt h a t m y o s p a l a xc a b $ 1 1 哼c a nd i s t i n g u i s hd i f f e r e n ts p e c t r u m i nc o n c l u s i o n ，t h ev i s u a lo r g a ni nm y o s p a l a xe a b s u $ i sa d a p t i v et os h o r tt e r m s u r f a c ed w e l l i n gh a b i t a t ，r e c e i v i n gt h el i g h ts t i m u l a t i o na n dd i s t i n g u i s h i n gt h ed i f f e r e n t s p e c t r u m h o w e v e r , t h ei m a g i n ea b i l i t yi nm y o s p a l a xc a n $ 1 1 哼n e e d st ob ef u r t h e r e l u c i d a t e d k e yw o r d ：m y o s p a l a xc a n s l t s v i s u a lo r g a n c o l o rd i s c r i m i n a t i o n p h o t o r e c e p t o r s c f o s 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：挑日期：基画乙厶 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西 师范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文 的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名：越目窿日期：_ 2 盈互丘二 第一部分地下啮齿动物的视器结构及辨色能力研究进展 全世界约有3 种哺乳动物大多数时间生活在黑暗的洞穴中，很少受到光刺 激( p a v e ln 6 m e ce ta l ，2 0 0 4 ) ，因此，地下生活的哺乳动物与其它平行种属表现 出强烈的趋同现象，即结构和功能的共同进化及退化，眼极度萎缩，有的甚至隐于 皮下，视觉能力减弱，甚至不具有视物能力( n e v o 。1 9 9 9 ；b u r d ae ta 1 1 9 9 0 ；k i m c h i & t e r k e l ，2 0 0 2 ；l e op e i c h le ta 1 ，2 0 0 4 ) 。有些学者认为灵长类、鸟及昆虫的色觉是 取食有色的食物的一种适应性进化( m i s h av o r o b y e v ，2 0 0 4 ；a l l e ng ，1 8 7 9 ) 。最近研 究表明，色觉的出现远早于植物花等的进化( m i s h av o r o b y e v ，2 0 0 4 ) 。生活在黑暗 洞穴中的哺乳动物，丧失了地面生活动物所具有的一些感觉特征。其色觉系统进 化并不依赖于取食食物的颜色。因此，对地下啮齿动物是否具有色觉的研究，将 进一步补充色觉系统化理论。 1 视觉器官 地下生活的哺乳动物，终年生活在黑暗的洞道内，很少受到光的刺激，经过 长期的适应性进化，眼已退化，具有微弱的视觉或不具有视觉，其中鼹形鼠( s p a l a x e h r e n b e r g i ) 是研究视觉系统适应性进化最典型的地下生活的模式动物( s a n y a le ta 1 。 