吳利敏,袁淑儀,趙晨華,潘啟根,樊素晗,田雪,王磊,李學(xué)軍
(河南師范大學(xué) 水產(chǎn)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453007)
淇河鯽(Carassiusauratus),鯉形目(Cypriniformes),鯉科(Cyprinidae),鯽屬(Carassius),是鯽魚在漫長的進(jìn)化過程中形成的變異地方性種群之一,可以通過雌核發(fā)育這種單性生殖方式繁殖后代,在河南北部廣泛養(yǎng)殖,也是河南省特有的名貴魚類[1~4]。盡管淇河鯽具有很多優(yōu)良的性狀,但由于各種原因,淇河鯽的基礎(chǔ)研究和養(yǎng)殖開發(fā)都發(fā)展緩慢,導(dǎo)致其養(yǎng)殖規(guī)模和推廣地域都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于彭澤鯽、異育銀鯽和工程鯽等鯽魚。自從淇河鯽被引種成為人工養(yǎng)殖對(duì)象,其養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大,對(duì)淇河鯽苗種的需求量也增大,因此圍繞淇河鯽胚胎發(fā)育特性及其影響因素展開研究就顯得尤為必要。
探究淇河鯽胚胎發(fā)育特性,首先要對(duì)魚類早期發(fā)育的總體研究現(xiàn)狀有所了解。魚類胚胎發(fā)育是一個(gè)涉及了多種因素參與的復(fù)雜而連續(xù)的生長過程,涵蓋了外部形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞分化和胚胎組織間相互影響等階段,雖然起決定作用的是細(xì)胞內(nèi)基因的表達(dá)等遺傳因素,但是正常的胚胎發(fā)育過程還常常要受到溫度、溶氧、pH值、鹽度、光照強(qiáng)度等多種生態(tài)因子的制約[5,6]。其中,溫度對(duì)魚類的生長發(fā)育繁殖及新陳代謝等各種生理機(jī)能都有巨大的影響,其產(chǎn)卵、胚胎發(fā)育、仔魚生長所需要的適宜溫度也不盡相同,而在這些生理過程中,胚胎發(fā)育對(duì)適宜的溫度最為依賴[6]。
多種研究表明不同的孵化溫度不僅會(huì)影響胚胎的孵化歷時(shí),也會(huì)影響胚胎內(nèi)部的形態(tài)、胚胎孵化率與受精率,更甚者會(huì)影響仔魚的體長、卵黃囊大小及肌節(jié)的分化[7~10]。多數(shù)鯉科魚類孵化歷時(shí)3~4天不等,而影響其孵化歷時(shí)的最重要因素就是溫度;在非鯉科魚類中,溫度對(duì)胚胎及幼魚發(fā)育影響的研究更是數(shù)不勝數(shù),并且這些研究結(jié)果均表明,在一定限度內(nèi),隨著溫度的升高,胚胎發(fā)育進(jìn)程加快,且溫度對(duì)胚胎的孵化率與受精率均存在顯著影響,但溫度過高會(huì)影響胚胎成活率甚至?xí)绊懗醴踝恤~的生長及發(fā)育[11~21]。
根據(jù)郭永燦[8]的研究,鰱、草魚胚胎只有在16~33 ℃才能成活,對(duì)溫度較為敏感的發(fā)育階段有原腸期、囊胚期和出膜期,而原腸期是鰱、草魚胚胎對(duì)溫度最敏感的階段。觀察不同溫度下胡子鯰受精卵的發(fā)育情況,發(fā)現(xiàn)低溫(20±1.5 ℃)條件中,在胚孔封閉前胚胎尚能保持正常發(fā)育,一旦到達(dá)器官分化時(shí)期則會(huì)出現(xiàn)尾芽無法伸長或背部隆起等畸形情況,并且在胚胎孵化前死亡[22]。陳昆慈等[23]認(rèn)為,寶石鱸胚胎正常發(fā)育溫度范圍是21~31 ℃,最適溫度在24~27 ℃,胚胎發(fā)育歷時(shí)與溫度成反比例關(guān)系。隨著對(duì)魚類胚胎溫度敏感性研究的深入,南海水產(chǎn)研究所李加兒等[24]發(fā)現(xiàn),溫差對(duì)胚胎發(fā)育早期的影響較小,但是一旦進(jìn)入原腸期,不同溫度下的胚胎發(fā)育特性即呈現(xiàn)出明顯差異。
