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生物与环境论文发表镜湖沉积物中轮虫休眠卵的原位萌发

2018-06-30 15:29:00来源:组稿人论文网作者:联盟编辑06

镜湖沉积物中轮虫休眠卵的原位萌发

论文发表

 

      摘要:将 2004年春季采于芜湖市镜湖的沉积物样品在不同季节进行原位萌发发现, 除冬季未见有轮虫孵出外, 其余 3个季节共孵出轮虫 39种 , 隶属于 7科 19属;大湖区每 200 ml沉积物中休眠卵萌发出的轮虫数量平均为 212.2 个 ±48.9个, 显著高于小湖区的 39.1个 ±10.3个。 大湖区沉积物在夏季萌发出的小巨头轮虫(Cephalodellaexigua)、大肚须足轮虫(Euchlanisdilatata)和壶状臂尾轮虫(Brachionusurceolaris)、秋季萌发出的裂足臂尾轮虫(B.diversicornis)和角突臂尾轮虫(B.angularis)以及春季萌发出的暗小异尾轮虫(Trichocercapusilla)和等刺异尾轮虫 (T.similis)分别占各季节总萌发数的 51.1%、19.7%、 15.7%、14.7%、11.1%、38.4%和 23.7%, 小湖区沉积物在夏季萌发出的多须伪前翼轮虫(Proalidestentaculates)和暗小异尾轮虫、秋季萌发出的裂痕龟纹轮虫(Anuraeopsisfissa)、尖趾单趾轮虫(Monostylaclosterocerca)和大肚须足轮虫以及春季萌发出的尖趾单趾轮虫、盘状鞍甲轮虫 (Lepadelapatela)和暗小异尾轮虫分别占各季节总萌发数的 53.9%、 31.6%、 18%、 17%、 13%、 31%、24.1%和 17.2%。各季节萌发出的轮虫与同季节水体中存在的轮虫种类及数量间存在的较大差异表明, 那些常年存在于水体中的轮虫所产的休眠卵的萌发对其种群增长的直接贡献可能不大;而那些每年都要从水体中消失一段时间的轮虫所产的休眠卵的萌发在其种群重建中的作用可能因种类的不同而异。

 

      关键词:镜湖;轮虫休眠卵;季节;原位萌发

 

      淡水浮游动物群落中的多数代表性种类都具有借助有性生殖产生的休眠卵沉入水底以渡过不良环境的能力, 一部分休眠卵度过滞育期并在适于浮游动物群落发生的时机来临时萌发, 而没有萌发的休眠卵则构成并不断壮大着休眠卵库[ 1] 。休眠卵库中积累了生活在不同生境中、占据不同生态位的各种浮游动物于不同时期产生的休眠卵,它们中有些在几十年甚至上百年之后仍具有萌发能力[ 2] 。由于休眠卵是有性生殖的产物 ,而有性生殖增加了种群的遗传多样性, 这对于生物的生存和进化无疑是有益的[ 3] 。因此, 对休眠卵以及休眠卵库的研究在浮游动物的自然保护和多样性研究、分类学、古湖沼学、生物生态地理学、进化生态学以及种群和群落生态学等方面都具有重要的研究和利用价值[ 1, 4] 。

 

      轮虫是淡水浮游动物的重要组成部分之一 ,在自然水生态系统的物质循环和能量传递过程中具有重要的作用。单巢目(Monogononta)轮虫生活史是孤雌生殖、有性生殖 、胚胎和滞育过程的有机组合[ 5] ,而休眠卵的形成则是单巢目轮虫有性生殖最显著的特征之一。休眠卵不仅是轮虫借以渡过不良生态环境的一种滞育结构 ,而且对于调控种群的遗传结构和保证种群的繁衍都具有重要的生物学意义;它一方面传承和实现了前一世代的遗传特性和基因重组结果,另一方面也为轮虫的生殖表现和遗传特性得以在新环境下产生新的适应性变化提供了条件[ 6] 。因此,对轮虫休眠卵形成和萌发的生态机理研究日益引起中外学者的极大兴趣[ 7] 。

 

      King和 Serra[2] 曾提出 “克隆共存 ”模型 (OverlapModel)和 “克隆替代 ”模型(NonoverlapModel)对轮虫种群遗传结构随水环境季节变化而变动的机制进行分析探讨;在“克隆替代 ”模型中, 轮虫休眠卵扮演着十分重要的角色,特别是对于狭生态位的专性种类来说,休眠卵的萌发必须与环境的变化保持同步,萌发时机的 “选择错误 ”将使其难以适应萌发后的环境条件,从而给群体带来沉重的遗传负荷,造成群体的适合度降低。

 

