A scanning electron microscopic observation of the gill of yellowfin porgy Sparus latus and Nile tilapia Oreochromis nilotica
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摘要:
黄鳍鲷Sarus latus和尼罗罗非鱼Oreochromis nilotica鳃丝和鳃小片表面都具有规则或不规则分布的环形微嵴、沟状或坑状凹陷及孔洞等结构。黄鳍鲷的鳃丝表面一部分鳃丝表皮凹凸不平, 另一部分鳃丝表皮较为平坦。黄鳍鲷和尼罗罗非鱼鳃上皮几种细胞的形态结构及数量分布存在细微的差异。黄鳍鲷的扁平上皮细胞表面观以不规则的六边形为主, 或类似菱形的四边形, 细胞间界限清楚, 而尼罗罗非鱼鳃丝细胞表面的微嵴以形成密集指纹状回路, 隆起的微嵴两侧有细小的横突, 扁平上皮细胞间排列凹凸不平, 形成深沟或凹坑, 成为细胞间明确的界线。黄鳍鲷鳃丝表面的氯细胞和粘液细胞数量较多, 尼罗罗非鱼鳃丝表面基本上没有观察到氯细胞, 粘液细胞很少。黄鳍鲷鳃小片的厚度比尼罗罗非鱼鳃小片的厚。
Abstract:Regular and irregular circular microridges, indentations, micropits and crevices were observed in the gill of yellowfin porgy Sparus latus and Nile tilapia Oreochromis niloticus by scanning electron microscopic examination.Some surface of gill filaments of S.latus was rude and the other area was smooth. Morphology and distribution of gill epithelial cells in S.latus and O.niloticus showed some small difference. The limit of pavement epithelium cell in S.latus was well defined by the hexagonal or rhomic quadrangular shapes, but the surface of pavement cells in O.niloticus was characterized by dense finger-print shaped microridges with fine lateral protuberances on both sides. Clear definition of cell boundaries were formed by the rude surface with indentations and micropits. S.latus had numerous chloride cells and mucous cells in the gill, while no chloride cells and few mucous cells were found in the gill of O.niloticus. The secondary gill lamellaes in S.latus was thicker than in O.niloticus.
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鳃是鱼类的一种多功能器官和复杂的内部组织,研究结果表明,大多数硬骨鱼类鳃的基本结构是相似的[1-9]。鱼类的鳃不仅是进行氧和二氧化碳交换的呼吸器官,而且参与代谢产物的排泄、渗透压的调节和酸碱调节[10]。在某些鱼类,它还起过滤食物的作用。鳃丝上的微细结构是完成这些生理活动的基本单位。研究不同种鱼类鳃的微细结构,比较其异同点,探讨鱼鳃的微细结构和鱼类长期生活环境和适应性的关系,有助于人们揭示其生理活动规律,为渔业增养殖生产提供科学依据。
黄鳍鲷(Sparus latus)和尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)均为广盐性的底栖杂食性鱼类。在天然条件下,黄鳍鲷主要生活在海水和咸淡水中,而尼罗罗非鱼栖息于淡水。文章通过对2种鱼鳃丝和鳃小片及其几种细胞的微细结构的观察,比较两者的差异与其生活环境之间的关系。
