孫秋璇,李向策,譚小紅,游翠紅,董燁煒,高紅燕,黃燕華*,周 萌*

(1．仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,健康養(yǎng)殖創(chuàng)新研究院,廣州 510225;2．仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,動(dòng)物科技學(xué)院,廣州 510225;3．廣東省水環(huán)境與水產(chǎn)品安全工程技術(shù)研究中心,廣州 510225;4．廣州市水產(chǎn)病害與水禽養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510225)

全球餐廚垃圾、畜禽糞污等有機(jī)廢棄物的持續(xù)產(chǎn)生和資源化利用不足,造成了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的雙重壓力。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織提倡利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物,實(shí)現(xiàn)廢棄物的無害化處理的同時(shí),還可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的昆蟲蛋白和脂肪(Riudavetsetal., 2020)。黑水虻Hermetiaillucens屬于雙翅目水虻科扁角水虻屬,廣泛分布于熱帶和溫帶地區(qū)(Wang and Shelomi, 2017)。其幼蟲能以多種有機(jī)廢棄物為食,且繁殖速度快、生物量大、蟲體營(yíng)養(yǎng)豐富(Cifuentesetal., 2020; Hopkinsetal., 2021),具有其它昆蟲難以比擬的優(yōu)勢(shì),成為全球最具開發(fā)潛力的資源性昆蟲之一。

近年來的大量研究表明,黑水虻幼蟲、預(yù)蛹或其生物制品具有良好的飼用價(jià)值,可部分甚至完全替代魚粉、豆粕等傳統(tǒng)飼料原料(Mohanetal., 2022),保證動(dòng)物的生長(zhǎng)性能,提高其免疫力與抗病力(許豐孟等, 2020; 余苗等, 2020; Heueletal., 2021)。

黑水虻幼蟲對(duì)有機(jī)廢棄物高效的生物轉(zhuǎn)化能力主要得益于其強(qiáng)大的消化系統(tǒng)(Clissoldetal., 2010)。Bonelli等(2019)根據(jù)黑水虻中腸組成細(xì)胞的形態(tài)功能特征以及管腔pH,將其劃分為3個(gè)區(qū)域,并評(píng)估了各段涉及的消化酶活性,總結(jié)了其功能特征。在此基礎(chǔ)上,Sun等(2021)比較了攝食不同有機(jī)廢棄物黑水虻幼蟲的消化道pH值、中腸細(xì)胞形態(tài)及消化酶活性的差異,揭示了黑水虻廣泛適應(yīng)多種食物的消化生理基礎(chǔ)。此外,對(duì)取食不同有機(jī)廢棄物黑水虻腸道微生物群落的比較研究發(fā)現(xiàn),腸道菌群的多樣性受食物的影響較大,但厚壁菌門始終占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位(Brunoetal., 2019)。然而,作為一種廣受關(guān)注的研究對(duì)象,對(duì)黑水虻消化道器官和組織水平的研究仍較少,尤其是其消化道的顯微與超微結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)報(bào)道。

為此,本研究對(duì)黑水虻主要生長(zhǎng)階段(幼蟲、預(yù)蛹、成蟲)的消化道形態(tài)進(jìn)行了比較,并重點(diǎn)對(duì)幼蟲消化系統(tǒng)各部分的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顯微和超微觀察,為深入了解黑水虻的消化生理研究提供形態(tài)學(xué)和組織學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx及其飼養(yǎng)

供試?yán)ハx黑水虻在本實(shí)驗(yàn)室內(nèi)孵化和養(yǎng)殖。黑水虻蟲卵由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動(dòng)物科學(xué)研究所提供。以含水量60%的膨化豆粕(粗蛋白42%,粗脂肪8%)作為培養(yǎng)基,在環(huán)境溫度28℃、相對(duì)濕度60%的條件下孵化并養(yǎng)殖至3日齡。隨后將100頭幼蟲轉(zhuǎn)移到塑料盒(規(guī)格18.5 cm×12 cm×5.5 cm)中,每盒放置200 g養(yǎng)殖基質(zhì)(豆粕∶麥麩=1∶1),在其中添加適量無菌水保持養(yǎng)殖基質(zhì)水分含量為60%±2%,共3個(gè)重復(fù)。養(yǎng)殖期間環(huán)境保持在溫度28±1℃,相對(duì)濕度70%～80%,自然光照,每3 d補(bǔ)充適量養(yǎng)殖基質(zhì),保證營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。分別于養(yǎng)殖過程中,選取生長(zhǎng)情況良好的5齡幼蟲(14日齡)、預(yù)蛹(16日齡)及成蟲(30日齡)用于消化道形態(tài)學(xué)和組織學(xué)研究。