      原位(insitu)实验是直接利用自然条件对生物进行研究 。 Wolf和 Carvalho[8] 曾对湖泊中溞类 (Daphnia)休眠卵进行过原位萌发研究,但是对湖泊沉积物中轮虫休眠卵的原位萌发研究至今未见报道。本研究通过对采自芜湖市镜湖沉积物样品在不同季节进行原位萌发, 比较研究了不同季节萌发出的轮虫种类和数量, 并结合自然水体中轮虫种类和数量的季节变化情况, 对起到 “种子库”作用的休眠卵在种群重建中的作用进行了初步分析和探讨 ,以期为研究轮虫种群遗传结构季节变化的机制及其适应季节性变化的水环境的机理积累资料。

 

1  材料与方法

 

1.1  采样点的设置及采样

 

      采样点设置在芜湖市镜湖。镜湖地处芜湖市中心 ,属亚热带浅水型、半封闭内陆湖泊, 正处于中营养后期 ———富营养化初期[ 9] 。镜湖分大、小镜湖两部分, 中间有水道相连 ,整个镜湖水域面积为 0.15 km2, 湖水平均深度为 2 m。根据湖区面积 ,分别于大 、小镜湖各设 1个采样点 。

 

      采样于 2004年 3月进行 。每个采样点重复采 5 ~ 6次 ,用标本采集袋将不同湖区的沉积物分别封装好并置于 4 ℃冰箱内避光保存。

 

1.2  不同季节的原位萌发

 

      实验分别于 2004年 6月 12日 ~ 7月 22日 (夏季 )、2004年 10月 4日 ~ 11月 20日(秋季 )和 2004年 12月5日 ~ 2005年 1月 5日(冬季 )和 2005年 3月 22日 ~ 4月 25日(春季 )进行 。实验时, 将不同湖区的沉积物各自充分混匀后量取 200 ml放入 260 ml的广口塑料瓶中 ,加入经煮沸、冷却 、过滤后的镜湖水至 250 ml,再用孔径为 30 μm的双层筛绢封口,按沉积物来源不同分别沉入各自湖区中进行原位萌发。实验共设两组 ,每组 3个重复 。实验过程中, 每天检查 1次 :先将塑料瓶中的上清液缓慢倒至一干净烧杯中, 再向原塑料瓶中加入新鲜的经煮沸 、冷却 、过滤后的镜湖水至 250 ml,搅匀并封口后返回原处继续进行萌发;上清液带回实验室后先用孔径为 30 μm的筛绢过滤、浓缩至 1 ml, 即刻用 5%的福尔马林溶液固定 ,在显微镜(OLYMPUS)下进行轮虫种类鉴定并计数;过滤后的上清液在解剖镜下检查是否还存有轮虫;如有 ,鉴定种类并计数。实验至连续一周内不再有新的轮虫个体孵出为止。轮虫的种类鉴定按 Koste的分类系统[ 10] 。

 

2  结果

 

2.1  不同季节萌发出的轮虫种类

 

      在冬季连续重复了 3次萌发实验 ,每次均持续 1周以上 ,但一直未见有轮虫孵出 。其它 3个季节共萌发出轮虫 39种 ,隶属于 7科 19属(表 1)。其中大湖区沉积物中萌发出的轮虫 33种 ,小湖区 29种, 两湖区共同种类 23种, 腹脊管轮虫 、高乔轮虫、钩状狭甲轮虫、尖爪单趾轮虫 、尖角单趾轮虫和颤动疣毛轮虫仅在小湖区孵出;而钝角狭甲轮虫 、唇形叶轮虫、月形腔轮虫、长趾巨头轮虫、短趾巨头轮虫 、广布多肢轮虫、螺形龟甲轮虫 、臂三肢轮虫、矩形龟甲轮虫和壶状臂尾轮虫只见于大湖区孵出 。从轮虫的季节组成来看,夏 、秋、春季萌发出的轮虫分别为 18、32种和 23种 ,其中颤动疣毛轮虫 、唇形叶轮虫、短趾巨头轮虫和钝角狭甲轮虫仅见于春季 ,长趾巨头轮虫为夏季所特有 ,只在秋季萌发出的轮虫达 11种之多 ,分别是矩形龟甲轮虫 、长刺异尾轮虫 、广布多肢轮虫、卜氏晶囊轮虫、尖角单趾轮虫、尖爪单趾轮虫、囊形单趾轮虫、月形腔轮虫、蹄形腔轮虫、钩状狭甲轮虫和高乔轮虫;而角突臂尾轮虫 、萼花臂尾轮虫 、裂足臂尾轮虫 、裂痕龟纹轮虫 、暗小异尾轮虫、小巨头轮虫 、长肢多肢轮虫 、臂三肢轮虫、长三肢轮虫、多须伪前翼轮虫和大肚须足轮虫等 11种轮虫在 3个季节里均有孵出。