在自然條件或人工飼養(yǎng)條件下,常常會(huì)發(fā)生溫排水、天氣變幻、活魚運(yùn)輸以及生產(chǎn)養(yǎng)殖等引起的溫度驟變,所以探究溫度對(duì)淇河鯽胚胎發(fā)育影響具有很高的生產(chǎn)實(shí)際價(jià)值。異育銀鯽胚胎正常發(fā)育溫度范圍是13~25 ℃,孵化歷時(shí)隨溫度上升而縮短,最適溫度范圍內(nèi)孵化率最高[18]。溫度驟變對(duì)稀有鮈鯽胚胎不同發(fā)育階段的影響不同,胚孔封閉期是熱敏感期,眼基期耐受溫度驟變的能力大于肌肉效應(yīng)期[11]。
盡管生物機(jī)體對(duì)溫度的變化具有一定的適應(yīng)調(diào)控能力,但是這種調(diào)控能力有限,如果超出了適應(yīng)能力范圍,就會(huì)引起機(jī)體正常生命活動(dòng)受到干擾,極端情況下甚至可能造成死亡。確定胚胎發(fā)育的合適溫度是人工繁育所必須掌握的基礎(chǔ)生物學(xué)指標(biāo)。關(guān)于不同溫度對(duì)淇河鯽胚胎發(fā)育的影響的研究目前鮮有報(bào)道,因此,本研究初步展開溫度對(duì)淇河鯽胚胎發(fā)育影響的研究,也為探索雌核發(fā)育過程與普通兩性結(jié)合有性生殖的區(qū)別提供了一定的參考,更為生產(chǎn)上淇河鯽苗種繁育以及資源增殖提供參考資料。
淇河鯽取自河南師范大學(xué)水產(chǎn)養(yǎng)殖基地,在淇河鯽繁育季節(jié)挑取體質(zhì)健壯、性腺發(fā)育良好、個(gè)體大小均一的親魚(約500 g左右)。
2017年4月20日將雌雄親魚按8∶1的比例放入親魚池,人工注射催產(chǎn)素,隨后放入養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行流水刺激,效應(yīng)時(shí)間結(jié)束后采用干法受精獲得受精卵,將受精卵均勻撒在15個(gè)直徑40 cm的玻璃培養(yǎng)皿中,受精卵會(huì)黏在培養(yǎng)皿底部,每個(gè)培養(yǎng)皿中胚胎數(shù)量相仿,控制在100粒左右。然后將培養(yǎng)皿分為5組,每組3個(gè)平行,各組水溫分別控制在24,27,30,33 ℃;剩下一組作為對(duì)照保持在室溫(21 ℃左右)孵化。每隔10 min調(diào)整一次加熱棒,每次上調(diào)3 ℃,直到溫度穩(wěn)定在各實(shí)驗(yàn)組設(shè)置的溫度。每天為各個(gè)溫度條件下胚胎換水一次,每次換水前將水溫調(diào)至實(shí)驗(yàn)設(shè)置溫度再換水,確保不影響胚胎發(fā)育。
參考馬海艷等關(guān)于銀鯽胚胎發(fā)育觀察結(jié)果[18],定期觀察淇河鯽胚胎發(fā)育狀況,發(fā)育時(shí)序以50%的胚胎發(fā)育至某個(gè)時(shí)期的時(shí)間計(jì)算,用Zeiss顯微鏡觀察各時(shí)期胚胎特征并拍照,并統(tǒng)計(jì)胚胎從受精卵發(fā)育至卵裂期、囊胚期、原腸胚、神經(jīng)胚、尾芽、心跳、出膜等時(shí)期所用的時(shí)間。
孵化過程中定期選擇不同溫度一定數(shù)目的胚胎在顯微鏡下觀察其發(fā)育情況,并統(tǒng)計(jì)不同溫度下胚胎從一個(gè)時(shí)期發(fā)育到下一時(shí)期所用時(shí)間。在囊胚期統(tǒng)計(jì)不同溫度下胚胎的受精率,出膜期統(tǒng)計(jì)孵化率,為確保準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)胚胎受精率,本試驗(yàn)另外設(shè)置沒有受精的卵子作為對(duì)照。采用SPSS軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),顯著性水平設(shè)為0.05。
