海洋潮间带小头虫复合种的形态学特征

海洋潮间带小头虫复合种的形态学特征

以表面特征为基础的分类试验表明，中小头虫是一种广泛分布于海上软相土壤中的物种。根据对表现特征的分类，grassle等人提出了八个相似且显著差异的小头虫特征的模型。这些地方其实有六个相似的小头虫特征，遗传背景上有很大不同。后来，研究人员在不同方面研究了丝头和泡细胞的超微结构、生殖素描、精子、幼虫形态、核状结构、生殖特征、发育模式和生理特征。到目前为止，已经详细讨论了10种姐妹品种。不同姐妹品种对污染物的生理适应性不同，因此，作为一种植物进行污染评价是不可避免的，因此结果会受到严重损害。这些相似姐妹的分类和分布在监测海洋环境中起着重要作用。小头虫在中国沿海的分布很广,但除了吴宝铃关于小头虫亚种分化的论述以及钱培元等等对青岛湾3个小头虫姊妹种的研究外,国内未见其他有关该姊妹种的报道.本文描述了中国沿海小头虫种群的形态学和生活史特征,以期对其系统分类和种群遗传分化的深入研究奠定基础.1材料和方法1.1采样及实验室种群的建立于2003年11月—2004年1月间和2005年5月,在渤、黄、东海沿岸受有机质污染的泥沙质潮间带进行了2次采样.在53个设定的采样点中的11个点采集到了小头虫样品(图1).采样时,先在现场将观察到具有小头虫虫管的沉积物用孔径为0.5mm的网筛过滤,解剖镜下鉴定、挑选出小头虫个体,100%酒精固定保存.同时采集带有小头虫的新鲜沉积物,运回实验室建立实验室种群.1.2观赏饲料和基于诊断案例的观赏饲料的制备将采回的新鲜沉积物在玻璃缸(底面积30cm×50cm)中铺成2cm的薄层,加盐度为25‰的人工海水覆盖,充氧培养,投喂粉状观赏鱼饲料和浒苔粉(质量比3∶1).1.3小鼠骨髓细胞微核试验取成熟雌、雄小头虫个体于解剖镜下观察眼点、胸部刚毛式、体节数,利用Zeiss显微摄像系统对酒精固定标本拍照并测量体长(这里以雌性出现卵巢,雄性第8、9胸节出现生殖刚毛判断小头虫是否成熟).1.4调查和测定卵黄营养发育幼虫和及时分离取成熟雌、雄亲虫配对,每对单独置于1直径为9cm的培养皿中,加少量反复冻融过的沉积物(刚好能覆盖皿底)和过滤过的人工海水培养.隔日换水,投饵约2mg.每日观察成虫是否产卵.当卵黄营养发育幼虫离开亲虫虫管后,单独置于培养皿中,按照前述方法培养观察.从群体培养的玻璃缸中每日取水500mL,以孔径32μm的网筛过滤,观察浮游幼虫出现情况,在每批浮游幼虫中随机取孵化第1天的幼虫2~3个,测量体长和体宽.取刚离开亲虫虫管的卵黄营养发育幼虫,测量体长和胸部最宽处的宽度.取玻璃缸中卵子发育成熟的雌虫(卵开始排放到体腔),解剖统计怀卵量,每条虫随机取约50粒体腔卵测量卵径.卵为椭球形,测得其长轴(LA)和短轴(LB)长度,根据公式V=(1/6)πLALB计算体积.1.5处理数据利用SPSS12.0软件包作数据统计.不同种群小头虫的卵径大小、幼虫大小、成虫体节数及体长的差异比较应用独立样本t检验.2性别全群的生活史研究小头虫各种群成虫的形态描述见表1,刚毛式中S表示为细毛状刚毛,H为巾钩状刚毛,G为生殖刚毛,S/H为同一束刚毛中兼具细毛状和巾钩状刚毛,not为背叶,neu为腹叶.老虎滩、马澜河口、前七夼、青岛湾、石老人、华定码头和大陈岛种群胸部刚毛式基本为雄性7S+2G(not)或7S+2H(neu)(1~7节背、腹足叶均为细毛状刚毛节,第8、9节背足叶上为2对生殖刚毛,腹叶为巾钩状刚毛),雌性7S+2H(not或neu)(图2).