1. 材料与方法
1.1 试验动物
试验鱼于2003年4月采自广州市黄沙水产市场,各选购5尾健康、正常的海水池塘养殖黄鳍鲷和淡水池塘养殖尼罗罗非鱼鲜活成鱼,黄鳍鲷体重为260~295 g,尼罗罗非鱼体重为520~560 g。2种鱼的年龄基本相当,均为1龄左右。
1.2 方法
从活体试验鱼取下鱼鳃小块,取下第二鳃弓上的部分鳃丝,经生理盐水漂洗后(洗尽血污和粘液),放入2.5%戊二醛(0.1 mol · L-1磷酸缓冲液配制,pH 7.4)固定,4℃冰箱保存12 h;然后用0.1 mol · L-1磷酸缓冲液(pH 7.4)冲洗3次,每次15 min;1%锇酸固定后,4℃冰箱保存2 h,再用0.1 mol · L-1磷酸缓冲液冲洗3次,每次15 min。50%~100%乙醇逐级脱水,醋酸异戊酯置换,常规临界干燥,真空离子镀膜,在Philips EM400型扫描电镜下观察和拍照。鳃和鳃丝的各项测量值根据扫描电镜照片所示的比例用尺测量获得。
2. 结果
2.1 鳃和鳃丝的基本结构
黄鳍鲷和尼罗罗非鱼鳃的基本结构相似,与其他硬骨鱼类一样,具4对鳃,每一鳃弓上有2片大小、结构相似的鳃片,每一鳃片由许多鳃丝连续紧密排列而成,每一鳃丝两侧具有许多以鳃丝为主轴,呈褶状的薄片状的鳃小片。
扫描电镜观察测定结果表明,黄鳍鲷鳃丝中段的直径100~118 μm,鳃丝间距182~209 μm,1 mm鳃丝上有35~39片鳃小片(图版Ⅰ-1~3)。尼罗罗非鱼鳃丝中段的直径76~83 μm,鳃丝间距90~103 μm,1 mm鳃丝上有29~32片鳃小片(图版Ⅰ-10~12)。
图版Ⅰ CLC. 氯细胞;FL. 鳃丝;MC. 粘液细胞;PVC. 扁平上皮细胞;SL. 鳃小片;FLP. 微嵴小横突;1. 黄鳍鲷基部鳃丝;2. 黄鳍鲷鳃丝中段;3. 黄鳍鲷鳃丝端部;4. 黄鳍鲷基部鳃丝表面;5. 黄鳍鲷中部鳃丝表面;6. 黄鳍鲷中部鳃丝表面(示平坦/凹凸交界处);7. 黄鳍鲷基部鳃丝细胞表面;8. 黄鳍鲷中部鳃丝细胞表面(示分泌孔);9. 黄鳍鲷端部鳃丝细胞表面;10. 尼罗罗非鱼基部鳃丝;11. 尼罗罗非鱼鳃丝中段;12. 尼罗罗非鱼鳃丝端部;13. 尼罗罗非鱼鳃丝中段表面;14. 尼罗罗非鱼端部鳃丝表面;15. 尼罗罗非鳃丝中段细胞表面(示微嵴两侧的小横突);16. 尼罗罗非鳃丝基部细胞表面图版Ⅰ CLC. chloride cell; FL. gill filament; MC. mucous cell; PVC. pavement cell; SL. secondary gill lamellae; FLP. fine lateral protuberances; 1. the base part of gill filaments of S.latus; 2. the middle part of gill filaments of S.latus; 3. the top part of gill filaments of S.latus; 4. surface architectures of the base part of gill filaments of S.latus; 5. surface architectures of the middle part of gill filaments of S.latus; 6. surface architectures of the middle part of gill filaments of S.latus, showing the smoothness surface have a common boundary with concaves surface; 7. the cell surface of the base part of gill filaments of S.latus; 8. secrete opening on cell surface architectures of the middle part of gill filaments of S.latus; 9. the cell surface of the top part of gill filaments of S.latus; 10. the base part of gill filaments of O.nilotica; 11. the middle