趙洋洋, 祁 玥, 王曉寧, 趙 偉

蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730000

青海沙蜥(Phrynocephalusvlangalii)隸屬于爬行綱(Reptilia),蜥蜴目(Lacertiformes),鬣蜥科(Agamidae),沙蜥屬(Phrynocephalus),廣泛分布在青藏高原2700—4500 m的荒漠和半荒漠干旱地區(qū)[1],是研究爬行動物對高海拔適應(yīng)的理想物種之一。近年來,為探究爬行動物高海拔適應(yīng)機(jī)制,國內(nèi)學(xué)者對青海沙蜥的生理特征、生活史特征、腸道微生物、轉(zhuǎn)錄組等方面進(jìn)行了深入的研究[2- 7]。

高海拔地區(qū)的低溫低氧對高原土著動物,造成了巨大的選擇壓力[8]。低溫低氧限制動物的能量收入,從而影響能量輸出,如隨著海拔梯度的升高,青海沙蜥雌性的繁殖輸出下降[2- 3];標(biāo)準(zhǔn)代謝速率下降[4]。然而有研究表明,青海沙蜥高海拔種群雖然新生幼仔更小,但生長速率更快,從而在更短的時間內(nèi)達(dá)到性成熟[5],說明沙蜥可能通過其他的適應(yīng)性進(jìn)化增強(qiáng)自身的能量吸收或利用。

動物消化系統(tǒng)是攝取、消化和吸收能量的主要場所,其功能受組織結(jié)構(gòu)和腸道微生物的共同影響。為適應(yīng)高海拔低溫低氧的影響,青海沙蜥消化系統(tǒng)隨海拔升高而變化,如胃的相對質(zhì)量增大[9];腸道微生物組成發(fā)生改變[6]。然而,高海拔能量限制是否會導(dǎo)致沙蜥消化道組織結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性變化仍未可知。為進(jìn)一步理解青海沙蜥對高海拔的適應(yīng),本文通過解剖和組織切片對其消化系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和嗜銀細(xì)胞進(jìn)行了研究,以期為揭示爬行類的高原適應(yīng)機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗材料取自保存在蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的青海沙蜥成體標(biāo)本20只(雌雄各10只)。標(biāo)本保存在8%的福爾馬林溶液中,系2010年采集自青海省海西州(37°09′ N,97°35′ E,2980 m)。

1.2 方法

解剖取其消化道,并區(qū)分食管、賁門、胃體、幽門、十二指腸、空腸、回腸、直腸各部分。首先用游標(biāo)卡尺測量各部位的長度,精確到0.01 mm,然后分別取各部分組織約5 mm進(jìn)行切片。將固定好的組織進(jìn)行酒精梯度脫水,透明,浸蠟,包埋與修蠟,并用KD- 2020A切片機(jī)切成6 μm厚的條帶。貼片后進(jìn)行梯度脫蠟與復(fù)水。每個部位的裝片分成兩組,其中一組進(jìn)行H.E染色,另一組采用Grimelius銀染色法[10]進(jìn)行染色。脫水透明后用樹膠封片以備鏡檢。

用CX 40顯微鏡對裝片進(jìn)行觀察,每張裝片隨機(jī)選取3個視野(目鏡10×,物鏡40×),并用OD630K成像系統(tǒng)拍照,使用MvImage vt軟件對照片進(jìn)行分析,測量消化道各部位厚度,精確到0.01 μm,并記錄每個部位的嗜銀細(xì)胞數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

由于消化道長度與吻肛長(Snout-vent length,SVL)顯著正相關(guān)(r=0.289,P<0.001),故將消化道各段長度對SVL進(jìn)行線性回歸,保留未標(biāo)準(zhǔn)化的殘差作為SVL校正后的長度用于后續(xù)分析。采用two-way ANOVA分析消化道各段長度(SVL校正后)、管壁厚度和噬銀細(xì)胞數(shù)量的差異,其中長度、厚度或噬銀細(xì)胞數(shù)量作為因變量,性別和部位作為因子,并用Tukey′s b進(jìn)行多重比較分析。本文所有數(shù)據(jù)分析均使用SPSS 22完成,數(shù)值均以mean±SE形式表示, 顯著水平設(shè)置為a=0.05。

