王 秋,張學(xué)成,李進(jìn)道
(中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院,山東 青島266003)
半索動(dòng)物腸鰓類(lèi)廣泛分布于南、北兩半球的大洋沿岸以及深海中,迄今發(fā)現(xiàn)有60~70種。它們大多數(shù)為底內(nèi)動(dòng)物,營(yíng)穴居生活,少數(shù)種類(lèi)為底上動(dòng)物,棲息于海藻或石塊之間。由于形態(tài)構(gòu)造、胚胎發(fā)育和繁殖方式的特點(diǎn),在生物進(jìn)化研究中占有重要的地位。
再生(Regeneration)是動(dòng)物和植物中常見(jiàn)的生物學(xué)現(xiàn)象,指生物體對(duì)失去的結(jié)構(gòu)重新自我修復(fù)或代替的過(guò)程,生物器官或組織損傷后,保留的部分生長(zhǎng)出與原來(lái)形態(tài)與功能相同的器官或組織的現(xiàn)象。半索動(dòng)物是一類(lèi)再生能力較強(qiáng)的動(dòng)物,其再生和無(wú)性生殖較早引起了學(xué)者的注意。Spengel在描述腸鰓類(lèi)一般形態(tài)時(shí),首次提到了腸鰓類(lèi)具有與無(wú)性生殖有密切關(guān)系的再生現(xiàn)象[1]。Kuwano發(fā)現(xiàn)三崎柱頭蟲(chóng)(Balanoglossus misakiensis)具有再生現(xiàn)象[2]。Dawydoff以實(shí)驗(yàn)的方法比較全面的研究了微小舌形蟲(chóng)(Glossobanlanuss minutus)的再生現(xiàn)象[3]。Gilchrist研究了翼柱頭蟲(chóng)(Ptychodera)的雙態(tài)性(Dimorphism)和無(wú)性繁殖[4]。Morton發(fā)現(xiàn)柱頭蟲(chóng)(Balanoglossusaustrallensis)也存在無(wú)性生殖現(xiàn)象[5]。Tweedell將玉鉤蟲(chóng)科(Harrimanlidae)科氏長(zhǎng)吻蟲(chóng)(Saccoglossuskowalevlevskii)的蟲(chóng)體橫切為2段觀察它們的再生現(xiàn)象[6]。Petersv指出:翼柱頭蟲(chóng)(Ptychodera)、柱頭蟲(chóng)(Balanoglossus)和舌形蟲(chóng)(Glossobanlanus)都是以同一模式進(jìn)行無(wú)性生殖[7]。Miyamoto研究了柱頭蟲(chóng)(Balanoglossussimodensis)蟲(chóng)體不同斷片的再生現(xiàn)象[8]。
1960年,中國(guó)海洋大學(xué)生命學(xué)院(原山東海洋學(xué)院生物系)胚胎學(xué)教研室李嘉泳教授指導(dǎo)作者開(kāi)始了三崎柱頭蟲(chóng)(Balanoglossusmisakiensis)生殖和發(fā)育的研究。1966年因故工作中斷。在1980年重新開(kāi)展三崎柱頭蟲(chóng)生殖和發(fā)育研究的工作時(shí),多次發(fā)現(xiàn)了它們具有再生現(xiàn)象,并做了深入的研究。
1980—1982 年,每年6~10月,在山東省青島市辛島灣潮間帶采集完整無(wú)缺的三崎柱頭蟲(chóng)(Balanoglossusmisakiensis),柱頭蟲(chóng)用裝有海水的廣口保溫瓶當(dāng)日帶回實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)。
實(shí)驗(yàn)用柱頭蟲(chóng)均以直徑25cm,高12cm的圓形水槽進(jìn)行室內(nèi)飼養(yǎng),以采集地區(qū)的沙質(zhì)基質(zhì)鋪滿(mǎn)水槽底部(厚度約5~6cm)。水槽內(nèi)砂質(zhì)基質(zhì)上自然生長(zhǎng)的底棲硅藻和碎屑作為主要餌料,另投入人工培養(yǎng)的三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)。飼養(yǎng)水溫控制在17~20℃。