part of gill filaments of O.nilotica; 12. the top part of gill filaments of O.nilotica; 13. surface architectures of the middle part of gill filaments of O.nilotica; 14. surface architectures of the top part of gill filaments of O.nilotica; 15. the cell surface of the middle part of gill filaments of O.nilotica, showing fine lateral protuberances on both sides of microridge; 16.the cell surface of the base part of gill filaments of O.nilotica2.2 鳃丝表面的微细结构
此文参照LAURENT[2]的划分方法,将鳃小片的表面称为鳃小片表皮,其余的表面统称为鳃丝表皮,在扫描电镜下能在鳃丝表皮上分辨出3种细胞,即扁平上皮细胞(pavement cells),氯细胞(chloride cells),粘液细胞(mucous cells),鳃丝表面主要由扁平上皮细胞构成。
扫描电镜显示,黄鳍鲷鳃丝表面一部分鳃丝表皮凹凸不平,另一部分鳃丝表皮较为平坦,鳃丝上皮细胞表面有微嵴形成的规则的指纹状回路,有时微嵴有融合。一些小型突起存在于基部鳃丝上皮,在高倍镜下观察,发现是散布的分泌孔,形状有圆形、椭圆形等,直径为2.0~2.6 μm,其内可见含有若干个小型的颗粒状分泌物(图版Ⅰ-4~6)。
尼罗罗非鱼鳃丝表面的扫描电镜显示,其鳃丝表面存在2种明显不同的表观结构,一部分鳃丝表皮平坦,而相邻另一部分鳃丝表皮凹凸不平。端部与中部鳃丝表皮凹凸不平,表皮凸出部分相互连接,在鳃丝表面形成网状结构。鳃表面由扁平上皮细胞所覆盖,细胞间排列紧密,扁平上皮细胞薄,高度血管化,表皮下分布大量的毛细血管而形成呼吸面隆起微嵴,细胞除边缘嵴由外至内凹陷,越往中心越低,每个细胞形成单个凹坑(图版Ⅰ-13~14)。
2.2.1 扁平上皮细胞
扁平上皮细胞的形态特点是表面有微嵴,微嵴的宽度1.67~2.56 μm。黄鳍鲷的微嵴主要以环形为主。单个细胞微嵴的形态基本一致,扁平上皮细胞表面观以不规则的六边形为主,或类似菱形的四边形,细胞间界限清楚(图版Ⅰ-7~9 )。尼罗罗非鱼鳃丝细胞表面的微嵴以形成密集指纹状回路,隆起的微嵴两侧有细小的横突。扁平上皮细胞间排列凹凸不平,形成深沟或凹坑,成为细胞间明确的界线(图版Ⅰ-15~16)。
2.2.2 氯细胞
黄鳍鲷鳃丝表面的氯细胞数量较多,散布于扁平细胞之间。其游离面明显向外膨胀,细胞边缘低于扁平上皮细胞的表面,氯细胞的粘液表层通常沉积在扁平上皮细胞的下面,在扁平细胞之间产生“开孔”,有些可见其分泌颗粒(图版Ⅰ-4~6)。而此次试验在尼罗罗非鱼鳃丝表面基本上没有观察到有氯细胞(图版Ⅰ-13~14)。
2.2.3 粘液细胞
粘液细胞主要根据其环形开口和排出的粘液物质来识别,电子显微镜显示其位于扁平上皮细胞纵深处或其他扁平上皮细胞之间。虽然扫描电镜下难以观察到其具体形态,但仍可凭借其特点分辨出来。在黄鳍鲷鳃丝的基部,中部及端部表面到处都有粘液细胞,以鳃丝基部上皮数量稍多(图版Ⅰ-4)。尼罗罗非鱼鳃丝表面的粘液细胞很难观察到,与大多数淡水鱼类相似。但有一些表皮细胞向外突出,其表面较平滑(直径4.2~8.3 μm),可能是尚未开口的粘液细胞(图版Ⅰ-13)。
2.3 鳃小片的形态结构
鱼类鳃小片的形状类似流线型,最高点位于鳃丝的迎水侧。黄鳍鲷的鳃小片在鳃丝不同部位的高度不一致,鳃丝端部的鳃小片较低矮,而中部较高(图版Ⅰ-3)。鳃小片高145~155 μm,宽41~45 μm,厚13~14 μm,鳃小片间距21~24 μm。
尼罗罗非鱼的鳃小片与黄鳍鲷的形态相比较略有不同,鳃小片高234~241 μm,宽34~38 μm,厚8.3~10.3 μm,鳃小片间距17~21 μm(图版Ⅰ-6)。2种鱼的鳃小片各部位之间的比较见表 1。
表 1 黄鳍鲷和尼罗罗非鱼鳃丝中部鳃小片的比较Table 1 Comparison of secondary gill lamellae on the middle part of gill filaments between S.latus and O.niloticaμm 鳃小片高