2 實驗結(jié)果

2.1 消化管形態(tài)學(xué)

青海沙蜥的消化道管壁可以分為4層結(jié)構(gòu),由管腔內(nèi)向外可依次分為黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層。

食管 細(xì)長的管狀結(jié)構(gòu),位于消化道的前端,前接咽部后接賁門部,分界并不明顯。長(10.60±0.26) mm,管壁厚(71.90±4.71) μm。食管內(nèi)腔分布有許多凸起的黏膜皺襞,分支10—15個;黏膜上皮為排列整齊的單層柱狀上皮。黏膜肌層較薄。黏膜下層明顯且較厚,由疏松結(jié)締組織構(gòu)成,內(nèi)分布有血管和淋巴管。肌層分為兩層：內(nèi)側(cè)的環(huán)肌和外側(cè)的縱肌,以內(nèi)環(huán)肌為主,內(nèi)外肌均為平滑肌。漿膜較薄且明顯。在食管中可見分布有大量的橢圓形的杯狀細(xì)胞(圖1)。

胃 最為膨大的部分,呈U型,從上端到下端依次分為賁門、胃體、幽門,各部分無明顯的分界線,全長(18.78±0.44) mm;賁門部位于胃的最上端,黏膜凸起形成皺襞,排列規(guī)則且分枝較少,管壁厚(309.06±26.44) μm;胃體部最為粗大,腔內(nèi)有大量縱行連續(xù)、排列整齊的黏膜皺襞,管壁厚(303.16±15.77) μm。幽門部的皺襞同樣排列規(guī)則整齊,并且有一個粗大的皺襞,管壁厚(442.74±24.73) μm。胃中具有發(fā)達(dá)的賁門腺、胃底腺和幽門腺,并有黏膜上皮下陷形成的胃小凹。黏膜肌層薄且明顯。黏膜下層較厚,分布有血管和淋巴組織。肌層由內(nèi)環(huán)外縱的兩層平滑肌構(gòu)成,肌層平均厚度為(107.05±3.64) μm(圖1)。

小腸 消化道內(nèi)最為細(xì)長的部分,由前至后依次分為十二指腸、空腸和回腸,全長(42.94±1.14)mm。十二指腸與幽門分界明顯,形狀彎曲,長(11.70±0.18) mm,管徑較粗,管壁厚(76.66±6.06) μm?？漳c長(11.45±0.37) mm,管徑較十二指腸略細(xì),管壁厚(77.65±5.58)μm?；啬c長(19.85±0.70) mm,是小腸中最細(xì)長的部分,管壁厚(71.86±6.61) μm。腸腔內(nèi)的絨毛發(fā)達(dá),無分枝,十二指腸絨毛較為細(xì)長,多呈彎曲的指狀,約11—13個;空腸內(nèi)的絨毛較為粗大,多呈直立狀或彎曲狀,約17—20個;回腸部絨毛呈直立或彎曲狀,約15—17個。小腸中還具有發(fā)達(dá)的腸腺和中央乳糜管,黏膜肌層薄且明顯;黏膜下層分布有血管、淋巴管等;肌層同樣由內(nèi)環(huán)肌和外縱肌兩層平滑肌構(gòu)成,漿膜較薄(圖1)。

直腸 管徑明顯增粗,與小腸的分界明顯。長(21.71±0.37) mm,管壁厚(212.74±12.64) μm。黏膜上皮中分布有大量的杯狀細(xì)胞,比小腸部增多;黏膜皺襞不發(fā)達(dá),變的低矮粗大。黏膜下層較厚,有血管分布直腸的肌層明顯變厚,以環(huán)形肌為主;漿膜膜為上皮細(xì)胞(圖1)。