1 9 9 0 ；c o o p e r e t a l ，1 9 9 3 ) ，眼最为退化，隐于皮下，被肥大的哈德氏腺( h a r d e r i e n ) 包围，光线透过厚厚的皮肤及其他组织才能到达视网膜，阻碍了正常的成像功能。 神经节细胞及视神经纤维的数量很少，说明视网膜传入到大脑的信息量很少。视 网膜投射到大脑的视觉相关核团已严重退化( b r o n c h t i e t a l ，1 9 9 1 ) 。而视交叉上 核( s e n ) 却保留完整，并能接受视网膜的投射( c o o p e re ta l 。1 9 9 3 ) 。视杆细胞 及对长波长敏感的视锥细胞视蛋白的作用是调节光周期，因此认为鼹形鼠的眼不 具有视觉成像功能，其唯一的功能是调节光周期( c o o p e r e t a l ，1 9 9 3 ) 。 安塞利隐鼠( c r y p t o m y sa n s e l l i ) 很少在地面活动( s c h a f f f g r u 。t j e n ，1 9 9 7 ) 有可能一生都生活在洞道内，避免暴露于光下( b u r d ae l a 1 ，1 9 9 9 ) 隐鼠 ( c r y p t o m y s ) 眼较小。露于皮肤表面，具有眼睑，眼球结构正常( o e l s c h l a 。g e t e t 以， 2 0 0 0 ) 。安塞利隐鼠具有巩膜、脉络膜、虹膜结构，晶状体发育完整，视网膜分 层明显( r a f a e lc e m u d a - c e m u d a 甜a l ，2 0 0 3 ) 。因此安塞利隐鼠介于完全地下生 话无视觉能力的种属与地面生活具有视觉能力的种属之间，一些迹象表明隐鼠具 有视觉感受能力( r a f a e lc e m u d a c e m u d a e t a l ，2 0 0 3 ) 。 2 感光细胞的分布 视锥细胞含有对不同波长的光敏感的视蛋白。动物看到的颜色取决于吸收不 同波长光的视锥细胞，以及传入大脑后的信息编码，色觉是不同有色光线对不同 视锥细胞不周程度刺激在脑的整合效应。因此阐明色觉及视网膜如何处理色觉信 息需从视锥细胞的类型入手。 感光细胞的分布是视觉加工过程的基础。已有运用免疫组织化学方法，对许 多哺乳动物感光细胞类型的特性及分布作了研究( j a nm h e m m i u l r i k eg r f l n e r t 1 9 9 9 ：m o i l e r p e i c h l ，1 9 8 9 ；w i k l e r & r a k i e , 1 9 9 0 ；p e t r ye ta 1 。1 9 9 3 ；j u l i u s s o ne t a 1 ，1 9 9 4 ；r 6 h l i c he ta 1 ，1 9 9 4 ；s z 6 1e ta 1 ，1 9 9 4 ；a h n e l te ta 1 ，1 9 9 5 ；f a m i 脚i e t t i s h a r p e ，1 9 9 5 ；p e i c h l ，1 9 9 7 ) 。视网膜具有视杆细胞和视锥细胞两种类型的感光细胞。 视杆细胞含有一种视色素：视紫红质，对蓝绿光敏感。视杆细胞对光敏感性高， 对物体的分辨力低，无色觉，在暗光觉中发挥作用。视锥细胞对光敏感性低，对 物体的分辨力高，有色觉，在明光觉中发挥作用。一般认为只有灵长类是三色视 觉，非灵长类的哺乳动物的视觉共同形式是二色视觉( j a c o b s ，1 9 9 3 ) 。二色视 觉哺乳动物，除具有一种视杆细胞视蛋白，还有两类的视锥视蛋白，它们具有不 同的波长范围，一种视锥感光色素的光敏感性位于光谱中波长到长波长区域，另 外一种感光色素光谱峰值位于短波长光谱范围，在许多啮齿类中感光色素光谱峰 值位于紫外线光谱范围( j a c o b s ，n e i t z ，d e e g a ni i ，1 9 9 1 ；j a c o b s ，1 9 9 3 ) 。 