1.2 消化道樣品采集與觀察

1.2.1消化道分段

結(jié)合本課題組前期研究中對(duì)黑水虻消化道pH的測(cè)定結(jié)果(Sunetal., 2021),為進(jìn)一步明確主要消化部位中腸的功能結(jié)構(gòu),在本研究中,將中腸劃分為分別呈現(xiàn)酸性、強(qiáng)酸性和堿性的前、中、后三部分;此外結(jié)合中腸中段形態(tài)及細(xì)胞組成的差異(Bonellietal., 2019),將中段進(jìn)一步細(xì)分為直徑較細(xì)的A段以及直徑較粗的B段。

1.2.2形態(tài)學(xué)觀察

每盒分別取10頭黑水虻5齡幼蟲、預(yù)蛹及成蟲,用解剖剪沿蟲體腹壁中線剪開,暴露體腔,取出整個(gè)消化道,去除消化道上黏附的組織,用PBS緩沖液沖洗干凈,并用濾紙吸干水分;使用游標(biāo)卡尺(JING, SIDA Rang: 150 mm; Jinhua, China, P.R.)測(cè)量體長(zhǎng)與消化道長(zhǎng)度,使用體視鏡(Mshot MZ62; Guangzhou, China, P.R.)觀察消化道形態(tài)并拍照。

1.2.3石蠟切片制作及觀察

取出幼蟲的完整消化道,分離出唾液腺、前腸、中腸、后腸、馬氏管,分別浸入4%多聚甲醛固定24 h。經(jīng)75%、85%、90%、95%和100%乙醇溶液逐級(jí)脫水后,用石蠟包埋修整,將蠟塊置于手動(dòng)切片機(jī)切出厚4 μm的切片;用載玻片撈片并于烘箱60℃烤干后,使用二甲苯以及梯度乙醇中脫蠟至水,將切片分別放入蘇木素和伊紅染液中染色。將染好色的切片經(jīng)95%、100%乙醇及二甲苯脫水透明后,用中性樹膠封片。使用光學(xué)顯微鏡(LeicaDM500; Wetzlar, Germany)對(duì)組織切片進(jìn)行觀察。

1.2.4掃描電鏡制片及觀察

取出幼蟲完整的消化道,分別取前腸、中腸、后腸及馬氏管組織,修整成大小為5 mm×5 mm×2 mm的塊狀,用2.5%戊二醛固定液(PBS 0. 1 M,pH=7.4)在4℃下固定4 h,然后用PBS沖洗3次,再置于1%鋨酸-0.1 mol/LPBS進(jìn)行后固定30 min,再用PBS緩沖液沖洗3次。為了觀察消化道管腔內(nèi)表面結(jié)構(gòu),在脫水前先用解剖針剖開管腔,用PBS緩沖液將內(nèi)容物沖洗掉。分別用50%、70%、80%、90%、95%、100%的乙醇進(jìn)行脫水,每個(gè)濃度脫水15 min;脫水結(jié)束后,放入乙酸異戊酯10～20 min,移入臨界點(diǎn)干燥儀(Quorum K850; East Sussex, UK.),進(jìn)行干燥。將組織塊用導(dǎo)電膠粘貼在標(biāo)本臺(tái)上(觀察面朝上),用離子濺射儀(HITACHI MC1000; Tokyo, Japan)進(jìn)行鍍膜(金膜)。放入掃描電子顯微鏡(HITACHI U8010; Tokyo, Japan)進(jìn)行觀察并采集圖像分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 19.0軟件(Armonk, NY, USA)對(duì)黑水虻5齡幼蟲、預(yù)蛹及成蟲的體長(zhǎng)、腸道長(zhǎng)和中腸長(zhǎng)分別進(jìn)行了單因素ANOVA檢驗(yàn),顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 5齡幼蟲、預(yù)蛹及成蟲的消化道形態(tài)