1980年6 月~1982年6月采集的部分三崎柱頭蟲(chóng)在暫養(yǎng)期間發(fā)生了自切,在上述培養(yǎng)條件下對(duì)自切片段的再生進(jìn)行了觀察,共觀察了6條個(gè)體。1981年秋~1982年春對(duì)113條柱頭蟲(chóng)進(jìn)行了人工手術(shù)橫切后的再生實(shí)驗(yàn)。使用剃刀片(或發(fā)縛)對(duì)三崎柱頭蟲(chóng)做橫切手術(shù),橫切手術(shù)類(lèi)型和橫切部位如下:
A型 自蟲(chóng)體的生殖翼和肝區(qū)之間橫切為2段。手術(shù)時(shí)確保蟲(chóng)體后段肝囊的完整。
B型 將蟲(chóng)體橫切為3段。Ⅰ段包括吻、領(lǐng)、鰓區(qū)及生殖翼;Ⅱ段是肝區(qū)部分;Ⅲ段是肝囊以后的腸和肛門(mén)。C型 將蟲(chóng)體橫切為4段。Ⅰ段包括吻、領(lǐng)、和鰓區(qū);Ⅱ段是鰓區(qū)后面的生殖翼部分;Ⅲ段是肝囊;Ⅳ段是腸區(qū)和肛門(mén)。
切割后的蟲(chóng)體斷片飼養(yǎng)方法如上所述,對(duì)照個(gè)體(4例)與實(shí)驗(yàn)個(gè)體置于同一條件下飼養(yǎng)。
能夠重建全部失去的器官,恢復(fù)完整的個(gè)體,并且生活習(xí)性和生存能力與母體相同的斷片視為再生個(gè)體,否則視為未再生斷片。
1980年6月28 日采集了1條柱頭蟲(chóng),雌性,體長(zhǎng)約40cm,身體細(xì)長(zhǎng)柔軟,消化道內(nèi)充滿(mǎn)沙粒和碎屑,身體表面裹以黏液和沙粒。洞穴呈U字形,深度約15cm,生殖翼不夠豐滿(mǎn),采集時(shí)氣溫為25℃,洞穴內(nèi)水溫為24℃,打開(kāi)洞穴時(shí)可以嗅到強(qiáng)烈的碘氣味,可能是三碘甲烷氣體[CHI3]。在飼養(yǎng)過(guò)程中,蟲(chóng)體夜間離開(kāi)洞穴活動(dòng),見(jiàn)光后鉆入基質(zhì),生殖翼逐漸豐滿(mǎn)。8月底采集地自然環(huán)境條件下柱頭蟲(chóng)的生殖期已過(guò),但是已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)卵前狀態(tài)的飼養(yǎng)個(gè)體沒(méi)有排卵。9月2日飼養(yǎng)水溫提升到25℃,由于升溫的刺激,迅速排放了卵子,數(shù)小時(shí)之內(nèi)生殖翼中的卵子幾乎全部排光。排卵后的蟲(chóng)體于9月3日沿著生殖翼的中后部自切為前、后2個(gè)段片。前段包含吻、領(lǐng)、鰓區(qū)和生殖翼的一部分,后段包含生殖翼大部、肝囊區(qū)、腸區(qū)和肛門(mén)。缺少吻的后段雖然維持生命狀態(tài)直到10月初,但是始終不能鉆入基質(zhì),沒(méi)有攝食行為,沒(méi)有出現(xiàn)再生前端器官的跡象,歷時(shí)近1個(gè)月解體。前段從自切到開(kāi)始攝食和開(kāi)始鉆入基質(zhì)的時(shí)間不足48h,恢復(fù)夜間離開(kāi)洞穴活動(dòng),清晨再鉆進(jìn)基質(zhì)的生活習(xí)性。9月底前段生殖翼的后端發(fā)生了明顯退化,并進(jìn)行重建(Remodeling)活動(dòng)。10月底重建的前段生長(zhǎng)良好,再生出肝囊和腸,成為完整的個(gè)體,生活習(xí)性完全恢復(fù)了正常,夜出晝伏,攝食積極。后由于室內(nèi)溫度連續(xù)下降,蟲(chóng)體活動(dòng)能力逐漸減弱,鉆進(jìn)基質(zhì)耗費(fèi)的時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng),12月初室溫下降到7℃時(shí),蟲(chóng)體完全失去鉆進(jìn)基質(zhì)的能力,在基質(zhì)表面自切為數(shù)段,不久即完全死亡。再生蟲(chóng)體體長(zhǎng)最終達(dá)到母體體長(zhǎng)的一半,大約20cm。這條柱頭蟲(chóng)在飼養(yǎng)條件下共生活了156d。
