合方鯽肌間骨骨化過(guò)程及形態(tài)學(xué)觀察

王 靜，張 俏，趙 瓊，趙飛躍，韓 慧，林雅楠，羅凱坤，劉少軍

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 省部共建淡水魚(yú)類(lèi)發(fā)育生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó) 長(zhǎng)沙 410081)

合方鯽肌間骨骨化過(guò)程及形態(tài)學(xué)觀察

王 靜?，張 俏?，趙 瓊，趙飛躍，韓 慧，林雅楠，羅凱坤，劉少軍

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 省部共建淡水魚(yú)類(lèi)發(fā)育生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó) 長(zhǎng)沙 410081)

利用整體骨骼染色和形態(tài)學(xué)解剖方法，對(duì)合方鯽仔稚魚(yú)肌間骨出現(xiàn)時(shí)期、形態(tài)發(fā)育以及成魚(yú)肌間骨數(shù)目、形態(tài)、分布進(jìn)行觀察.結(jié)果表明合方鯽肌間骨是在主體骨骼完全形成后開(kāi)始出現(xiàn)，隨著生長(zhǎng)肌間骨形態(tài)逐漸復(fù)雜化；肌間骨從尾部往軀體前端逐漸出現(xiàn),形態(tài)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，尾部末端骨化明顯；肌間骨數(shù)量和形態(tài)在體軸中呈現(xiàn)梯度差異.

合方鯽；肌間骨；形態(tài)發(fā)育

肌間骨是魚(yú)類(lèi)中特有的一種膜性硬骨,位于肌間隔中，由肌隔結(jié)締組織不經(jīng)過(guò)軟骨階段直接骨化而成，其功能目前尚未有定論.肌間骨分為髓弓小骨、脈弓小骨以及椎體小骨[1-2].肌間骨的演化過(guò)程與魚(yú)類(lèi)的系統(tǒng)進(jìn)化有密切聯(lián)系.目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)魚(yú)類(lèi)肌間骨的研究多處于形態(tài)方面，如秉志[3]、房連聰[4]、柯中和[5]、呂耀平[6]和BIRD等[7]分別對(duì)鯉科魚(yú)類(lèi)的鯉、淇河鯽、鰱、唇、斑馬魚(yú)肌間骨的骨化時(shí)間及發(fā)育進(jìn)行了描述.這些不同種類(lèi)魚(yú)的肌間骨骨化時(shí)間具有顯著差異.

鯽屬鯉科，鯉亞科，鯽屬.湖南師范大學(xué)魚(yú)類(lèi)發(fā)育生物學(xué)研究室以雌性日本白鯽和雄性紅鯽為親本進(jìn)行雜交, 獲得了雜交子代二倍體合方鯽.二倍體合方鯽體色為青灰色，具有生長(zhǎng)速度快、肉質(zhì)鮮嫩、抗逆性強(qiáng)等特征[8].利用雌性二倍體合方鯽與雄性四倍體鯽鯉(紅鯽(♀)×鯉魚(yú)(♂))交配還培育出不育的三倍體合方鯽.本研究選取二倍體和三倍體合方鯽為材料，利用整體骨骼染色法對(duì)合方鯽仔稚魚(yú)肌間骨的發(fā)育過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)觀察，并對(duì)成魚(yú)進(jìn)行形態(tài)解剖，分析不同倍性的合方鯽肌間骨數(shù)目和形態(tài)差異，了解合方鯽肌間骨骨化的基本規(guī)律以及形態(tài)分布特點(diǎn),為后期基因敲除培育無(wú)肌間骨的優(yōu)質(zhì)鯽奠定基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究中的二倍體合方鯽和三倍體合方鯽均取自教育部“多倍體繁殖及育種技術(shù)”工程研究中心.從受精后13天開(kāi)始，每隔3天選取發(fā)育正常的仔、稚魚(yú)作為樣本用于骨骼染色.每隔3天取一次樣，每次每個(gè)樣本10尾，用4%多聚甲醛固定，取至肌間骨全部出現(xiàn)為止.用于解剖與形態(tài)觀察的樣本按月齡取材，每次8尾.