體視顯微鏡下可見,黑水虻幼蟲的消化道包括前腸、中腸、后腸三部分,總長(zhǎng)137.44±13.07 mm,為體長(zhǎng)的6.85±0.18倍(圖1-A,表1)。前腸由食道和前胃組成,食道呈細(xì)長(zhǎng)管狀,前胃膨大為球狀,可見食道末端延入前胃,形成套管狀結(jié)構(gòu)。中腸始于前胃末端,是一條粗細(xì)不均的管道,為消化道中最長(zhǎng)的部位,是整個(gè)消化道長(zhǎng)度的0.71±0.03倍(表1)。后腸以馬氏管著生處與中腸為界,粗細(xì)均一。馬氏管呈細(xì)長(zhǎng)盲管狀,分為4支。

表1 黑水虻5齡幼蟲(A)、預(yù)蛹(B)及成蟲的體長(zhǎng)、腸道長(zhǎng)和中腸長(zhǎng)(n=8)

圖1 黑水虻5齡幼蟲(A)、預(yù)蛹(B)及成蟲(C)的消化道形態(tài)

預(yù)蛹的消化道形態(tài)與幼蟲相似(圖1-B),但較幼蟲階段其腸道直徑變小,長(zhǎng)度縮短為97.75±7.65 mm,是體長(zhǎng)的5.22±0.18倍。其中,中腸長(zhǎng)度為消化道長(zhǎng)度的0.63±0.06倍(表1)。

與幼蟲和預(yù)蛹相比,成蟲的消化道形態(tài)發(fā)生了明顯變化,總長(zhǎng)變短,長(zhǎng)14.90±1.26 mm,是體長(zhǎng)的0.96±0.08倍(圖1-C,表1)。前胃消失,出現(xiàn)了嗉囊,以一細(xì)長(zhǎng)管開口于食道末端。中腸長(zhǎng)度進(jìn)一步縮短為7.78±1.36 mm,是整個(gè)消化道長(zhǎng)度的0.52±0.07倍(表1);前端出現(xiàn)一對(duì)囊狀、對(duì)稱分布的胃盲囊,與食道相接。后腸分化為回腸、結(jié)腸和直腸3部分,其中回腸和直腸呈短而膨大的囊狀。后腸與中腸交界處著生馬氏管,依然分為4支。

2.2 幼蟲消化系統(tǒng)的顯微與超微結(jié)構(gòu)

2.2.1唾液腺

黑水虻幼蟲的唾液腺由兩支對(duì)稱、膨大的管狀腺體和腺管組成,兩個(gè)腺管匯合為一個(gè)分泌管與口腔相通(圖2-A)。每個(gè)腺體長(zhǎng)0.85±0.15 mm,光學(xué)顯微鏡下可觀察到腺體細(xì)胞較大,細(xì)胞核扁圓形,染色深,胞質(zhì)染色淺,似粘液性腺細(xì)胞(圖2-B,C)。對(duì)唾液腺的管狀腺體進(jìn)行掃描電鏡觀察,發(fā)現(xiàn)腺壁較厚,似有縱肌圍繞,腺壁內(nèi)表面粗糙,似有微絨毛突起入腺腔(圖2-D)。

圖2 黑水虻5齡幼蟲唾液腺的形態(tài)與組織結(jié)構(gòu)