受精率=受精卵數(shù)/卵子總數(shù)×100%
孵化率=孵出仔魚數(shù)/受精卵總數(shù)×100%
淇河鯽胚胎發(fā)育特性與黃河鯉、異育銀鯽“中科3號(hào)”類似。在水溫(21±1)℃時(shí),淇河鯽的胚胎發(fā)育經(jīng)歷約(71.95±0.34) h。根據(jù)其外部形態(tài)特征分為7個(gè)階段:受精、卵裂期、囊胚、原腸胚期、神經(jīng)胚期、器官形成和孵化出膜。淇河鯽胚胎發(fā)育過程中各時(shí)期特點(diǎn)如下:
受精卵:淇河鯽與異育銀鯽同屬銀鯽,受精卵類似,都為黏性卵,卵質(zhì)分布均勻,極性不明顯(圖1-1)。
桑葚胚期:在受精后,細(xì)胞開始分裂,先是一分為二,隨著發(fā)育的進(jìn)行,大約25 min分裂一次,在受精后(2.75±0.11)h左右,細(xì)胞越來越多,看起來狀如桑葚,此時(shí)就進(jìn)入了桑椹胚期(圖1-2)。
囊胚期:桑椹胚期后大約0.6 h,胚胎會(huì)很快進(jìn)入囊胚初期,此時(shí)細(xì)胞仍在繼續(xù)分裂但此時(shí)分裂的細(xì)胞數(shù)目很難看清楚,細(xì)胞堆積在動(dòng)物極一側(cè),占整個(gè)細(xì)胞體積的1/3左右;在桑葚胚后(4.19±0.16)h(受精后(7.01±0.05)h左右),分裂球圍繞卵黃逐漸向兩側(cè)延伸,分裂球變矮,最后像一頂帽子扣在卵黃上,此時(shí)胚胎發(fā)育便進(jìn)入了囊胚晚期(圖1-3)。
原腸胚期:在囊胚期后(5.55±0.18)h(受精后(12.55±0.05)h左右),扣在卵黃上的帽子繼續(xù)圍繞卵黃下包,下包面積擴(kuò)大至整個(gè)胚胎的1/2,至此胚盾和胚孔還未出現(xiàn),此時(shí)便完成了原腸胚中期的分裂(圖1-4),在下包至2/3時(shí),便完成了整個(gè)原腸胚的分裂。
神經(jīng)胚:在原腸胚中期后(2.84±0.14)h(受精后(15.34±0.22)h左右),胚胎經(jīng)原腸胚繼續(xù)發(fā)育至神經(jīng)胚,此時(shí)胚層下包至胚胎的4/5,胚孔仍未完全閉合,此階段為魚類神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和成熟階段(圖1-5)。
肌節(jié)出現(xiàn):在神經(jīng)胚后大約1.98 h(受精后17.31 h左右),隨著胚胎的繼續(xù)發(fā)育,在神經(jīng)胚后不久,可觀察到胚孔完全閉合,在胚胎軀干中段出現(xiàn)了兩對(duì)肌節(jié),進(jìn)入肌節(jié)出現(xiàn)期(圖1-6)。
尾芽期:在肌節(jié)出現(xiàn)后神經(jīng)胚后(8.65±0.12)h(受精后(25.97±0.32)h左右),胚胎軀干部位中段可以看到四對(duì)體節(jié),胚體尾部可看到明顯的小尾巴,進(jìn)入尾芽期(圖1-7)。
心跳期:在尾芽期后(9.45±0.15)h(受精后(35.39±0.37)h),在頭部后方可看到心臟跳動(dòng),且隨著胚胎發(fā)育的進(jìn)行,心跳速度越來越快,并可清晰看到血夜循環(huán)的過程,此時(shí)進(jìn)入心跳期(圖1-8)。
出膜前期:在心跳期后(33±0.15)h(受精后(68.95±0.37)h)左右,胚胎在膜內(nèi)不斷擺動(dòng),卵膜變薄變軟,此時(shí)進(jìn)入出膜前期(圖1-9)
出膜:出膜前期(3.55±0.13)h(受精后(71.95±0.34)h)后在頭部及尾部擺動(dòng)和相關(guān)酶的作用下,胚胎完成了孵化過程(圖1-10)。
