金錢魚(Scatophagus argus)體色發(fā)育及黑斑的形成過程*

林曉展 張俊鵬 黃 洋, 2 石紅娟, 2 李廣麗, 2 田昌緒, 2

金錢魚()體色發(fā)育及黑斑的形成過程*

林曉展1張俊鵬1黃 洋1, 2石紅娟1, 2李廣麗1, 2田昌緒1, 2①

(1. 廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院 廣東省名特優(yōu)魚類生殖調(diào)控與繁育工程技術(shù)研究中心 湛江 524088; 2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(湛江) 湛江 524088)

魚類的體色圖案作為外部形態(tài)最顯著的特征之一, 在動物生存與物種間的交流中起著重要作用。為探究金錢魚()體色發(fā)育及黑斑的形成過程, 首先對成年金錢魚鰭條中色素細胞進行顯微觀察, 采用Olympus體視解剖鏡觀察了金錢魚從胚胎色素形成期到仔魚后期體表色素細胞的種類與分布特征, 并跟蹤觀察了金錢魚從稚魚期到成魚期主要圖案黑斑的形成過程, 同時對成年金錢魚的黑斑和非黑斑皮膚進行透射電鏡切片觀察。結(jié)果顯示, 構(gòu)成金錢魚體色共四種色素細胞, 分別為: 黑色素細胞、黃色素細胞、虹彩色素細胞和紅色素細胞, 黑色素細胞在胚胎發(fā)育階段最早發(fā)生, 黃色素細胞和紅色素細胞次之, 而虹彩色素細胞發(fā)生最晚, 直到仔魚后期階段才觀察到。金錢魚體色仔魚期(0—24 dph)出現(xiàn)了有趣的變化過程: 在0 dph (day post hatching)仔魚體色較淺到1 dph仔魚體色明顯加深, 而2—7 dph仔魚的軀干部體色出現(xiàn)明顯的褪黑現(xiàn)象, 在8—24 dph階段金錢魚體色又出現(xiàn)了明顯的復(fù)黑現(xiàn)象, 并且在24 dph時通體發(fā)黑, 在30 dph時虹彩色素細胞在皮膚中的大量出現(xiàn)并形成隱約可見的色素條帶, 直到幼魚階段(50 dph)形成清晰的黑色縱帶條紋后不斷演變成多個黑斑并在成年金錢魚中穩(wěn)定沉積的過程。透射電鏡結(jié)果發(fā)現(xiàn)皮膚中黑色素細胞和虹彩色素細胞數(shù)量最多, 分布最廣。黑斑形成的關(guān)鍵原因是黑素小體和黑色素細胞大量聚集, 虹彩色素細胞在其周圍大量聚集并形成明顯的包圍界限。追蹤觀察了金錢魚從胚胎色素發(fā)育、前期仔魚、后期仔魚、稚魚、幼魚和成魚共六個階段的色素沉積和體色變化過程, 為金錢魚野生群體的年齡鑒定提供了參考, 并為進一步的金錢魚體色改良提供理論指導(dǎo)。