2.2.2前腸

黑水虻幼蟲的前腸由食道與前胃組成,食道末端延伸至前胃內(nèi)(圖3-A)。由內(nèi)至外,食道組織包括呈刺狀突起的角質(zhì)內(nèi)膜層、環(huán)肌層和縱肌層(圖3-B)。前胃膨大為囊狀,由內(nèi)至外也分為三層:內(nèi)層為食道的延伸,與食道結(jié)構(gòu)相似;外層由單層扁平上皮細(xì)胞構(gòu)成;中間層為緊貼外層的圍食膜,其內(nèi)容物呈嗜酸性染色。圍食膜下端一直延伸至中腸(圖3-A,C)。掃描電鏡顯示,食道深入前胃部分的內(nèi)壁可見向管腔突出的胃刺,整齊而密集,平均長(zhǎng)度為6.36 μm(圖3-D)。2.2.3中腸幼蟲中腸前段由內(nèi)到外,分為圍食膜層、腸壁細(xì)胞層、底膜層及肌層(圖4-A)。其中,腸壁細(xì)胞主要由柱狀上皮細(xì)胞、分泌細(xì)胞以及再生細(xì)胞構(gòu)成。柱狀細(xì)胞是腸道上皮的主要組成細(xì)胞,其頂端具有微絨毛結(jié)構(gòu),通過掃描電鏡也可觀察到腸壁上布滿大量的微絨毛(圖4-C,D)。再生細(xì)胞隨機(jī)分布在腸道上皮基底部,分泌細(xì)胞位于腸道基底區(qū)(圖4-B)。

圖3 黑水虻5齡幼蟲前腸的顯微和超微結(jié)構(gòu)

圖4 黑水虻5齡幼蟲中腸前段顯微與超微結(jié)構(gòu)

根據(jù)腸道細(xì)胞形態(tài)的差異,中腸中段可明顯分為A、B兩段。其中,A段腸壁較厚(圖5-A),主要由柱狀細(xì)胞、分泌細(xì)胞、再生細(xì)胞和杯狀的銅細(xì)胞構(gòu)成(圖5-B);B段腸壁較薄(圖5-C),主要由單層扁平上皮細(xì)胞構(gòu)成(圖5-D)。掃描電鏡顯示,中腸中段內(nèi)壁較光滑,未見微絨毛結(jié)構(gòu)(圖5-E,F)。

圖5 黑水虻5齡幼蟲中腸中段的顯微結(jié)構(gòu)

中腸后段與前段組織結(jié)構(gòu)類似,腸壁細(xì)胞以柱狀上皮細(xì)胞為主,在基底區(qū)可以觀察到分泌細(xì)胞和再生細(xì)胞的分布(圖6-A,B)。掃描電鏡結(jié)果顯示,中腸后段具有發(fā)達(dá)的微絨毛,間布有大量囊泡(圖6-C,D)。

圖6 黑水虻5齡幼蟲中腸后段顯微結(jié)構(gòu)

2.2.4后腸

黑水虻幼蟲的后腸由內(nèi)至外分別為內(nèi)膜層、腸壁細(xì)胞層和肌層(圖7-A,B)。內(nèi)膜層薄,腸壁細(xì)胞單層,排列稀疏,細(xì)胞核大。肌層不發(fā)達(dá),縱肌在內(nèi),環(huán)肌在外。通過掃描電鏡,可觀察到腸腔內(nèi)褶皺豐富(圖7-C),上附數(shù)量較多的桿狀細(xì)菌(圖7-D)。

圖7 黑水虻5齡幼蟲后腸顯微和超微結(jié)構(gòu)

2.2.5馬氏管

馬氏管管壁由單層上皮細(xì)胞構(gòu)成,圍繞形成管腔;細(xì)胞排列稀疏,可見大而清晰的細(xì)胞核(圖8-A),向管腔面排列有密集的頂端微絨毛(圖8-B,C),掃描電鏡下可觀察到內(nèi)表面的微絨毛呈豆芽狀(圖8-D)。

圖8 黑水虻5齡幼蟲馬氏管的顯微及超微結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論與討論

3.1 黑水虻不同發(fā)育階段消化道的形態(tài)特征

昆蟲的消化道根據(jù)其發(fā)生來源和機(jī)能的不同,可分為前腸、中腸和后腸,它們分別承擔(dān)著食物攝取與臨時(shí)儲(chǔ)存、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化與吸收,以及形成和排出食物殘?jiān)墓δ?Nation, 2002)。對(duì)于變態(tài)發(fā)育的昆蟲來說,從幼蟲到成蟲,其大部分內(nèi)部器官,包括消化道,在蛹期將進(jìn)行重塑(Miguel-Aliagaetal., 2018),以適應(yīng)昆蟲在不同發(fā)育階段組織器官生理功能的轉(zhuǎn)換。本研究中,也觀察到了在黑水虻在三個(gè)發(fā)育階段消化道形態(tài)上的顯著差異。