1.2 合方鯽仔、稚魚(yú)整體骨骼染色

結(jié)合柯中和[5]及呂耀平[6]等人的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)合方鯽仔、稚魚(yú)進(jìn)行整體骨骼染色.具體操作步驟如下： (1)用去離子水漂洗樣本3次，每次30 min，去除多聚甲醛；(2)將仔魚(yú)放置于TBST 溶液中(50 mmol/L Tris pH 7.4 ，150 mmol/L NaCl，體積分?jǐn)?shù)為0.1%的Triton X-100)處理30 min，用去離子水漂洗10 min，以去除殘余的TBST溶液；(3)轉(zhuǎn)移標(biāo)本至1%KOH溶液中浸泡10～30 min，使組織透明(具體時(shí)間根據(jù)魚(yú)體大小調(diào)整)；(4)經(jīng)透明的標(biāo)本轉(zhuǎn)移至新的1%KOH 溶液中，滴加茜素紅染色液(1 g茜素紅溶于100 mL 1%KOH溶液中配制成染色液)，直至溶液顏色變?yōu)樯钭仙?，染?～3 h (具體時(shí)間根據(jù)魚(yú)體大小和季節(jié)溫度調(diào)整)，倒掉染色液，用1%KOH溶液洗去組織中殘余的染色液；(5)用1%KOH 溶液覆蓋標(biāo)本，加入少量體積分?jǐn)?shù)為1%的雙氧水，放置在強(qiáng)光下照射，褪去色素，當(dāng)標(biāo)本表面出現(xiàn)氣泡時(shí)終止反應(yīng)，倒掉溶液，加1%KOH 溶液漂洗(若魚(yú)體透明度足夠或太小則不需要).染色好的標(biāo)本放置于倒置顯微鏡下觀察，并拍照記錄.

1.3 成魚(yú)肌間骨的解剖與形態(tài)學(xué)觀察

實(shí)驗(yàn)魚(yú)經(jīng)測(cè)量后，用紗布將整個(gè)魚(yú)體包好，置沸水鍋中煮10～15 min(具體時(shí)間根據(jù)魚(yú)體大小調(diào)整).取出，冷卻后去除紗布，用鑷子小心剝?nèi)ヴ~(yú)皮.將魚(yú)體以脊椎骨為界劃分為軸上肌和軸下肌兩個(gè)部分，從尾部向頭部順著肌節(jié)用鑷子小心地剝開(kāi)肌肉，依次取出肌間骨.肌間骨按照按從頭部到尾部的順序排列整齊，魚(yú)體左側(cè)肌間骨在上，右側(cè)肌間骨在下.然后用數(shù)碼相機(jī)對(duì)已排列有序的肌間骨進(jìn)行拍照記錄.

2 結(jié)果

2.1 二倍體合方鯽和三倍體合方鯽肌間骨的發(fā)育和骨化時(shí)間

通過(guò)肌間骨染色觀察后發(fā)現(xiàn)：受精后23 dpf(days post fertilization)內(nèi)仔稚魚(yú)主骨骼逐漸形成，但沒(méi)有肌間骨存在(圖1A)；26 dpf的樣本中，仔稚魚(yú)主軸骨骼及附肢骨骼已骨化完全，并首次在尾部出現(xiàn)肌間骨，其形態(tài)呈“|”形；30 dpf，尾部處出現(xiàn)多條肌間骨，且都呈“|”形，之后肌間骨不斷由尾部向頭部方向分化出現(xiàn)(圖1B)；33 dpf，肌間骨明顯增多，已生長(zhǎng)至背鰭后端且尾部出現(xiàn)“Y”形肌間骨(圖1D)；40 dpf，肌間骨已明顯骨化，形態(tài)清晰，數(shù)目增多，長(zhǎng)度增長(zhǎng)，軀干軸上部分出現(xiàn)大量“|”形肌間骨，尾部出現(xiàn)較多“Y”形肌間骨(圖1E)；在53 dpf，肌間骨全部出現(xiàn).