溫度對(duì)動(dòng)物胚胎發(fā)育至關(guān)重要,適宜的溫度能夠提升胚胎的孵化率,縮短胚胎的出膜時(shí)間。本研究設(shè)置了5個(gè)溫度梯度(21、24、27、30、33 ℃),記錄不同溫度條件下淇河鯽胚胎發(fā)育各階段歷時(shí)及發(fā)育完成總歷時(shí),并統(tǒng)計(jì)受精率與孵化率。從表1可以看出,不同溫度條件對(duì)淇河鯽胚胎發(fā)育所經(jīng)歷的時(shí)間有顯著影響,基本呈現(xiàn)發(fā)育時(shí)間與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。但是不同溫度對(duì)胚胎發(fā)育初期(受精卵到桑椹胚)的歷時(shí)影響較小,而對(duì)胚胎發(fā)育后期(桑椹胚之后)所需時(shí)間影響較大(P<0.05)。同時(shí)結(jié)果顯示,過高的溫度(33 ℃)對(duì)淇河鯽胚胎是致命的,胚胎在囊胚期全部死亡(成活個(gè)體<5%),可能是胚胎孵化相關(guān)酶的失活引起的。
圖1 淇河鯽胚胎發(fā)育Fig.1 Embryonic development of Qihe crucian carp 注:1.受精卵;2.桑椹胚期;3.囊胚期;4.原腸胚期;5.神經(jīng)胚期;6.肌節(jié)出現(xiàn)期;7.尾芽期;8.心跳期;9.出膜前期;10.出膜?! ote:1. fertilized egg;2. morula stage;3. blastula stage;4. gastrula stag;5. neurula stage; 6. sarcomere stage;7. tail-bud stage; 8. heart-beating stage; 9.pre-hatching stage; 10. Hatching stage.
由圖2和圖3可見,在21~27 ℃,淇河鯽胚胎受精率與孵化率隨著溫度的升高而升高;在27~33 ℃,受精率與孵化率隨著溫度的升高而降低。其中,27 ℃時(shí)胚胎的孵化率顯著高于其他溫度(P<0.05),而胚胎的受精率卻在24 ℃時(shí)最高,但與27、30 ℃時(shí)卻沒有顯著性差異(P>0.05),這也說明了溫度對(duì)于胚胎的受精率影響較小,而對(duì)胚胎的孵化率影響較大。
從表2中可以看出,不同鯽魚胚胎發(fā)育歷時(shí)差別較大,但在(20±1) ℃這一溫度條件下均需經(jīng)歷大概72 h才能完成胚胎發(fā)育、出膜,其中白鯽胚胎發(fā)育速度較快(20.5~24.5 ℃時(shí)為41.7 h)。溫度對(duì)鯽魚胚胎發(fā)育的影響是顯著的,總體表現(xiàn)為在一定溫度范圍內(nèi)隨著溫度的升高胚胎發(fā)育的時(shí)間逐漸縮短,多倍體鯽魚對(duì)溫度更加敏感。普安銀鯽在18 ℃時(shí)胚胎從受精卵到出膜經(jīng)歷了98.7 h,而在26 ℃時(shí)只用了48.2 h。芙蓉鯽在17.5~20.5 ℃時(shí)所需時(shí)間為73.0 h,當(dāng)溫度升高到20.5~24.5 ℃時(shí)胚胎發(fā)育的時(shí)間縮短到44.75 h。異育銀鯽“中科3號(hào)”在18 ℃需要時(shí)間94.27 h,而其在32 ℃時(shí)經(jīng)歷了28.47 h,這都與本研究中的淇河鯽的研究結(jié)果一致,表明了溫度對(duì)胚胎發(fā)育的時(shí)間有著顯著影響。
表1 不同溫度下淇河鯽胚胎發(fā)育各階段歷時(shí)Table 1 The time of Qihe crucian carp embryonic development need to each stage at different temperatures