为了解色觉整合机制，必需了解对短波长敏感的视锥细胞及对中波长到长波 长敏感的视锥细胞的比例及分布。不同动物的视锥细胞的形态和组织化学方面不 同( p e t e rl e n n i e ，2 0 0 0 ：m o n a s t e r i of me la l ；1 9 8 1 ) 。大多数哺乳动物的视网膜含 有两类视锥细胞：少量的对短波长敏感的视锥细胞( s 视锥细胞) 及大量的对中波 长到长波长敏感的视锥细胞( m ，n 视锥细胞) 以调节色觉( j a nm h e m m i u l r i k e g r u n e r t , 1 9 9 9 ) 。 鼹形鼠的眼最为退化，是地下生活哺乳动物中最为特异的种属( s a n y a le ta 1 1 9 9 0 ；c e m u d a c e m u d ae la 1 ，2 0 0 2 ) 。运用免疫组织化学及分子生物学方法研究发 现，鼹形鼠有相当多的视杆细胞，包含有功能的视蛋白，但仅有一种有功能的l 一 视锥视蛋白，缺乏功能性的感紫外光紫光的视锥( o r v 一视锥) 视蛋白。因此认 为鼹形鼠为典型的单色视者，仅对长波长的光敏感( d a v i d g r a y e t 以，1 9 9 8 ，2 0 0 2 ) 。 对隐鼠( c r y p t o m y s ) 视网膜的研究发现，感光细胞的分布特性与鼹形鼠差别 很大臆鼠( c r y p t o m y s ) 眼睛缺乏明显的退化特征，具有比鼹形鼠发育更好的中 枢神经系统及其感光细胞的特性，都证明了隐鼠具有复杂的视觉系统，并保留了 基本的视觉功能( c e r n u d a c e m u d ae ta 1 ，2 0 0 3 ；p e i c h l ，l 2 0 0 3 ) 其中安塞利隐鼠 ( c r y p t o m y sa n s e l l i ) 有1 9 的视锥细胞为纯粹的s 一视锥细胞。7 3 的视锥细胞同时 2 表达l 一视锥视蛋白及s 一视锥视蛋白两种蛋白，即有9 2 的视锥细胞表达s 一视锥视蛋 白，安塞利隐鼠含大量的s 一视锥细胞及少量l 一视锥细胞，即对短波光敏感。s 一视 锥细胞密度约为8 0 0 0 一1 5 0 0 0 r m 2 。而感光细胞的密度为1 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 衄2 ，视锥细 胞约占感光细胞的1 0 。地面生活的夜行性啮齿类的视锥细胞占感光细胞的比例 较低，仅为o 5 3 之间( c a r t e r d a w s o n & l a v a i l 。1 9 7 9 ；j e o ne la l ，1 9 9 s z 6 l r 6 h l i c h ，1 9 9 2 ；p e i c h l m o u t a i r o u ，1 9 9 8 ) 。昼行性的啮齿类视锥细胞比例较高，如 八齿鼠( d e g u ) 为3 0 ( j a e o b s e l a l 。2 0 0 3 ) 、地面活动的松鼠( s q u i r r e l ) 为7 0 - - 9 5 ( k f y g e r c ta l 。，1 9 9 8 ) 。地下生活的滨鼠( b a t h y e r g i d a e ) ，很少受光的刺激， 视锥占感光细胞的1 0 ，视锥比例相对较高，介于夜行性与昼行性动物之间。同 样，安哥拉隐鼠s 一视锥占主体部分，仅有很少量的l 一视锥( p e i c h l 。