A. 20 dpf，魚(yú)苗主體骨骼未發(fā)育完全；B.30 dpf，尾部出現(xiàn)較多肌間骨，呈“|”形；C. 33 dpf,尾部肌間骨增多，并出現(xiàn)“Y”形肌間骨；D. 33 dpf，背鰭后端逐漸出現(xiàn)肌間骨；E. 40 dpf，軀干軸上肌前端出現(xiàn)肌間骨肌間骨數(shù)目增多，長(zhǎng)度增長(zhǎng)；F. 40 dpf，尾部出現(xiàn)較多“Y”形肌間骨圖1 合方鯽肌間骨發(fā)育形態(tài)學(xué)觀察(箭頭所指為肌間骨)Fig.1 Morphological observation of intermuscular bone development of WR (arrows indicated the intermuscular bones)

2.2 二倍體合方鯽、三倍體合方鯽成魚(yú)肌間骨的形態(tài)與分布

根據(jù)呂耀平等人[6]對(duì)肌間骨形態(tài)的分類(lèi)方法，可將肌間骨分為“|”形、“卜”形、“Y”形、一端多叉形、兩端兩分叉形、兩端多叉形和樹(shù)枝形共7種類(lèi)型(圖2A～G).通過(guò)解剖發(fā)現(xiàn)，合方鯽髓弓小骨具有這7種類(lèi)型，而脈弓小骨多為“|”形、“卜”形、“Y”形和樹(shù)枝形.從整體來(lái)看，髓弓小骨的形態(tài)比脈弓小骨更復(fù)雜.合方鯽左右兩側(cè)肌間骨數(shù)目并不完全一致，形態(tài)上具有一定差異.在分布上，軸上肌中的肌間骨數(shù)目最多，從頭部后側(cè)至尾部均存在；軸下肌中的肌間骨相對(duì)較少，僅分布于尾柄范圍內(nèi)(圖3，表1). 肌間骨有秩序地埋藏在椎體兩側(cè)的肌間隔中，髓弓小骨位于背部肌間隔中，脈弓小骨位于腹部肌間隔中.肌間骨沿運(yùn)動(dòng)方向順著肌隔分布，其長(zhǎng)度從軀干部向尾部逐漸縮短.

A. “|”形；B. “卜” 形；C. “Y” 形；D. 一端多叉形；E. 兩端兩分叉形；F. 兩端多分叉形；G. 樹(shù)枝形圖2 合方鯽肌間骨形態(tài)圖Fig.2 Shapes of intermuscular bones of WR

注：肌間骨按從頭到尾順序依次排列.len:左側(cè)髓弓小骨；lep:左側(cè)脈弓小骨；ren:右側(cè)髓弓小骨；rep:右側(cè)脈弓小骨圖3 合方鯽肌間骨分布圖Fig.3 Distribution of intermuscular bones in WR

樣品位置總數(shù)“|”形“卜”形“Y”形一端多叉形兩端多叉形兩端兩分叉形樹(shù)枝形二倍體合方鯽左側(cè)軸上292253485左側(cè)軸下133242101右側(cè)軸上293243764右側(cè)軸下144152101三倍體合方鯽左側(cè)軸上267724222左側(cè)軸下148311001右側(cè)軸上288326531右側(cè)軸下149410000