注:1. 受精卵-桑椹胚 2. 桑椹胚-囊胚晚期;3. 囊胚晚期-原腸胚中期;4. 原腸胚中期-神經(jīng)胚;5. 神經(jīng)胚-尾芽;6. 尾芽-心跳;7. 心跳-出膜。不同字母表示存在顯著性差異(P<0.05)。
Note: 1. fertilized eggs-segmentation-sphere; 2. segmentation-sphere-late blastocyst stage; 3. blastula stage-medium of gastrula stage; 4. medium of gastrula stage-neurula stage; 5. neurula stage-tail-bud; 6. tail-bud-heart-beating; 7. heart-beating-hatching stage.Different letters represent significance at 0.05 level.
隨著社會(huì)的發(fā)展和養(yǎng)殖技術(shù)的成熟,有關(guān)魚類胚胎發(fā)育的研究越來越多,淇河鯽作為河南地區(qū)特有的魚類,其養(yǎng)殖規(guī)模仍然較小,且有關(guān)其胚胎發(fā)育的研究也相對(duì)滯后。眾所周知,魚類胚胎發(fā)育易受溫度、pH及鹽度等外界環(huán)境因素的影響。其中溫度是影響胚胎發(fā)育的重要因子,本研究中對(duì)不同溫度條件下淇河鯽胚胎發(fā)育進(jìn)行了觀察,結(jié)果發(fā)現(xiàn)適宜的溫度范圍內(nèi),隨著溫度升高,淇河鯽胚胎發(fā)育完成所需要的時(shí)間縮短,但是溫度過高也會(huì)影響受精率與孵化率。
圖2 溫度對(duì)淇河鯽胚胎受精率的影響Fig.2 Effect of temperature on embryofertilization rate of Qihe Carassius auratus注:不同小寫字母表示有顯著性差異(P<0.05)。Note:Different lowercase indicates significant difference (P<0.05).
圖3 溫度對(duì)淇河鯽胚胎孵化率的影響Fig.3 Effect of temperature on embryo hatchability rate of Qihe Carassius auratus注:不同小寫字母表示有顯著性差異(P<0.05)Note:Different lowercase indicates significant difference (P<0.05)
魚類的胚胎發(fā)育過程具有相似性,但相似性度與親緣關(guān)系有關(guān),親緣關(guān)系越近,其相似性也越高。通過胚胎觀察發(fā)現(xiàn)淇河鯽胚胎發(fā)育特性與黃河鯉、異育銀鯽“中科3號(hào)”類似。根據(jù)其外部形態(tài)特征分為受精階段、卵裂階段、囊胚階段、原腸胚階段、神經(jīng)胚階段、器官形成階段和孵化出膜7個(gè)階段,在21 ℃左右,淇河鯽的胚胎發(fā)育經(jīng)歷約72 h??傮w來看,在胚胎發(fā)育前期,淇河鯽與異育銀鯽、黃河鯉等魚類相似。但淇河鯽也有其獨(dú)特性,在神經(jīng)胚、尾芽、心跳等后期發(fā)育階段與黃河鯉、銀鯽中科III號(hào)差別較大,由于淇河鯽卵膜較厚,所以在心跳期并不能像黃河鯉那樣可以清楚可以看到全身血夜流動(dòng),只能看到心臟周圍小部分的血液流動(dòng);同時(shí),在心跳期之后,可以看到胚體在卵黃中轉(zhuǎn)動(dòng),但在黃河鯉中并未發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象[30]。這也暗示了胚胎發(fā)育后期的不同可能是造成不同魚類差異巨大的原因,但這一推測(cè)需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。