圖1 青海沙蜥消化道各部分顯微結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of various parts of digestive tract of P. vlangaliiGc：杯狀細(xì)胞 Goblet cell;Mm：黏膜肌層 Muscularis mucosa;Cm：環(huán)肌 Circular muscle;Lm：縱肌 Longitudinal muscle;Cg：賁門腺 Cardiac gland;Fg：胃底腺 Fundic gland;Bv：血管 Blood vessel;Pg：幽門腺 Pyloric gland;Ig：腸腺 Intestinal gland;Cl：中央乳糜管 Central lacteal;Iv：小腸絨毛 Intestinal villi;Tm：肌層 Tunica muscularis

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),性別對消化道各段長度沒有顯著性影響 (F1,227=1.495,P=0.223),各段的長度差異顯著 (F5,227=141.328,P<0.001) (圖2),性別與部位之間交互作用并不顯著 (F5,227=0.384,P=0.859) 。同樣,性別對消化道各段管壁厚度沒有顯著性影響 (F1,144=1.139,P=0.288),各段的厚度差異顯著 (F7,144=91.285,P<0.001) (圖2),性別與部位之間交互作用并不顯著 (F7,144=1.501,P=0.171)。

圖2 青海沙蜥消化道各段長度和管壁厚度的對比Fig.2 Comparison of the length and wall thickness of digestive tract of P. vlangalii

2.2 消化道嗜銀細(xì)胞的分布、形態(tài)和密度

嗜銀細(xì)胞在青海沙蜥的消化道中廣泛分布,其中胃體部分布密度最大,賁門部次之,回腸部最少(表1)。整體而言,從食管開始下行至直腸,青海沙蜥嗜銀細(xì)胞的分布密度曲線形狀類似于倒“V”形。

統(tǒng)計表明,性別對消化道各段的嗜銀細(xì)胞密度沒有顯著性影響 (F1,144=0.017,P=0.896),各部位嗜銀細(xì)胞密度差異顯著 (F7,144=71.863,P<0.001) (表1),性別與部位之間交互作用并不顯著 (F7,144=0.474,P=0.852)。

表1 青海沙蜥消化道各部位嗜銀細(xì)胞的密度

青海沙蜥消化道嗜銀細(xì)胞的形狀多樣,食管胃體幽門十二指腸直腸部位的嗜銀細(xì)胞主要呈錐體形或梭形,賁門空腸回腸的嗜銀細(xì)胞則主要呈橢圓形。嗜銀細(xì)胞主要分布于上皮細(xì)胞基部或上皮細(xì)胞之間(圖3)。

圖3 青海沙蜥消化道各段嗜銀細(xì)胞的形狀與分布Fig.3 The shape and distribution of argyrophil cell in each part of digestive tract of P. vlangalii圖中箭頭所指即為嗜銀細(xì)胞

3 結(jié)論與討論

3.1 消化系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

消化系統(tǒng)是動物攝食、消化和吸收的主要場所,決定了動物對食物消化和吸收的速率[11- 12]。小腸是營養(yǎng)物質(zhì)吸收的主要部位,與低海拔蜥蜴[13- 14]相比,青海沙蜥小腸(十二指腸、空腸和回腸)的占比更高,有利于增強(qiáng)對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。其中,鈣等物質(zhì)主要在十二指腸內(nèi)被吸收;糖類、蛋白質(zhì)和脂肪的消化產(chǎn)物及維生素、水和無機(jī)鹽主要在十二指腸和空腸被吸收;回腸可主動吸收膽鹽和維生素B12。研究表明,高海拔蜥蜴脂肪代謝率增加,而膽鹽和維生素B12對脂肪的消化吸收具有重要意義。此外,鈣離子有助于心肌收縮,促進(jìn)血液循環(huán)并增加氧氣供應(yīng)[15- 18]。這說明青海沙蜥腸道結(jié)構(gòu)的變化有助于對高海拔低溫低氧的適應(yīng)。