2 0 0 4 ) 。隐鼠 中纯粹的l 广视锥及s 视锥从双重色素视锥中分离出来，使得隐鼠具有二色视觉。 裸鼢鼠( h e t e r o c e p h a l u sg l a b e r ) 的眼跟鼹形鼠相似，比较小，但其功能与眼 较大的隐鼠相似，具有与隐鼠相似的视锥细胞密度，约为1 1 0 0 0 m m 2 。研究发现， 裸鼢鼠具有一定数量的s 视锥细胞，是否具有l 视锥细胞尚不明确，用特异的标记 l 一视锥的j h 4 9 2 标记研究，没有发现l 广视锥细胞( p e i c h l ，2 0 0 4 ) 。 在鼢足鼠( s p a l a c o p u s c y a ? l l l $ ) 中，视杆蛋白占主体有大量的l 视锥细胞和 少量的s 一视锥视蛋白，这两种类型的视锥细胞，是鼢足鼠二色视觉的基础。在视 网膜中央区，l 一视锥细胞密度较高，约2 1 0 0 0 - 2 6 0 0 0 m m 2 。从中央区到周围区呈 现出梯度递减的特征，从视网膜腹侧到背侧也呈现出梯度递减的特征。在中央背 侧区l 一视锥细胞密度高达6 5 0 0 m m 2 ，而在中央腹侧区，l 一视锥细胞密度仅为 2 0 0 0 r a m 2 ( p e i c h le la 1 ，2 0 0 5 ) ，与隐鼠相似( p e i c h l ，2 0 0 4 ) ，具有较高比例的视锥 比例，大约占感光细胞的1 0 。与隐鼠不同的是，隐鼠具有双重色素视锥细胞，即 单个视锥细胞可同时表达l 视锥视蛋白及s 视锥视蛋白，隐鼠约9 0 的视锥细胞表 达s 一视蛋白，大部分视锥细胞同时表达少量的l 一视蛋白，约1 0 例外地表达l 一视蛋 白，而鼢足鼠单个视锥细胞或者表达l 一视蛋白，或者表达s 一视蛋白，即单个视锥 细胞不具有双重色素，但整个视网膜的l 一视锥细胞及s 一视锥细胞是鼢足鼠调节色 觉的基础( p e i c h l ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 掘土的北美地鼠( g e o m y i d a e ) 具有正常大小的眼睛，大约有2 5 的视锥细胞， 而视杆细胞密度较低，仅为5 5 0 0 睢1 0 0 0 0 0 0 ，m m 2 ( f e l d m a n p h l i p s 。1 9 8 4 ；w i l l i a m s e la 1 ，2 0 0 5 ) ，理论上每个视锥细胞包含一种紫外线敏感的s 一视蛋白。实际上，背 侧视网膜的视锥同时表达一种绿色敏感的l 一视蛋白，而腹侧视网膜并没有l 一视蛋 白表达( p e i c h le la 1 2 0 0 5 ) 。 3 3 视色素的化学组成 视色素是动物界在自然选择的进化过程中，适应特定光环境而产生的一类视觉 物( 冯振明，2 0 0 0 ) 。视色素是以一种生色团作为辅基的视蛋白。视色素的生色团 有视黄醛，和视黄醛：两种。不同种类的视色素，其吸收光谱的峰值各不相同。 3 1 视紫红质 视紫红质是杆体细胞膜与外节膜盘的主要蛋白，占蛋白含量的5 0 ，分子量 约4 0 k d ，由3 4 8 个氨基酸组成，参与视循环，其2 9 6 位赖氨酸为1 1 一顺式视黄醛结 合位点，活性视紫红质最大光吸收峰在4 9 8 n m 。视紫红质通过折叠形成7 个跨膜单 位横跨单位，在形态上形成一个具有特征性的蛇形：在功能上其受体后作用是通过 与g 蛋白相互作用把信号传送到细胞内( 王鸿杰e t a l 2 0 0 5 ) 。 3 2 视锥视蛋白 灵长类的三色视觉是由红、绿、蓝基因所产生的三种视蛋白所介导，与视紫 质一样，也是以视黄醛作为发色基团，但视蛋白分子结构有差异。