 

      从孵出的轮虫数量来看,大湖区每 200ml沉积物萌发出的轮虫平均为 212.2个 ±48.9 个 ,显著高于小湖区的 39.1个 ±10.3个 。单因素方差分析结果显示, 小湖区 3个季节间萌发出的轮虫总数量无明显差异(P> 0.05);大湖区在秋季萌发出的轮虫数量较少,而在夏 、春两季节间无明显差异 (P>0.05)。

 

2.2  主要种类的季节分布

 

      两个湖区底泥中的休眠卵在不同季节萌发出的轮虫主要种类的组成差异较大。夏季 ,大湖区沉积物萌发出轮虫 14种 ,小巨头轮虫、大肚须足轮虫和壶状臂尾轮虫分别占 51.1%、19.7%和 15.7%,而其它 11种只占13.5%;小湖区沉积物萌发出轮虫 10种, 其中多须伪前翼轮虫和暗小异尾轮虫分别占总萌发数的 53.9%和31.6%, 而其余 8种轮虫仅占 14.5%。秋季,大湖区沉积物萌发出轮虫 25种 ,只有裂足臂尾轮虫和角突臂尾轮虫占总萌发数的百分比超过 10%,分别为 14.7%和 11.1%, 而其它 23种轮虫尽管占总萌发数的 74.2%, 但每一种轮虫所占比例均低于 10%;小湖区沉积物萌发出轮虫 24种 ,裂痕龟纹轮虫 、尖趾单趾轮虫和大肚须足轮虫分别占小湖区总萌发数的 18%、17%和 13%, 其余 21种共占 52%。春季 ,大湖区萌发出的 22种轮虫中,暗小异尾轮虫和等刺异尾轮虫较多,分别占 38.4%和 23.7%;而小湖区萌发出轮虫 13种 ,数量较多的尖趾单趾轮虫 、盘状鞍甲轮虫和暗小异尾轮虫分别占总萌发数的 31%、24.1%和 17.2%(表 2)。

 

3 讨论

 

      虽然萌发法只能通过对由休眠卵萌发出的轮虫种类和数量进行研究来间接地反映底泥中休眠卵的分布和密度 ,而且还可能因无法计数丧失活力或尚未度过休眠期等不具萌发能力的休眠卵从而低估了底泥中休眠卵的实际数量,但却能弥补直接计数法和高渗液浮选法等常规方法的明显不足[ 11] 。常温下轮虫的一个世代时间一般在 (1.14 ±0.09)d以上[ 12] ,因此只要每天及时地把新萌发出的轮虫个体在产生后代之前移走, 就能够较为恰当地反映底泥中休眠卵的分布和密度。一些学者曾于实验室内利用萌发法对湖泊沉积物中轮虫休眠卵的种类 、数量以及分布进行过研究[ 11, 13] ,但是与实验室人工控制条件下将沉积物中的休眠卵进行萌发相比,原位萌发直接利用自然环境条件 ,因而能够更恰当地反映自然条件下轮虫休眠卵的实际萌发情况 。

 

      本研究中萌发出的轮虫种类和密度在大、小湖区之间诸多差异的存在可能与水体营养类型的不同有关。

 

      镜湖大湖区水体营养水平高于小湖区[ 9] , 大湖区沉积物中休眠卵萌发出的轮虫密度显著高于小湖区沉积物中休眠卵萌发出的轮虫密度;张雷等①曾于春季采集了镜湖沉积物并于实验室内在不同温度下进行萌发实验,也得到了类似的结论。但是与其研究结果相比 ,原位萌发出的轮虫种类和数量均较少 ,而且在冬季进行的原位萌发实验未曾发现有轮虫孵出;而张雷等的研究结果却表明 10℃时(镜湖冬季的平均水温 )镜湖沉积物中仍有一定数量的轮虫孵出① 。究其原因 ,一方面可能与沉积物样品采集点的局限性有关, 另一方面也可能与难以对那些因无法适应萌发后的环境而死亡的轮虫幼体进行种类鉴定和计数有关 ,还可能源于实验过程中某些休眠卵一直处于滞育期而未能萌发。

 

      本实验进行的同时,作者等对镜湖水体中轮虫群落结构进行了研究, 结果发现同期镜湖中共有轮虫 32种 。与之相比,本次萌发出的轮虫中只有 18种在当年水体中出现;另外, 底泥中休眠卵萌发出的轮虫优势种群组成与同期水体中轮虫的优势种群组成差异也颇为明显 (表 2)。陈菊芳等[ 11] 认为 ,水体中轮虫个体数量与底泥中休眠卵数量存在着相互依赖的关系, 沉积物中休眠卵的密度越高, 水体中的轮虫数量就越高 ;但是本研究结果并不支持这一观点。休眠卵库中积累的是生活于不同生境、生态位各不相同的各种轮虫于不同时期产生的休眠卵;即便同种轮虫的休眠卵库 ,也可能是由不同基因型个体于不同时间和不同生态条件下产生的休眠卵构成 ,尽管休眠卵形成时的环境状况对休眠卵的萌发类型不会有显著影响[ 14, 15] , 但是水体中的轮虫数量不仅取决于沉积物中轮虫休眠卵的萌发 ,更与孵出后的轮虫能否适应那时或许已经改变了的环境息息相关。