類似家蠅Muscadomestica等雙翅目幼蟲,黑水虻幼蟲的前腸也由口、食道和前胃組成。前胃較發(fā)達(dá),除儲(chǔ)存食物外,還可調(diào)節(jié)食物進(jìn)入中腸,兼有過濾的作用(牛長(zhǎng)纓等, 1999;Bonellietal., 2019)。中腸是昆蟲最重要的消化器官(Cacciaetal., 2019)。黑水虻幼蟲中腸長(zhǎng)度占據(jù)了整個(gè)消化道長(zhǎng)度的近2/3,這與蚋、蠅等其它雙翅目的消化道特征相符合(Boonsriwongetal., 2007; 尋慧等, 2011)。進(jìn)入預(yù)蛹期(6齡幼蟲)后,黑水虻的口器被角質(zhì)板覆蓋并硬化(Barrosetal., 2019),停止攝食,為化蛹做準(zhǔn)備(Tomberlinetal., 2009; 蕭鴻發(fā)等, 2020)。本研究在黑水虻預(yù)蛹的腸道中也未發(fā)現(xiàn)食糜,且和幼蟲相比,預(yù)蛹腸道直徑變小,長(zhǎng)度變短,但在形態(tài)結(jié)構(gòu)上尚未出現(xiàn)明顯的變化。

本研究觀察到,和幼蟲及預(yù)蛹相比,黑水虻成蟲的消化道形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈變化,包括前胃消失、出現(xiàn)了嗉囊和胃盲囊、中腸長(zhǎng)度進(jìn)一步縮短、后腸分化為回腸、結(jié)腸和直腸?？梢?黑水虻成蟲的消化道具有高度分化的結(jié)構(gòu)及功能分工,可能仍具有較強(qiáng)的消化與吸收能力,這與某些對(duì)黑水虻成蟲消化生理研究的結(jié)果相符。Bruno等(2019)的研究表明,黑水虻成蟲腸道重塑出了具有功能性的上皮結(jié)構(gòu),糖類的攝入對(duì)部分消化酶的表達(dá)產(chǎn)生了一定的影響;給予成蟲富含蛋白質(zhì)的牛奶,能夠增加雌蟲的壽命且增加產(chǎn)卵量(Bertinettietal., 2019),并指出可以通過調(diào)控成蟲飲食以提高其在大規(guī)模飼養(yǎng)過程中的性能。李芷瑜等(2018)也在黑水虻成蟲的口器唇瓣上發(fā)現(xiàn)了可感受機(jī)械壓力和味道的錐形和毛形感受器,且具有對(duì)味覺進(jìn)行反饋的功能,表明成蟲可能具有一定的食物選擇和感受能力。黑水虻成蟲的食道后方具有較發(fā)達(dá)的嗉囊,是雙翅目昆蟲特有的結(jié)構(gòu),主要起到暫時(shí)儲(chǔ)存食物的作用(Boonsriwongetal., 2007),還能夠確保腸道內(nèi)容物進(jìn)入主消化道。成蟲中腸前端出現(xiàn)了胃盲囊,可能是由于中腸縮短,無法對(duì)食物進(jìn)行充分的消化和吸收,需要通過胃盲囊增大中腸的消化吸收面積,滿足機(jī)體對(duì)于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收需求(王蔭長(zhǎng), 2004; 毛蕾, 2015)。推測(cè)黑水虻成蟲出現(xiàn)的胃盲囊,可能也具有類似功能。成蟲的中腸顯著縮短,后腸分化為回腸、結(jié)腸和直腸,也和已報(bào)道的雙翅目昆蟲成蟲類似(Gillott, 2005);其中一些組織特征可能和適應(yīng)成蟲期羽化、飛翔、交配、授精和產(chǎn)卵等行為有關(guān)(陳長(zhǎng)琨等, 1996)。以上對(duì)黑水虻成蟲的消化道形態(tài)特征的描述,為進(jìn)一步了解黑水虻成蟲的攝食與消化生理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 黑水虻幼蟲消化道的組織結(jié)構(gòu)