红、绿、蓝视 蛋自均折叠成7 个跨膜单位，横跨于锥体外节盘膜上，其n 末端与3 个袢位于细胞质 内，均与儿顺视黄醛结合形成活性蛋白。红、绿、蓝视蛋白的最大吸收峰分别为 5 6 3n m ，5 3 2n m 和4 1 0n m 。 在黑暗的环境下，视黄醛和视锥蛋白的结合，是按双分子反应的方式进行， 即每一个视黄醛分子和一个视蛋白分子结合而生成一个视色素分子。 对鼹形鼠体外表达的研究发现，它具有两种完整功能的感光色素。一种单一 的对长波长敏感的视锥蛋白，光吸收最大敏感值( k 。) 为5 3 4 n m ( d a v i d g r a ye ta 1 ， 1 9 9 8 ) ：另一种为视杆蛋白，光吸收最大敏感值为4 9 7 n m0 a n s s c ne ta 1 2 0 0 0 ) 视网膜电图和免疫组织化学研究均揭示了c u m r o 存在两种类型的视锥细胞：一种 是占绝大多数的感绿波光的l 广视锥，k 。位于5 0 5 n m 附近；一种是少数的感紫外 光( u v ) 的s 一视锥，九。位于3 6 5 n m 附近。因此，可以推测c u r u r o 具有哺乳动物 色觉最典型的模式，具备了必须的编码色觉的视网膜和大脑皮层基础( p e i c me l a 1 ， 2 0 0 5 ) 。 4 视蛋白的基因编码 氨基酸序列分析表明，人的红、绿、蓝3 种视色素约有4 0 与视杆细胞视蛋是 相同的，红与绿视蛋白( r e da n dg r e e np i g r n c n t 或r e da n dg r e e no p s n ) 由位于x q 2 8 的红色觉基因和绿色基因编码，有8 5 的同源性，均由3 6 4 个氨基酸组成，两蛋白 质氪基酸之间仅有1 5 个不同，红与绿视蛋白光谱敏感性的差异仅由1 5 个不同氨基 酸中的7 个决定：s 1 1 6 y 、s 1 8 0 a 、1 2 3 0 1 、a 2 3 3 s 、y 2 7 7 f 、t 2 8 5 a 和y 3 0 9 f ，其中主 4 要由s 1 8 0 a 、y 2 7 7 f 和t 2 8 5 a 决定。红色觉基因全长1 5 2 k b ，由6 个外显子组成，绿 色觉基因全长1 3 3 k b ，由6 个外显子组成。 蓝视蛋白( b l u ep i g m e n t ，b l u eo p s i n ) 由位于7 q 3 1 3 - q 3 2 的蓝色觉基因编码，由 3 4 8 个氨基酸组成，与红、绿视蛋白之间有4 3 的相同。最大光谱吸收峰为4 1 0a m ， 蓝色觉基因全长3 3 0 8 b p ，由5 个外显子组成。 c d n a 及基因组水平的分析发现，鼹形鼠缺少感短波光的视锥视色素是由于几 个有害的突变致使m r n a 转录物产生有功能的u v 厂v 短波光视色素的功能缺失。与 小鼠u v s s 视锥视蛋白相比，鼹形鼠m r n a 在2 2 6 位点缺失了一个碱基对。碱基 对的缺失导致了编码序列框架的移位，使得编码在1 1 3 位点终止。这种突变最终导 致感光色素失去功能( d a v i d g r a y e t a l 2 0 0 2 ) 。 5 色觉系统的进化 在有颌类与无颌类分化之前的早期脊椎动物具有四种视蛋白，因此具有四色 色觉( m i s h av o r o b y e v ，2 0 0 4 ) 。陆栖脊椎动物在进化过程中增加视网膜油滴，增强视 网膜对颜色的滤过，改善四色色觉( w a l l sg l l 9 4 2 ) 。许多胎盘动物逐渐适应于黑 暗环境或夜间活动，失去了两种类型的视锥细胞f g o l d s m r ht h ，1 9 9 0 ：，w a l l s g l l 9 4 2 ) 。 感光细胞的不同分布能帮助我们进一步了解色觉系统的进化。