3 討論

3.1 肌間骨的形態(tài)與分布

肌間骨根據(jù)自身直接或間接附著位置可分為髓弓小骨、椎體小骨、脈弓小骨3種類(lèi)型.董在杰等[9]發(fā)現(xiàn)鰱、鳙、團(tuán)頭魴和異育銀鯽這幾種鯉科魚(yú)類(lèi)都含有這3種類(lèi)型肌間骨.然而并不是所有魚(yú)類(lèi)都包含這3種類(lèi)型的肌間骨.本研究發(fā)現(xiàn)合方鯽只有髓弓小骨和脈弓小骨，沒(méi)有椎體小骨.這與柯中和[5]對(duì)鰱魚(yú)的觀察一致，推測(cè)可能與外界環(huán)境、基因變異等方面有關(guān)系[10].通過(guò)解剖觀察可以發(fā)現(xiàn)，合方鯽魚(yú)體兩側(cè)的肌間骨數(shù)目并不完全相同，其形態(tài)分布也略有差異，但十分相近.這與董在杰[9]所報(bào)道的其他幾種鯉科魚(yú)類(lèi)的結(jié)果是一致的[9].二倍體和三倍體合方鯽的肌間骨數(shù)目無(wú)顯著差異(P>0.05)，肌間骨總數(shù)均為80～90.

肌間骨由肌隔結(jié)締組織不經(jīng)過(guò)軟骨階段直接骨化而成.目前關(guān)于肌間骨的具體作用還沒(méi)有定論，但主流的觀點(diǎn)認(rèn)為肌間骨起著支撐肌肉、傳導(dǎo)肌肉力量、幫助魚(yú)體運(yùn)動(dòng)的作用[2].本研究通過(guò)形態(tài)解剖發(fā)現(xiàn)合方鯽軸上肌中的肌間骨數(shù)目最多，從尾部至頭部均存在，其長(zhǎng)度從軀干部向尾部逐漸縮短；軸下肌中的肌間骨僅分布在尾部至腹腔與尾部的過(guò)渡區(qū)域，靠近腹腔處的肌間骨長(zhǎng)度最短，骨化程度最弱.因此，可以推斷肌間骨長(zhǎng)度差異可能是因肌肉的分布差異造成的，如：軸下肌腹腔部分肌肉較少，且有肋骨支撐，因此肌間骨幾乎沒(méi)有分布；尾部肌間骨分布較多，推測(cè)是為了更好地傳導(dǎo)肌肉力量，加強(qiáng)魚(yú)尾部游動(dòng)能力.

肌間骨的形態(tài)類(lèi)型多樣.在合方鯽中，“卜”形很少出現(xiàn)，且存在另外一種“(”形肌間骨，根據(jù)其所處位置及形態(tài)，可認(rèn)為“(”形和“卜”形是在肌間骨演化進(jìn)程中介于“|”形和“Y”形的過(guò)渡類(lèi)型.

3.2 肌間骨的骨化與發(fā)育過(guò)程

對(duì)于肌間骨的出現(xiàn)時(shí)機(jī)，本研究發(fā)現(xiàn)二倍體合方鯽和三倍體合方鯽的肌間骨是在主軸骨骼和附肢骨骼都已骨化完全后才開(kāi)始出現(xiàn)(圖1C)，且髓弓小骨與脈弓小骨都是從尾部向前端依次出現(xiàn)(圖1E)，其形態(tài)隨其生長(zhǎng)發(fā)育由尾部向頭部方向逐漸復(fù)雜化(圖1F).在肌間骨的發(fā)育過(guò)程中，二倍體和三倍體合方鯽的肌間骨發(fā)育時(shí)間基本相同，一般在26 dpf之后開(kāi)始出現(xiàn)，但相同時(shí)期的三倍體合方鯽體型略長(zhǎng)于二倍體合方鯽，因此相同位置的肌間骨三倍體略長(zhǎng)于二倍體.

通過(guò)骨骼染色觀察發(fā)現(xiàn)，合方鯽在受精后第26天于尾部出現(xiàn)第一枚肌間骨，形態(tài)呈“|”型.與鰱在43 dpf (體長(zhǎng)為10.50 mm)[5]，唇在35 dpf (體長(zhǎng)為23.67 mm)時(shí)首次出現(xiàn)肌間骨[6]相比，合方鯽的肌間骨骨化時(shí)間較早，但肌間骨首次出現(xiàn)的部位都在尾部，且形態(tài)都為“|”型.姚文杰等[11]對(duì)斑馬魚(yú)和日本鰻魚(yú)的肌間骨骨化過(guò)程進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)斑馬魚(yú)肌間骨骨化主要是從后端到前端區(qū)域，而呈典型的鰻狀游泳方式的日本鰻魚(yú)肌間骨則是從前往后骨化，提示不同魚(yú)類(lèi)肌間骨的骨化過(guò)程不同可能與其游泳方式不同有關(guān).