與家蠅幼蟲等其它雙翅目昆蟲相比,黑水虻幼蟲的食性更廣泛、對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收轉(zhuǎn)化率更高(Mirandaetal., 2021),這主要得益于其強(qiáng)大的消化系統(tǒng),包括消化道結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)分、針對(duì)營(yíng)養(yǎng)不均衡的食物調(diào)節(jié)消化酶的分泌、可高效轉(zhuǎn)化多種有機(jī)廢棄物的腸道微生物(Clissoldetal., 2010; 鄧雨英等, 2020; Zhanetal., 2020)。本研究初步查明了黑水虻消化系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu),為進(jìn)一步深入黑水虻消化生理的研究補(bǔ)充了形態(tài)學(xué)和組織學(xué)數(shù)據(jù)。

唾液腺是昆蟲消化系統(tǒng)中的重要分泌腺,其形態(tài)和功能在不同昆蟲種類中差異較大(任朝都, 2021)。本研究發(fā)現(xiàn),黑水虻幼蟲的唾液腺由兩支對(duì)稱、膨大的管狀腺體和腺管組成,分布于食管兩側(cè),腺體外覆脂肪體,這和虻、蠅等雙翅目昆蟲的唾液腺形態(tài)類似(王蔭長(zhǎng), 2004)。光鏡觀察結(jié)果表明,幼蟲的唾液腺細(xì)胞更類似于黏液性腺細(xì)胞,胞質(zhì)內(nèi)未見明顯的分泌顆粒,而以半透明的分泌物為主。Kim等(2011)提取黑水虻幼蟲唾液腺和腸道消化酶并分別測(cè)定其活性,發(fā)現(xiàn)腸道中的消化酶活性遠(yuǎn)高于唾液腺,表明唾液腺分泌消化酶的能力有限,其分泌物主要為粘性的粘糖蛋白。本研究初步進(jìn)行了黑水虻唾液腺組織結(jié)構(gòu)的觀察,但其細(xì)胞內(nèi)部的超微結(jié)構(gòu),還需利用透射電鏡進(jìn)行進(jìn)一步觀察,以有助于了解其分泌特性。

黑水虻幼蟲前腸由食道與前胃組成。食道有發(fā)達(dá)的肌肉層和角質(zhì)的內(nèi)壁,說明食道可起到研磨、擠壓及過濾食物的作用(Zhangetal., 2012)。前胃的結(jié)構(gòu)和家蠅幼蟲類似,內(nèi)層為食道末端陷入形成的套管樣結(jié)構(gòu),管內(nèi)壁有密集的胃刺;外層是一層強(qiáng)嗜堿性上皮(胡蓉等, 2013),兩者之間是圍食膜包裹的圓形囊腔,腔內(nèi)嗜酸性染色。表明經(jīng)研磨的食物通過食道末端的胃刺過濾后,進(jìn)入前胃,并可能經(jīng)胃內(nèi)的消化液(酸性)進(jìn)行初步消化后進(jìn)入中腸。此外,果蠅的前胃可誘導(dǎo)表達(dá)抗菌肽基因(Tzouetal., 2000),黑水虻前胃是否具有類似的功能還有待進(jìn)一步的研究。