哺乳动物最典 型的模式是8 5 - 9 5 的视锥为i ，视锥，而5 一1 5 的视锥为s 视锥( s z 6 1e ta 1 1 9 9 6 ； a h n e l t k o l b ，2 0 0 0 ) 。很多的种属在进化过程中出现了变异。所有鲸鱼、海豹及 一些陆地动物缺少s 视锥，仅有l 视锥，为单色视者( s z 6 1e ta 1 ，1 9 9 6 ；p e i c h l m o u t a i r o u ，1 9 9 8 ；p e i c h l e t 口，2 0 0 0 ) 。小鼠、豚鼠视网膜腹侧及兔视网膜的背侧 周围区的视锥全部表达s 视蛋白( s z 6 le t a t ，2 0 0 0 ) 。食虫目腹侧视网膜的s 视锥 比例高于背侧( p o c h le ta l ，2 0 0 0 ) 在滨鼠( b a t h y e r g u s ) 视网膜中首次发现s 视锥占主体部分，仅有很少量的l 广视锥。而鼹形鼠具有相当多有功能的视杆视蛋 白；仅有一种有功能的l 一视锥视蛋白，但缺乏有功能的s 一视锥视蛋白。鼹形鼠具 有s 一视锥视蛋白的基因，但由于突变缺失的聚集，s 一视蛋白基因并无功能。说明 鼹形鼠的祖先曾经具有s 一视锥视蛋白，由于长期适应于地下生境而丢失 ( d a v i d g r a ye ta 1 2 0 0 2 ) 滨鼠及鼹形鼠均终年生活在黑暗的环境中，很少受到光的刺激，但感光细胞 却有很大的不同。因此认为，视觉环境可能不是鼹形鼠为单色视者的唯一原因。 许多夜行性及水生环境中的动物，如非洲巨鼠( a f t i c a ng i a n tr a t ) ( p e i c h l m o u 嘶o u ，1 9 9 8 ) ，鲸类及鳍脚类( f a s i c ke l a i 。1 9 9 8 ；p e i c h l m o u t a i r o u 1 9 9 8 ； 5 l e v e n s o ne t a l ，2 0 0 0 ；p c i c h l e l a l ，2 0 0 1 ) 等同样缺失u v v 一视锥感光色素。有种假 设认为u v s v s 感光细胞是现代鲸类及鳍脚类的祖先在当时的环境条件下进化的 伪迹( p e i c h le la 1 ，2 0 0 1 ) 。化石证据表明，现代鲸类及鳍脚类的祖先栖居在浑浊的 海水中，射进的光线以红色为主，很少有蓝光射进，因此只有很少的光子用于u v v 一视锥细胞的色觉辨别。一旦失去了u v v 一视锥细胞，这些感光细胞也就不可能 再逆向进化。 另一种解释认为，鼹形鼠的眼隐于皮下，光透过皮肤及覆盖在眼睛上的组织， 到达视网膜的光谱增加为 5 0 0n m ，并且大量消耗光子，使得光波长 4 5 0 珊 ( d a v i d g r a ye t a l ，1 9 9 9 ) ，因此鼹形鼠保留u v s n s 视锥感光细胞不具有选择优势。 视网膜是代谢率旺盛的组织之一( c o o p e r e t a l ，1 9 9 3 ) ，在低氧的地下环境中，视 觉不起作用，由于负选择压力，保留高耗能无功能的视网膜，导致了视觉的适应 性进化( c o o p e r e ta 1 ，1 9 9 3 ) 。因此鼹形鼠生活的光环境可能对于u v s n s 视锥的 缺失增加了负选择压力 6 甘肃鼢鼠的视觉器官及色觉系统的研究现状及意义 以往认为地下生活的哺乳动物很少受到光的刺激，其视觉系统包含眼和视网 膜结构和功能上表现出强烈的退化( p e i c h l e l a l ，2 0 0 5 ) ，眼不具有成像功能，并没 有区分颜色的功能。但用免疫组化方法证明，光刺激可引起隐鼠脑区些核团的 e - f 0 5 蛋白强烈表达，如背侧膝状体核，橄榄核。