 

      Hebert[16, 17] 发现常年生活于永久性池塘中的 、行周期性孤雌生殖的溞类 (Daphnia)种群遗传结构会逐渐偏离 Hardy-Weinberg平衡 ,表现出较大的连锁不平衡 (linkagedisequilibrium)现象, 并据此认为有性生殖对溞类种群遗传结构的变化几乎不起作用 ,池塘沉积物中休眠卵的萌发对溞类种群的重建贡献很少;而Wolfand Carvalho[8] 对湖泊中的溞类休眠卵进行了原位萌发并分析了萌发后的溞类种群的遗传结构, 结果却发现即便是有越冬种类的溞类存在 ,新一轮种群的发生仍主要取决于沉积物中溞类休眠卵的萌发 。那么 ,在轮虫种群年复一年的周期性变化过程中 ,那些由休眠卵萌发出的轮虫究竟对水体中轮虫群落的构建有多大的贡献 ? 这是轮虫种群遗传结构研究中一直悬而未决的主要问题之一[ 2] 。一般认为, 休眠卵库对于那些每年都要从水体中消失一段时间的种类的持续发生来说非常关键[ 18] , 而种群数量每年的波动也应归因于休眠卵的萌发[ 19, 20] 。本研究中,尖尾疣毛轮虫、长肢多肢轮虫、盖氏晶囊轮虫常年存在于镜湖水体中, 由休眠卵萌发而来的个体很少甚至未见萌发, 这或许可以表明镜湖沉积物中这 3种轮虫休眠卵的萌发对水体中种群发生的贡献可能很少;而对于那些每年通常会从水体中消失一段时间的种类来说 (如暗小异尾轮虫和角突臂尾轮虫在夏 、秋 、春季均有所发生,而冬季既未发现有轮虫个体从休眠卵孵出 ,也未发现出现在当时的水体中 ), 其种群的发生理应归因于沉积物中休眠卵的萌发 ,但是休眠卵的萌发在其种群的重建中也可能只是起到了 “种子 ”的作用 ,种群随之在水体中逐步建立乃至取得优势地位更应归功于对外界环境的及时适应 。本实验还发现秋季萌发出的裂痕龟纹轮虫和春季萌发出的长三肢轮虫与其野外同期水平相比差别不大,据此或许可以认为水体中这两种轮虫种群的重建可能得益于沉积物中休眠卵萌发的直接贡献。属典型冬春季种类的前额犀轮虫一直未见由沉积物中孵出 ,而夏季由休眠卵孵出的多须伪前翼轮虫所占比例虽然高达 53.9%,但水体中一直未见, 其原因仍需要进一步研究 。此外,有关轮虫种群遗传结构变化如何也不得而知 ,对原位萌发中出现的以及自然水体中采集的轮虫进行收集、克隆培养进而利用等位酶以及其它分子生物学手段进行鉴析无疑将有助于这一问题的解决。

 

参考文献:

 

[3]  杨家新, 黄祥飞, 刘健康.淡水轮虫休眠卵的研究进展.动物学研究, 1999, 20 (6):462 ~ 467.

 

[6]  周利, 相建海.褶皱臂尾轮虫(Brachionusplicatilis)复合种休眠卵孵化的调控因子及其作用机制的研究.海洋科学集刊, 2003, 45:192~ 201.

 

[7]  席贻龙, 黄祥飞.轮虫休眠卵形成和萌发的生态机理研究进展.水生生物学报, 1999, 23 (1):73 ~ 82.

 

[9]  温新利, 席贻龙, 张雷, 等.芜湖市镜湖轮虫群落结构分析及水质生态学评价.水生生物学报, 2006, 30 (2):152 ~ 158.

 

[11]  陈菊芳, 黄祥飞, 周洁.武汉东湖底泥中轮虫休眠卵萌发的研究.暨南大学学报(自然科学版), 1997, 18 (1):110 ~ 115.

 

[12]  黄祥飞.武汉东湖若干轮虫卵和胚后发育时间的观察.海洋与湖沼, 1989, 20 (2):184.

 

[15]  席贻龙, 黄祥飞.不同培养条件下萼花臂尾轮虫休眠卵的萌发.动物学报, 2001, 47(3):292 ~ 297.

 

 

 

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