惠民桥、峰尾镇、鼓浪屿和铜陵镇种群的胸部刚毛式比较复杂,但以表1中列出的几种为主,与前述几个种群不同的是背、腹足叶出现了多于7个细毛状刚毛节的结构,如8S+1H,9S等(图3).种群间成虫体节数比较结果表明,峰尾镇种群除了与惠民桥及铜陵镇种群差异不显著外(P>0.05),与其他种群均存在显著的差异(P<0.05),铜陵镇种群与前七夼、青岛湾、大陈岛和鼓浪屿种群差异极显著(P<0.01),大陈岛和鼓浪屿种群间也差异显著(P<0.05),其他种群之间的体节数差异不显著(P>0.05).各种群间的体长比较,差异均未达到显著水平(P>0.05).我们在实验室中建立了青岛湾、峰尾镇、鼓浪屿和铜陵镇4个小头虫种群,对其生活史进行观察研究.野外采样过程中,未发现雌雄同体现象(指出现既具雄性生殖刚毛又怀卵的个体).在实验室培养的种群中,青岛湾和鼓浪屿均有雌雄同体个体出现,有雄性先熟也有雌性先熟,但并未发现自体受精现象.其中青岛湾种群只有在小头虫个体单独培养的条件下发生了雌雄同体现象,在31例单独培养个体中,观察到2例雄性先熟个体最后生殖刚毛脱落,形态上表现为雌性.鼓浪屿种群在培养皿中单独培养和玻璃缸中群体培养中均出现了雌雄同体现象.2005年2月对该种群群体培养个体的抽样检查结果显示,48个个体中,性别比例为26(雄)∶13(雌)∶8(雌雄同体)∶1(幼龄个体),雌雄同体个体占1/6.在雌雄配对后(13对)继续培养的过程中,有5例由雌性转变为雌雄同体个体,其中3例最后卵巢退化,形态上表现为雄性;另有1例为雄性转变成雌雄同体个体,最后生殖刚毛脱落,表现为雌性.各实验室种群卵的大小、幼虫特征及发育方式见表2,所有幼虫均具眼点和前后纤毛轮.4个种群卵的体积相比较,除青岛湾与鼓浪屿种群间无显著差异(P>0.05)外,其余种群相互之间差异均达到极显著水平(P<0.01).营卵黄营养发育的幼虫在雌虫虫管内发育,到10多节时离开亲虫虫管,消化道呈青色或黑褐色(图4),不浮游或短暂浮游,数天内前后纤毛轮退化,并开始筑管.4个种群的营卵黄营养发育的幼虫形态结构上没有显著区别.峰尾镇和鼓浪屿种群都观察到另一种没有体节分化的浮游发育幼虫(担轮幼虫)(图5),这些幼虫明显小于卵黄营养发育幼虫,浮游时间从1天到1周不等.幼虫体型略呈椭球形,经测量,峰尾镇种群浮游幼虫明显小于鼓浪屿种群的浮游幼虫,二者在长和宽上差异都极为显著(P<0.01).3适合我国大陆地区的化学分子小头虫个体的形态简单,在形态学分类中,眼点的有无、胸部刚毛式,及成虫的大小是重要的分类特征.前七夼、青岛湾和大陈岛的小头虫在这几项指标上显示了高度的相似性.老虎滩、马澜河口、石老人和华定码头种群虽然缺乏体节数和体长数据,但在刚毛式和眼点等方面也与前述种群相同.仅从形态学上看,这几个种群相当于曾经描述过的典型亚种或C.spI.,它是在浅海带分布最广的1个姊妹种.其他种群的胸部刚毛式呈现多样化,表1中只记录了成熟个体中占优势的刚毛式,实际上还有少量个体拥有不同的刚毛式,如6S+1H+2G(not)或5S+4H(neu),8S+1H(not)或7S+2H(neu)和9S(not)或7S+2H(neu)等.根据对实验室种群生活史的观察,发现幼龄个体往往具有较少的细毛状刚毛节,比如刚完成变态的幼体只有3个细毛状刚毛节,其余为巾钩状刚毛,随着个体发育成熟,会逐渐固定到某个刚毛式.少数个体在性成熟后细毛状刚毛节仍在继续发育,特别是胸部细毛状刚毛节多于7个的雌性个体,第8、9体节的刚毛往往在性别分化后继续发育,从原来的巾钩状刚毛转变为细毛状刚毛.因此似乎可以推测成熟个体中少量个体的刚毛式可能是个体生长过程中的过渡形式.