height鳃小片宽
width高宽比
height/width (H/W)厚度
thickness (X±S)*间距
interlamella space (X±S)*黄鳍鲷 S.latus 150±7.1(145~155) 43±2.8(41~45) 1/3.49 13.5±0.71(13~14) 22.5±2.12(21~24) 尼罗罗非鱼 O.nilotica 238±4.9(234~241) 36±2.8(34~38) 1/6.61 9.3±1.41(8.3~10.3) 19.0±2.83(17~21) 注:*. 平均值±标准差
Note:*.Mean±SD3. 讨论
(1) 鳃是鱼类的主要呼吸器官,鳃由众多的鳃丝组成,每一鳃丝又含有数千个的鳃小片,形成极大的适于气体交换的表面积,这种表面积有利于O2和CO2的交换。鳃小片是气体交换的场所,鳃丝和鳃小片上布满了各种复杂的环形微嵴、沟状或坑状凹陷以及孔洞等结构。流经鳃丝的水流方向与遍布鳃小片的血流方向相反,鳃丝和鳃小片的这些特点缩短了外部环境和血液之间的物质交换距离,有利于气体、离子和渗透物质的交换。一般来说,活跃鱼类与缓慢活动鱼类的鳃表面有极大的不同[11],上层鱼类与底栖鱼类的鳃表面也存在差异[4]。鳃丝结构的这些细微差异可能与其对生活环境、生活习性的长期演变相关。
(2) 方展强等[6]将苏氏NFDB2鲶Pangasius suitchi鳃丝表面分为呼吸面(由毛细血管及微绒毛构成凹凸不平部分)和非呼吸面(由四至六边形不等的微嵴细胞构成较为平坦部分)。此研究的观察结果与方展强等[6]对苏氏NFDB2鲶描述的情况大体相似。黄鳍鲷鳃丝表面一部分鳃丝表皮凹凸不平,另一部分鳃丝表皮较为平坦,两者可在同一观察区域找到,推测为鳃丝的侧面和正面的交界。细致的观察发现这2种不同的表面仍然以扁平上皮细胞为主,可能是氯细胞和粘液细胞分布和数量上的差异及分泌的粘液层特化的一种形式,这种表皮凹凸不平结构增加了鳃的表面积,增大表面的阻力,延缓水流经鳃表面的时间,从而有利于水分子和其他离子的吸附。尼罗罗非鱼的鳃丝表面凹凸不平,很难观察到粘液细胞,与大多数淡水鱼类相似,但有一些表皮细胞向外突出,据王志余和董双林[4]推测,这是尚未开口的粘液细胞,当在不良环境刺激下,其中游离表面破裂,可在短时间内排放出大量粘液,以保护鳃丝。另外,黄鳍鲷鳃丝表面的氯细胞数量较多,而尼罗罗非鱼鳃丝表面基本上未观察到有氯细胞,这可能表明尼罗罗非鱼在渗透能力和离子运输能力方面与黄鳍鲷存在着一定的差异。黄鳍鲷生活于海水或咸淡水的栖息环境,鳃丝结构的这些细微差异可能与其对不同盐度环境生活的长期演变相关。需要其具有较强的离子代谢能力,以维持鱼体内的渗透压平衡。
(3) 黄鳍鲷和尼罗罗非鱼2种鱼的鳃小片也与其他硬骨鱼类鳃小片一样,具有相类似的超微结构。由表 1可以看到,这2种鱼类鳃小片形状的主要区别在鳃丝的中部。两者的高宽比值显示出,若2种鱼类鳃小片的宽度相同的话,则黄鳍鲷鳃小片的高度仅为尼罗罗非鱼的0.53倍。这意味着黄鳍鲷鳃小片对水的阻力要比尼罗罗非鱼的小得多。从保证鱼类机体摄氧的角度来看,黄鳍鲷的鳃小片主要不是通过高度方向而是通过宽度方向来扩展鱼体所需的呼吸面积。鳃小片变厚使气体扩散距离变大,这使得呼吸摄氧效率变低。比较多种幼鱼的耗氧率发现,海水鱼苗的耗氧率一般比较高。依叶弈佐[12]的试验结果,几种淡水养殖鱼类的窒息点为0.11~0.88 mg · L-1,张中英等[13]测得尼罗罗非鱼的窒息点为0.07~0.23 mg · L-1,李加儿等[14]测得黄鳍鲷窒息点为0.927~1.97 mg · L-1。这表明黄鳍鲷用于维持生命活动的物质消耗相对较多。因此,在海水人工育苗、养殖及活鱼运输时,确定放养或装运密度,不能照搬淡水鱼的做法。
该研究通过扫描电镜观察比较,发现黄鳍鲷和尼罗罗非鱼鳃的微细结构对环境的适应而表现出一些差异。海水鱼类和淡水鱼类鳃上皮的几种细胞的形态结构差异与它们的功能之间的关系,仍有待通过透射电镜、组织化学分析等方法和实验进行更深入的研究。
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图版Ⅰ CLC. 氯细胞;FL. 鳃丝;MC. 粘液细胞;PVC. 扁平上皮细胞;SL. 鳃小片;FLP. 微嵴小横突;1. 黄鳍鲷基部鳃丝;2. 黄鳍鲷鳃丝中段;3. 黄鳍鲷鳃丝端部;4. 黄鳍鲷基部鳃丝表面;5. 黄鳍鲷中部鳃丝表面;6. 黄鳍鲷中部鳃丝表面(示平坦/凹凸交界处);7. 黄鳍鲷基部鳃丝细胞表面;8. 黄鳍鲷中部鳃丝细胞表面(示分泌孔);9. 黄鳍鲷端部鳃丝细胞表面;10. 尼罗罗非鱼基部鳃丝;11. 尼罗罗非鱼鳃丝中段;12. 尼罗罗非鱼鳃丝端部;13. 尼罗罗非鱼鳃丝中段表面;14. 尼罗罗非鱼端部鳃丝表面;15. 尼罗罗非鳃丝中段细胞表面(示微嵴两侧的小横突);16. 尼罗罗非鳃丝基部细胞表面