合方鯽肌間骨在26 dpf開(kāi)始骨化，53 dpf骨化完全.肌間骨骨化出現(xiàn)時(shí)，魚(yú)體主軸骨骼和附肢骨骼已經(jīng)骨化完全，魚(yú)體運(yùn)動(dòng)覓食能力已基本完善，肌間骨出現(xiàn)前后魚(yú)體運(yùn)動(dòng)攝食能力并無(wú)顯著差異.此外，根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn)，肌間骨與魚(yú)類(lèi)的系統(tǒng)演化是密切相關(guān)的.從低等到高等真骨魚(yú)類(lèi), 肌間骨的形態(tài)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜然后退化，肌間骨的出現(xiàn)與消失可認(rèn)為是真骨魚(yú)類(lèi)演化過(guò)程中某一特定階段的產(chǎn)物.因此，肌間骨實(shí)際是一種痕跡器官[5].從理論上說(shuō)，在合方鯽肌間骨形成之前抑制其骨化出現(xiàn)，培育無(wú)肌間骨的合方鯽是可行的.合方鯽肌間骨出現(xiàn)時(shí)間為26 dpf，可以該時(shí)間點(diǎn)為依據(jù)，對(duì)該時(shí)間點(diǎn)之前和之后的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測(cè)定，分析差異表達(dá)基因，篩選出肌間骨發(fā)育相關(guān)的關(guān)鍵基因，為后期基因敲除培育無(wú)肌間骨魚(yú)類(lèi)奠定基礎(chǔ).

肌間骨的發(fā)育過(guò)程可以分為兩個(gè)途徑：①“|”形—“卜”形—“Y”形—一端多叉形.②“|”形—“卜”形—“Y”形—兩端兩分叉形—兩端多叉形—樹(shù)枝形[5].本研究發(fā)現(xiàn)在合方鯽中這兩種演化方向都有可能，且不存在直接由“Y”形演化為樹(shù)枝形的情況.在骨舌魚(yú)總目中最原始的肌間小骨形態(tài)是沒(méi)有分叉的，在此之后的骨鰾總目的肌間骨都是從“|”形肌間骨演化而來(lái)的[2].在低等真骨魚(yú)類(lèi)中肌間骨的演化是從簡(jiǎn)單的“|”形逐步演化為復(fù)雜的“卜”形、“Y”形、兩端多叉形和樹(shù)枝形.在對(duì)合方鯽仔稚魚(yú)肌間骨染色觀察發(fā)現(xiàn)， 合方鯽肌間骨首先在尾部以“|”形出現(xiàn)，然后按照“|”形—“Y”形—多叉形的方向不斷形成.53 dpf后，肌間骨完全出現(xiàn)，隨著合方鯽不斷生長(zhǎng)發(fā)育，其肌間骨數(shù)目無(wú)明顯增加，但形態(tài)仍不斷復(fù)雜化.從整體來(lái)看，肌間骨從前向后呈現(xiàn)出從復(fù)雜到簡(jiǎn)單的排列順序.形態(tài)越復(fù)雜的肌間骨越晚發(fā)生，這提示我們，合方鯽肌間骨的發(fā)育過(guò)程可能包括兩個(gè)步驟，首先是產(chǎn)生誘導(dǎo)肌間隔結(jié)締組織形態(tài)分化的信號(hào)，并從軀體前端向尾部呈梯度分布誘導(dǎo)肌間骨前體結(jié)締組織形態(tài)分化；然后是產(chǎn)生從尾部向頭部呈梯度分布的骨化信號(hào)，誘導(dǎo)形態(tài)已分化的結(jié)締組織從尾部向軀體前部依次骨化[5].本研究發(fā)現(xiàn)合方鯽尾部最后幾根肌間骨形態(tài)較粗，骨化程度強(qiáng)烈，端部分枝復(fù)雜，形態(tài)介于“|”形和樹(shù)枝形中間，這與其他魚(yú)中報(bào)道的尾部“|”形肌間骨存在一定差異.