1981年7月2 日采集了另一條柱頭蟲(chóng),雄性,體長(zhǎng)約35cm。7月4日,蟲(chóng)體在肝囊的后部邊沿處自切為2個(gè)段片。7月5日,前段又沿著生殖翼的后部發(fā)生了自切。7月6日,后部的2個(gè)段片死亡。惟有前端的斷片可以鉆入基質(zhì),7月底重建再生了后部的肝囊、腸和肛門(mén),恢復(fù)了正常生活(見(jiàn)圖1)。10月15日自然死亡,體長(zhǎng)約15cm。共生存105d。
圖1 三崎柱頭蟲(chóng)自切再生蟲(chóng)體Fig.1 A regenerative body of B.misakiensis by self-cleavage
1981年10月6 日和16日采集的2批柱頭蟲(chóng),飼養(yǎng)期間各有1條個(gè)體沿著肝囊的前部自切為2個(gè)段片。再生情況與上述基本一致,前段能夠重建蟲(chóng)體失去的后部所有器官,后段未能再生出失去的蟲(chóng)體前部。
1982年5~6 月間,又觀察到2條自切為2段的個(gè)體,再生情況同上述基本一致。
1981年秋~1982年春對(duì)84條柱頭蟲(chóng)做了A型、B型和C型分類(lèi)手術(shù)橫切實(shí)驗(yàn),1982年4月對(duì)29條柱頭蟲(chóng)做了C型手術(shù)橫切重復(fù)實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表1)。
實(shí)驗(yàn)切割的斷片70%能存活20d以上,46%能存活30d以上。各種不同手術(shù)類(lèi)型的Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ段片都沒(méi)有重建失去的器官和恢復(fù)完整的個(gè)體,沒(méi)有再生能力。
不同手術(shù)類(lèi)型的Ⅰ段片都能不同程度地重建失去的后部器官。能夠重建全部失去的器官,實(shí)現(xiàn)再生的比率很高。手術(shù)橫切再生的蟲(chóng)體見(jiàn)圖2。
84條橫切為2段、3段和4段的實(shí)驗(yàn),Ⅰ段片的再生率分別為44%、59%和52%。29條C型手術(shù)橫切為4個(gè)段片的重復(fù)實(shí)驗(yàn),Ⅰ段片再生率為17%。包括重復(fù)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的113條試驗(yàn)蟲(chóng)體Ⅰ段片的平均再生率為42%。生存30d以上的Ⅰ段片,65%實(shí)現(xiàn)了再生。3種不同切割類(lèi)型的Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ斷片均未發(fā)生再生。4例對(duì)照個(gè)體,在實(shí)驗(yàn)期間均發(fā)生了自切再生,情況如前所述。
本文結(jié)果表明,三崎柱頭蟲(chóng)具有吻和領(lǐng)的自切前端機(jī)體幾乎都能再生,重建失去的后部器官;具有吻和領(lǐng)的手術(shù)橫切斷片重建能力也很強(qiáng),大約半數(shù)能再生缺失器官。生存時(shí)間越長(zhǎng)的手術(shù)斷片,實(shí)現(xiàn)再生的可能性越大,生存30d以上的斷片65%可能再生。但是失去吻和領(lǐng)的自切和手術(shù)橫切兩者的其它斷片均失去了這種再生能力??梢?jiàn),含有吻和領(lǐng)的前端機(jī)體,對(duì)三崎柱頭蟲(chóng)的器官重建、再生個(gè)體的重要性。
表1 三崎柱頭蟲(chóng)橫切斷片成活與再生個(gè)體的統(tǒng)計(jì)Table 1 Regeneration of transverse parts in Balanoglossusmisakiensis
圖2 三崎柱頭蟲(chóng)手術(shù)橫切再生蟲(chóng)體Fig.2 A regenerative body of B.misakiensis by operational cleavage