图版Ⅰ. CLC. chloride cell; FL. gill filament; MC. mucous cell; PVC. pavement cell; SL. secondary gill lamellae; FLP. fine lateral protuberances; 1. the base part of gill filaments of S.latus; 2. the middle part of gill filaments of S.latus; 3. the top part of gill filaments of S.latus; 4. surface architectures of the base part of gill filaments of S.latus; 5. surface architectures of the middle part of gill filaments of S.latus; 6. surface architectures of the middle part of gill filaments of S.latus, showing the smoothness surface have a common boundary with concaves surface; 7. the cell surface of the base part of gill filaments of S.latus; 8. secrete opening on cell surface architectures of the middle part of gill filaments of S.latus; 9. the cell surface of the top part of gill filaments of S.latus; 10. the base part of gill filaments of O.nilotica; 11. the middle part of gill filaments of O.nilotica; 12. the top part of gill filaments of O.nilotica; 13. surface architectures of the middle part of gill filaments of O.nilotica; 14. surface architectures of the top part of gill filaments of O.nilotica; 15. the cell surface of the middle part of gill filaments of O.nilotica, showing fine lateral protuberances on both sides of microridge; 16.the cell surface of the base part of gill filaments of O.nilotica
表 1 黄鳍鲷和尼罗罗非鱼鳃丝中部鳃小片的比较
Table 1 Comparison of secondary gill lamellae on the middle part of gill filaments between S.latus and O.nilotica
μm 鳃小片高
height鳃小片宽
width高宽比
height/width (H/W)厚度
thickness (X±S)*间距
interlamella space (X±S)*黄鳍鲷 S.latus 150±7.1(145~155) 43±2.8(41~45) 1/3.49 13.5±0.71(13~14) 22.5±2.12(21~24) 尼罗罗非鱼 O.nilotica 238±4.9(234~241) 36±2.8(34~38) 1/6.61 9.3±1.41(8.3~10.3) 19.0±2.83(17~21) 注:*. 平均值±标准差
Note:*.Mean±SD -