3.3 前景展望

培育無(wú)肌間骨的優(yōu)質(zhì)鯽魚(yú)是魚(yú)類(lèi)遺傳創(chuàng)新的目標(biāo)之一.經(jīng)過(guò)魚(yú)類(lèi)遠(yuǎn)緣雜交技術(shù)等遺傳改良方法可以獲得肌間刺少的優(yōu)良品種[12-13].通過(guò)人工誘導(dǎo)雌核發(fā)育純合二倍體使突變基因的性狀得以表現(xiàn)，可篩選到無(wú)肌間骨草魚(yú)突變體[14].雖然目前對(duì)魚(yú)類(lèi)肌間骨的研究有了很大的突破，但肌間骨的形成是一個(gè)復(fù)雜的程序性發(fā)生過(guò)程，這一現(xiàn)象涉及生命活動(dòng)的各個(gè)水平，包括多個(gè)信號(hào)通路——TGFβ信號(hào)通路、Wnt信號(hào)通路以及PI3K通路等；多種細(xì)胞——間充質(zhì)細(xì)胞、骨原細(xì)胞、成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞[15]；多個(gè)組織——肌肉、結(jié)締組織、血液等；魚(yú)體發(fā)育的多個(gè)時(shí)期——胚胎期、魚(yú)苗階段、成魚(yú)階段.因此對(duì)肌間骨的研究還有待深入.

隨著高通量測(cè)序的發(fā)展，從基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀遺傳學(xué)方面能更加全面分析肌間骨發(fā)育的分子遺傳機(jī)制[16-17].利用現(xiàn)代生物技術(shù)，嘗試通過(guò)基因敲除、基因抑制、雌核發(fā)育、雄核發(fā)育、雜交選育等技術(shù)來(lái)獲得無(wú)肌間骨的魚(yú)，豐富魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖新品種，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的創(chuàng)新是對(duì)肌間骨進(jìn)行研究的最終目標(biāo).本研究首次對(duì)雜交鯽肌間骨的發(fā)生發(fā)育過(guò)程進(jìn)行了研究，從中探究雜交對(duì)肌間骨形成的影響，為后期無(wú)肌間骨魚(yú)類(lèi)的研發(fā)奠定基礎(chǔ).

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(編輯 WJ)

Ossification Process and Morphology of Intermuscular Bones in Hybrids Crucian Carp

WANGJing?,ZHANGQiao?,ZHAOQiong,ZHAOFei-yue,HANHui,LINYan-nan,LOUKai-kun,LIUShao-jun*

(State Key Laboratory of Developmental Biology of Freshwater Fish,College of Life Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410081, China)

Applying the methods of overall skeletal staining and morphological anatomy, in the present study, we investigated the emergence time, morphogenesis, number, shape and distribution of intermuscular bones in the hybrid crucian carp derived from white crucian carp(♀)× red crucian carp(♂) (WR). Our results show that the intermuscular bones of WR appear after the formation of the main body skeleton. During the growth of WR, the shapes of intermuscular bones become more perplexed. The intermuscular bones first appear in the tail and then in the head. Their form change from simplicity to complexity is coincident with the appearance from the tail to the head. In addition, the intermuscular bones in tail highly ossify. A gradient difference pattern along the axis in the number and morphology of intermuscular bones is present.

hybrid crucian carp; intermuscular bone; morphological development

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.02.006

2016-06-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31201980)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14JJ3072)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年資助項(xiàng)目(16B160);湖南師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)資助項(xiàng)目(2015-41)

Q959.46+8

A

1000-2537(2017)02-0039-05

?同等貢獻(xiàn)

*通訊作者,E-mail：lsj@hunnu.edu.cn