Tweedell[6]以玉鉤蟲(chóng)科(Harrimanlidae)的科氏長(zhǎng)吻蟲(chóng)(Saccoglossuskowalevlevskii)為材料,將蟲(chóng)體橫切為2段觀察它們的再生現(xiàn)象。結(jié)果隨著斷面自吻部逐步向后移動(dòng),后面片斷再生身體前部器官的能力逐漸減弱。當(dāng)斷面在鰓區(qū)后部時(shí),斷片的再生極性發(fā)生了改變,即后段失去了再生前部器官的能力,而前段的后端卻有較強(qiáng)的再生出身體后部器官的能力。他認(rèn)為科氏長(zhǎng)吻蟲(chóng)再生極性與切割面的部位有關(guān)。Miyamoto[8]將柱頭蟲(chóng)(Balanoglossussimodensis)橫切為10段,也發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)體不同斷片再生能力不同的現(xiàn)象。
Dawydoff[3]以實(shí)驗(yàn)的方法比較全面的研究了微小舌形蟲(chóng)(Glossobanlanussminutus)的再生現(xiàn)象。他將蟲(chóng)體從頭部到尾部切為4段,Ⅰ段為吻和領(lǐng)部,Ⅱ段為鰓、生殖翼部,Ⅲ段為肝囊區(qū)和部分腸區(qū),Ⅳ段為腸區(qū)和肛門(mén)。結(jié)果Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段的前端均再生出吻、領(lǐng)和鰓等器官,第Ⅰ段沒(méi)有再生出身體的后部器官。說(shuō)明微小舌形蟲(chóng)除了含有吻和領(lǐng)的機(jī)體前端沒(méi)有再生能力之外,機(jī)體其它部位的再生能力具有一致性,即有能力重建缺失的器官、再生出新的個(gè)體。
值得注意的是,三崎柱頭蟲(chóng)的再生極性和微小舌形蟲(chóng)的再生極性表現(xiàn)出完全不同的分化。三崎柱頭蟲(chóng)只有含有吻和領(lǐng)部的前部機(jī)體能夠重建失去的器官實(shí)現(xiàn)再生,機(jī)體的其它部位沒(méi)有這種能力。這種現(xiàn)象與已經(jīng)研究過(guò)的其它腸鰓類(lèi)動(dòng)物[3,6,8]也是不相同的,值得進(jìn)一步研究。
R9ttinger等[9]綜述了半索動(dòng)物的發(fā)育,認(rèn)為這類(lèi)動(dòng)物處于動(dòng)物發(fā)育的十字路口,并且可能成為研究再生現(xiàn)象的模式生物。
(1)三崎柱頭蟲(chóng)與其它腸鰓類(lèi)相同,有較強(qiáng)的再生能力。
(2)三崎柱頭蟲(chóng)自切或?qū)嶒?yàn)切割后,具有吻、領(lǐng)及鰓區(qū)的前段蟲(chóng)體具有再生后部器官恢復(fù)完整個(gè)體的能力。不具有這些器官的其它斷片則沒(méi)有再生能力。
(3)柱頭蟲(chóng)與舌形蟲(chóng)相比較,再生能力在性質(zhì)上具有明顯的差異。
附言:國(guó)內(nèi)柱頭蟲(chóng)的研究工作始于1930年代。1960年代初進(jìn)行了生殖生態(tài)研究,獲得了早期胚胎,受到先師童第周先生的重視和支持。1960年代中期工作中斷了。1980年代初期在飼養(yǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了柱頭蟲(chóng)的再生現(xiàn)象,開(kāi)始對(duì)其再生進(jìn)行研究。這次實(shí)驗(yàn)是國(guó)內(nèi)至今僅有的一次柱頭蟲(chóng)再生實(shí)驗(yàn),先后經(jīng)歷了四代人的努力,歷時(shí)三十余年。世界在這方面的研究也極少見(jiàn)。因?yàn)橄x(chóng)體柔軟易斷和營(yíng)底內(nèi)生活的習(xí)性,完整活體標(biāo)本不易采集到是研究極少的重要原因之一。唐樂(lè)明、王統(tǒng)崗、劉海玲等幫助采得了大量的完整活體標(biāo)本,錢(qián)培元、吳敏寧、管永紅等學(xué)生參加了工作,僅致謝意!
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