甚至在视觉区域的大脑新皮质也 有表达( o e l s c h l a ”g c r e l a l ，2 0 0 0 ) 。说明隐鼠保留了视觉感知能力。地下生活的哺 乳动物，共同特征是很少受到光刺激，但视锥细胞的类型差别很大。隐鼠的s 视 锥占主体。仅有少量的l 广视锥，为典型二色视者：而鼹形鼠仅有i ，视锥，没有s 视锥，为单色视者因此，需要进一步研究地下生活的哺乳动物为适应于地下生 境的适应性进化。 甘肃鼢鼠( m y o s p a l a xc a n s u s ) 是我国黄土高原特有的营地下生活的鼠类，由 于终年生活在地下黑暗的洞道内，很少在地面活动，其洞穴呈封闭状态( 曹志东e t a l 。，1 9 9 4 ) ，生活的空阃格局对其身体结构、生理机能及感觉器官产生了深刻的影 响，经过长期的适应进化，其感觉系统的形态结构和功能发生了巨大变化，其中 最为显著的是视觉退化，眼萎缩，眼球直径与体长之比远远小于岩松鼠 ( s c i u r o t a m i a sd a v i d i a n u s ) ，达乌尔黄鼠( s p e r m o p h i l u sd a u r i c u s ) ，黑线姬鼠 c 4 p o d e m u sa g r a r i u s ) ，棕色田鼠( m i c r o t u sm a n d a r i n u s ) 等，其视网膜变薄，感光 细胞数量急剧减少( 张育辉等，1 9 9 4 ) 。国内对甘肃鼢鼠的视觉研究资料较少， 本研究以甘肃鼢鼠为研究对象。运用免组织学、免疫组织化学、分子生物学的手 6 段对其视锥细胞的类型进行鉴别，将为色觉进化理论提供新的理论依据，同时可 进一步诠释黑暗环境对地下生活动物感觉器官的适应性进化。 7 第二部分甘肃鼢鼠的视器结构及辨色能力研究 一视器结构 ( 一) 视器结构 动物对周围环境的感知，大多信息都是通过视觉器官接受并传递到大脑。视 觉的形成，一方面与构成视觉器官的光学系统性能有关，另方面也与进行能量 转换、信息传递和处理的视细胞、神经网络和神经中枢的机能有密切关系。 在自然选择的进化过程中，动物的感觉系统是与其生活习性相适应的。由于 长期生活在黑暗的生境中，地下生活的动物的形态结构、功能等在进化中表现出 高度的趋同现象，如视觉系统退化，嗅觉及听觉系统高度发达( 张堰铭等，2 0 0 2 ) 。 营严格地下生活的鼹形鼠，其眼已极度退化，尽管最初的视器发育正常，但随后 晶状体很快退化，眼隐于皮下，被肥大的哈德氏腺体包围。视网膜投射到视觉核 团，尽管这些核团存在，但已经严重萎缩。视杆视蛋白和视锥视蛋白参与外界光 周期对生理节律的诱导。去除眼球将导致鼹形鼠对周期性的光刺激没有反应，迸 一步说明了鼹形鼠保留了感受光周期及节律调节的机$ 1 j ( c e m u d a c e r n u d a ，2 0 0 2 ) 。 而隐鼠属、和滨鼠属啮齿类的眼球结构基本正常或缺少某些结构，但体积极度缩 小，视神经体积极度缩小，主要由无髓纤维组成( 杜央威等，2 0 0 6 ；e l o f f ，1 9 5 8 ) 。 国内外对甘肃鼢鼠视觉系统研究较少，对其视觉功能还不清楚。因此，对甘肃鼢 鼠视网膜的形态结构进行研究十分必要。 1 材料及方法 1 1 实验动物 实验用1 2 只甘肃鼢鼠捕自陕西延安。实验室内单笼饲养，喂以胡萝卜、莲花 白，用于实验的甘肃鼢鼠均为成年个体，雌雄兼用。 1 2 组织切片制作 将甘肃鼢鼠用乙醚麻醉，0 9 生理盐水及4 多聚甲醛心脏灌注，取出一侧 眼球，剥离晶状体，然后用b o u i n 氏液固定2 4 h 。各级乙醇脱水，石蜡包埋，沿矢 状面切成连续切片，片厚研珊，h e 染色，及c a s o l l 液