然而表1中所列的多样化的刚毛式在各自种群中都占有一定的比例,且在不同种群中反复出现,很难说那些具有较少细毛状刚毛节的刚毛式只是个体发育过程中的一种过渡形式.如果不同的刚毛式是遗传学差异的表现,那么它也许预示着这些种群中存在同域分布的姊妹种.今后有必要在生活史研究中针对刚毛节发育作更细致的观察,而利用分子标记方法对不同刚毛式的样品进行分析也可以从另一个角度提供佐证.在惠民桥、峰尾镇和铜陵镇的样品中,都发现雌虫的刚毛式有8S+1H(not或neu),9S(not)或8S+1H(neu)和9S(not或neu),但国内外文献上未见该类刚毛式的记录.惠民桥采样点位于发电厂循环冷却水出口,虽然采样时间为冬季,水温也达20℃以上,而相隔不足1km的华定码头采样点处于正常水域,则未出现这种刚毛式的个体.峰尾镇和铜陵镇都处亚热带海区,水温也较高.此外这3个采样点沉积物的粉砂黏土含量较高,在所有采样点中沉积物粒径最小.我们推测,这些刚毛式的出现,很可能是对某些环境因子的特殊适应.总体而言,中国北方沿海(渤、黄海)小头虫形态结构比较单一,进入东海则形态特征呈现多样化.青岛湾和鼓浪屿种群实验室培养中均观察到雌雄同体现象.Grassle也曾报道过类似情况,她认为这与持续近交有关.Holbrook等发现C.sp.I的雄性个体在配偶竞争的情况下容易诱导出雌雄同体.小头虫姊妹种中有很多同时具有两性生殖功能的雌雄同体的报道,但从未发现它们有自体授精能力,Qian等还指出小头虫姊妹种中存在非典型的雌雄同体,即不具雄性生殖刚毛的雌雄同体.Petraitis通过观察C.sp.I雌、雄个体和雌雄同体杂交后代的性别比例,提出雄性和雌雄同体具有相同的基因型(ZZ),所有的雄性个体都可以被诱导成雌雄同体,而雌性则可产生异型配子(ZW).我们曾尝试对两个种群的雌雄同体个体进行单独培养或与雌、雄个体配对培养,均未成功繁殖,因此,目前尚不能确定这种雌雄同体是否具有正常的雌、雄性个体的功能及自体授精能力.生活史观察中还发现有雄性或雌性个体经过雌雄同体阶段向相反性别表征转变的现象.以往有关小头虫的文献均未提到性转变现象,要判断这是暂时的还是永久的性别转变,还需要进一步的组织解剖和繁殖实验.从严格的胚胎学角度来说,幼虫的发育方式只分为直接或间接发育.但海洋无脊椎动物幼虫发育受环境及营养方式等影响,发育过程呈现多样化,仅分为直接和间接发育显得过于简单化.McEdward等根据海星幼虫发育的3个特征(直接或间接发育、浮游或底栖、摄食或不摄食)的排列组合,把发育分为8种可能的模式,较为全面地概括了海洋无脊椎动物的幼虫发育.小头虫的幼虫发育习惯上按照胚胎学特征和营养方式分为直接、卵黄营养和浮游营养发育,分别对应McEdward等所述的直接-底栖-不摄食、间接-浮游/底栖-不摄食和间接-浮游-摄食发育模式,但浮游期的长短往往也作为区分幼虫类型的一个重要标志.我们实验室培养的卵黄营养幼虫,在发育到离开亲虫虫管时已经具有10多个体节,有底栖发育的,也有一部分营短暂的浮游生活后定着,这些幼虫只需提供合适的沉积物,很容易诱导定着和变态.但对于未分节浮游的幼虫,我们尝试投喂单细胞硅藻,并用冻融过的沉积物以及原培养缸中的沉积物诱导定着,只有少数个体附着到沉积物上,最后没有观察到虫管出现,说明发育不成功.这类幼虫在培养期间没有观察到摄食活动,形态和体型未见明显改变,可能是缺乏合适的开口食物,也有可能是缺乏变态诱导因子(如亲虫的卵囊等).基于上述原因,这类幼虫发育的营养方式目前尚不能确定.4个小头虫实验室种群在幼虫的发育方式上存在较大差异,峰尾镇和鼓浪屿种群都出现了2种不同的幼虫形态,即使同为卵黄营养模式,幼虫