中腸是消化吸收的主要場(chǎng)所。和其它昆蟲類似,黑水虻的中腸具有多樣性的腸壁細(xì)胞,包括柱狀細(xì)胞、再生細(xì)胞等(Miguel-Aliagaetal., 2018)。果蠅的中腸大致可分為前中腸,中中腸以及后中腸三個(gè)部分,但還可以根據(jù)細(xì)胞形態(tài)及功能進(jìn)一步細(xì)分為十多個(gè)區(qū)域(Buchonetal., 2013)。類似的,黑水虻幼蟲的中腸也可大致分為前、中、后三部分,pH染色分別呈現(xiàn)酸性、強(qiáng)酸性和堿性,每個(gè)區(qū)域都具有獨(dú)特的細(xì)胞形態(tài)和功能特征,其中,承擔(dān)消化分泌功能的部位主要是中腸前段(Bonellietal., 2019)。本研究對(duì)腸道形態(tài)及腸壁細(xì)胞的組織學(xué)觀察結(jié)果基本與之相符,即將中腸分為前、中、后三段,但又對(duì)中腸中段進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)分(A段和B段)。其中,中腸前段腸壁較厚,腸上皮細(xì)胞包括柱狀上皮細(xì)胞、分泌細(xì)胞以及再生細(xì)胞,微絨毛發(fā)達(dá)。本實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn),此部位的柱狀上皮細(xì)胞中含有大量線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及高爾基體,可能為產(chǎn)生消化酶及進(jìn)行能量代謝的重要場(chǎng)所(Sunetal., 2021)。中段被分為A、B兩段的依據(jù)是,在A段的腸上皮發(fā)現(xiàn)了銅細(xì)胞;該細(xì)胞具有酸化腸道內(nèi)容物的能力,使得黑水虻此段腸腔pH值明顯低于其他腸段(McNultyetal., 2001)。在果蠅中腸也觀察到類似的現(xiàn)象(Overendetal., 2016),推測(cè)可能是為某些消化生理活動(dòng)提供獨(dú)特的環(huán)境。而B段腸腔較大,腸壁薄,細(xì)胞扁平,掃描電鏡在此段則未觀察到類似于前段的微絨毛結(jié)構(gòu)。Bonelli等(2019)在此段檢測(cè)到了較高的溶菌酶活性,推測(cè)此段可能不參與消化過程,而是在殺滅食物中的病原體方面發(fā)揮作用。中腸后段的組織結(jié)構(gòu)與前段相似,但有研究發(fā)現(xiàn),此段分泌細(xì)胞數(shù)量較前段有所減少,表明可能此段消化酶的分泌功能有所減弱(Bonellietal., 2019)。掃描電鏡在此段發(fā)現(xiàn)了球狀細(xì)菌的定植,但其種屬和功能尚不清楚。梅承等(2017)從黑水虻幼蟲腸道中分離及培養(yǎng)了腸球菌屬Enterococcus,其豐度可能受食物成分和養(yǎng)殖環(huán)境的誘導(dǎo)(Liuetal., 2020)。腸球菌屬被發(fā)現(xiàn)為家蠶腸道中的優(yōu)勢(shì)菌群(Whitmanetal., 1998),也從海南象白蟻Nasutitermeshainanensis前腸和中腸被分離到(楊書燕, 2016)。黑水虻幼蟲的后腸未分化,腸壁較薄,腸上皮細(xì)胞排列稀疏,內(nèi)膜向腸腔凹陷,形成豐富的褶皺,這是大部分昆蟲后腸的組織特征(Novak, 1975)。這樣的特征使后腸吸收表面積大大增加,有利于物質(zhì)的交換及重吸收(程會(huì)昌, 2007; Miguel-Aliagaetal., 2018)。本研究還在后腸內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)了豐富的桿狀細(xì)菌,表明后腸也是共生微生物活動(dòng)的重要場(chǎng)所(Aoetal., 2021)。

馬氏管著生于中、后腸交界處,為大多數(shù)昆蟲的排泄系統(tǒng),對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)體水分平衡起到重要作用(Cagan, 2003)。黑水虻幼蟲的馬氏管有4根,管壁由單層上皮細(xì)胞組成,每2～5個(gè)細(xì)胞環(huán)繞一圈形成管壁(王蔭長(zhǎng), 2004)。電鏡照片顯示,馬氏管管腔內(nèi)壁有大量的微絨毛;類似的結(jié)構(gòu)在大頭金蠅Chrysomyamegacephala中能夠被觀察到(Boonsriwongetal., 2007),大大增加了馬氏管管腔內(nèi)的表面積,從而有利于物質(zhì)的交換(Zhangetal., 2012)。

綜上,本研究對(duì)黑水虻不同發(fā)育階段的消化道形態(tài)進(jìn)行了觀察比較,并重點(diǎn)對(duì)幼蟲消化系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,初步掌握了各消化器官及消化腺的組織學(xué)特征。研究結(jié)果為進(jìn)一步了解黑水虻的消化生理特征提供了重要的形態(tài)學(xué)依據(jù)。然而,由于光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡的局限性,本研究對(duì)消化道各組織細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺乏進(jìn)一步的了解。因此,未來還需利用透射電鏡,結(jié)合組織化學(xué)等工具或方法,對(duì)黑水虻消化系統(tǒng)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能作深入的分析,從而深入地了解黑水虻對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收、代謝過程。