表2 幾種鯽魚不同溫度孵化時(shí)間的比較Table 2 Comparison of incubation temperature and incubation rime of several crucian carp
胚胎對(duì)外界溫度極為敏感,溫度過高或者過低,都會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育出現(xiàn)停滯或者中斷。本研究通過觀察不同溫度下淇河鯽胚胎發(fā)育情況,發(fā)現(xiàn)淇河鯽胚胎在21~30 ℃都可以孵化成功,而且孵化完成所需時(shí)間隨著溫度的升高而縮短,這與同為三倍體的異育銀鯽相似性最高[29],但與普通的二倍體鯽魚相差較大,推測(cè)可能四倍體彭澤鯽及經(jīng)雌核發(fā)育三倍體淇河鯽、異育銀鯽的胚胎對(duì)外界溫度的變化更為敏感,這可能是因?yàn)槁蚜殉跗谶z傳物質(zhì)復(fù)制或者染色體加倍周期延長,溫度條件的變化容易導(dǎo)致卵質(zhì)中的與胚胎發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)能力下調(diào),信息傳遞途徑受阻的原因[28]。
生物體內(nèi)很多生化反應(yīng)都是由生物酶催化的,而酶只有在最適的溫度下才能發(fā)揮最強(qiáng)的催化作用。溫度提高可以加快反應(yīng)速度,但是溫度過高會(huì)使酶失去活性,使體內(nèi)許多生化反應(yīng)停止[31~33]。硬骨魚類中的研究發(fā)現(xiàn),高溫或低溫對(duì)胚胎發(fā)育后期的器官分化及形成過程影響較大,因影響器官分化過程所需酶活性,導(dǎo)致器官分化進(jìn)程紊亂致畸或者滯育,極大的阻礙了胚胎的正常發(fā)育[34]。溫度對(duì)于淇河鯽胚胎的受精率與孵化率均存在明顯的影響,試驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn),沒有受精的卵子仍可以進(jìn)行正常分裂并發(fā)育至囊胚期,所以我們?cè)谀遗咂陂_始統(tǒng)計(jì)受精率,在囊胚之后不再分裂并且死亡的胚胎為沒有受精的胚胎。33 ℃時(shí),胚胎在囊胚期全部死亡,推測(cè)可能是溫度過高影響了淇河鯽卵子受精率,但也不能排除溫度過高導(dǎo)致胚胎發(fā)育過程中所需的酶失活,進(jìn)而導(dǎo)致了胚胎的死亡這種可能性。其他溫度下,胚胎發(fā)育進(jìn)程均隨著溫度的升高而加快,但溫度過高會(huì)影響胚胎的孵化率與受精率,推測(cè)這是由于溫度過高導(dǎo)致胚胎發(fā)育過程中某些酶的異常工作造的。除此之外,我們發(fā)現(xiàn)淇河鯽胚胎在27 ℃孵化率顯著高于其他溫度,而受精率卻在24 ℃最高,說明淇河鯽胚胎卵子最適受精溫度與胚胎最適孵化溫度不同。
總之,沒有適宜的溫度就沒有生命。確定胚胎發(fā)育的合適溫度對(duì)于解釋其地理分布具有一定的參考價(jià)值。淇河鯽是天然雌核發(fā)育三倍體,鑒于其較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,確立溫度對(duì)淇河鯽胚胎發(fā)育及受精率與孵化率的影響,可以為生產(chǎn)上淇河鯽苗種培育提供一定的理論指導(dǎo),也可以為后續(xù)的生產(chǎn)提供參考。
淇河鯽胚胎發(fā)育歷時(shí)與溫度有一定相關(guān)性,在21~30 ℃都可以孵化成功,而且孵化完成所需時(shí)間隨著溫度的升高而縮短;但是由于溫度升高對(duì)胚胎受精率和孵化率產(chǎn)生影響,所以生產(chǎn)上為了提高效益可以在早期采用24 ℃孵化,保證較高的受精率;隨后采用27 ℃孵化,提高孵化率。