消化道形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化對動物自身能量平衡和食物變異的適應(yīng)具有重要作用[19]。與麗斑麻蜥(Eremiasargus)[20]或蠟皮蜥(Leiolepisreevesii)[21]的復(fù)層鱗狀上皮不同,青海沙蜥的食管上皮為單層柱狀上皮。區(qū)別于麗斑麻蜥的骨骼肌肌層[20],青海沙蜥食管肌層為平滑肌,且食管內(nèi)具有發(fā)達(dá)的黏膜皺襞和可分泌粘液的杯狀細(xì)胞,有利于潤滑食物和保護(hù)黏膜[22]。青海沙蜥胃內(nèi)具有連續(xù)的發(fā)達(dá)皺襞和肌層,尤其是內(nèi)環(huán)肌特別厚,可以擴(kuò)大胃的容積,并增強(qiáng)胃的蠕動能力。與蠟皮蜥[21]、凹耳臭蛙(Odorranatormota)[23]、山溪鯢(Batrachuperuspinchonii)[24]的小腸不同,青海沙蜥具有空腸且中央乳糜管特別發(fā)達(dá),可能與增強(qiáng)消化吸收能力有關(guān)。青海沙蜥直腸內(nèi)有少量粗大皺襞,杯狀細(xì)胞增多,可以有效潤滑食物殘渣和糞便,并且較厚的肌層增強(qiáng)了直腸的蠕動,有利于殘渣和糞便的排出。

3.2 嗜銀細(xì)胞

嗜銀細(xì)胞在脊椎動物(圓口綱除外)消化道內(nèi)廣泛分布[25],且在消化道內(nèi)的分布特點存在種間差異[26]。與絕大多數(shù)兩棲爬行動物研究相同[27- 29],青海沙蜥的嗜銀細(xì)胞廣泛分布在消化道各部分。在秦嶺滑蜥(Scincellatsinlingensis)[14]、麗斑麻蜥[30]中,嗜銀細(xì)胞在胃體部分布最高。黑龍江草蜥(Takydromusamurensis)[31]、白條草蜥(Takydromuswolteri)[32]中,嗜銀細(xì)胞在幽門部分布最高。多疣壁虎(Gekkojaponicus)[33]的嗜銀細(xì)胞在十二指腸分布密度最高。變色樹蜥(Calotesversicolor)[34]在空腸分布最高。青海沙蜥的的嗜銀細(xì)胞在胃體部分布密度最高,其次是賁門部,這種分布情況與麗斑麻蜥[30]類似。

嗜銀細(xì)胞是一種內(nèi)分泌細(xì)胞,主要分泌5-羥色胺(5-hydroxy tryptamine, 5-HT),在調(diào)節(jié)消化功能中起著重要作用[35]。麗斑麻蜥的消化道內(nèi)具有圓形和橢圓形的嗜銀細(xì)胞,分泌的激素不進(jìn)入管道,直接進(jìn)入血液,具有內(nèi)分泌的功能[30]。有學(xué)者認(rèn)為內(nèi)分泌細(xì)胞可能以外分泌方式將5-HT排到腸腔,但形態(tài)學(xué)依據(jù)不足[36]。本研究發(fā)現(xiàn)青海沙蜥消化道內(nèi)有錐體形的嗜銀細(xì)胞,其尖端朝向消化道腸腔或者朝向腺體,這種形狀和分布特點可能揭示了嗜銀細(xì)胞的外分泌功能。還有些學(xué)者認(rèn)為,嗜銀細(xì)胞具有內(nèi)、外分泌功能[37- 38]。青海沙蜥的消化道內(nèi)觀察到形狀類似于長梭形的嗜銀細(xì)胞,其兩端分別指向消化腔和固有層,表明這種內(nèi)分泌細(xì)胞可能具有內(nèi)分泌和外分泌兩種功能。

3.3 結(jié)論

綜上,青海沙蜥小腸占消化道總長的比例增加延長了食物在消化道內(nèi)的停留時間,增強(qiáng)了對鈣、脂類和維生素等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力;腸道內(nèi)中央乳糜管發(fā)達(dá),加強(qiáng)了吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力;嗜銀細(xì)胞在消化道內(nèi)廣泛分布,以胃部最多,其分泌物可有效的增強(qiáng)消化能力。本文表明,青海沙蜥消化道特有的組織結(jié)構(gòu)特點為青海沙蜥適應(yīng)高海拔環(huán)境提供了有力的保障。