金錢魚; 體色發(fā)育; 褪黑現(xiàn)象; 復(fù)黑現(xiàn)象; 黑斑形成

魚類的體色模式因功能而異, 主要表現(xiàn)為具有同類相互識別的集群行為, 產(chǎn)生婚姻色的繁殖行為和產(chǎn)生模擬色或保護色以躲避敵害或捕食等行為(Randall, 2005)。魚類體色受眾多因素的影響, 其中最重要的是自身遺傳的影響。魚類的色素細胞由神經(jīng)嵴細胞分化而來, 隨著胚胎的發(fā)育以及神經(jīng)嵴細胞在神經(jīng)管封閉后, 遷移到魚類的皮膚、眼睛等感光器官處并形成前色素細胞, 最后分化為不同種類的色素細胞(Kelsh, 2004; 于道德等, 2012)。而色素細胞是魚類體色模式形成的決定性因素, 并取決于皮膚、鱗片和魚鰭中色素細胞的種類、數(shù)量、密度、分布以及排列方式。另外, 魚類在不同的發(fā)育時期擁有不同的體色模式, 例如早期仔魚階段具有明顯的種屬特征, 可幫助對魚類的分類; 而幼體色素和成體色素替換階段稱為變態(tài)發(fā)育階段, 為魚類體色模式正式步入成魚期做準備。雖然體色主要由基因遺傳決定, 通常在環(huán)境穩(wěn)定的情況下不會輕易發(fā)生變化, 但只要魚類感受到環(huán)境的變化及壓力, 其體色同樣發(fā)生生理性改變(楊紀明, 2000)。另外, 許多魚類的圖案都傾向于背部色素深而腹部色素淺, 這種反隱蔽圖案使魚類完美的隱藏在較明亮的下輻射光與較暗的上輻射光之間, 有利于魚類適應(yīng)海洋環(huán)境并保護魚類種群的順利繁衍(Ruxton, 2004)。

金錢魚(Linnaeus 1766)隸屬鱸形目(Perciformes)、金錢魚科(Scatophagidae)、金錢魚屬(), 俗名金鼓魚(黃宗國, 1994)。金錢魚分布及生存水域極其廣泛, 在印度-太平洋區(qū)的淡水、咸淡水和海水均有分布, 在我國主要分布于東南沿海(Barry, 1992; 楊尉等, 2018)。該物種體型優(yōu)美, 性情溫順, 是一種兼具觀賞性和食用價值的名貴海水經(jīng)濟魚類。與其他魚類相比, 金錢魚外形有很多獨特之處, 其身體左右兩側(cè)對稱分布有大小不一的黑色斑點, 特別像金錢狀, 故被稱為金錢魚(Lin, 2021)。不同發(fā)育階段的金錢魚體色差異較大, 可作為判斷其生長年齡的依據(jù), 特別是對自然河口及海岸口捕撈到的魚苗跟成魚的鑒定, 有利于判斷該水域金錢魚種群所處的發(fā)育階段。因此, 研究金錢魚的不同發(fā)育階段系統(tǒng)的體色變化過程及黑斑的形成顯得尤為重要。目前有關(guān)金錢魚受精卵胚胎發(fā)育和胚后不同發(fā)育階段的形態(tài)特征已有學(xué)者進行了初步觀察和描述(蔡澤平等, 2014; 徐嘉波等, 2016), 但對金錢魚的不同發(fā)育階段體色變化尚未見系統(tǒng)研究。

本研究觀察了金錢魚從胚胎色素形成期到仔魚后期體表色素細胞的種類與分布特征, 以及從稚魚期到成魚期主要圖案黑斑的形成過程, 同時對成年金錢魚的黑斑和非黑斑皮膚進行透射電鏡切片觀察, 探索金錢魚從胚胎到成魚階段色素沉積及黑斑模式形成的規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 親魚來源

金錢魚親魚飼養(yǎng)于廣東海洋大學(xué)生物研究基地(湛江), 2—3齡, 繁殖群體為30尾, 雌、雄各占一半, 成對的親魚放在500 L的塑料桶中。通過投喂肥滿度較高的生蠔進行營養(yǎng)強化培育, 并通過人工生殖調(diào)控促性腺發(fā)育, 直到自然產(chǎn)卵。

1.2 金錢魚成體鰭條的顯微觀察

實驗取樣前先采用MS-222麻醉劑對金錢魚進行麻醉, 待金錢魚不繼續(xù)跳動后再用高壓蒸汽滅菌鍋消毒過的剪刀、鑷子分別剪取金錢魚的背鰭鰭條、胸鰭鰭條、腹鰭鰭條、臀鰭鰭條和尾鰭鰭條, 放在滴有濃度為0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液(PBS, pH=7.4)的載玻片上進行顯微觀察。

1.3 受精及孵化與培育

取受精卵放入500L持續(xù)充氧的塑料桶中孵化和培育, 作為胚胎發(fā)育過程和后期仔魚不同發(fā)育階段的活體觀測材料。金錢魚的受精卵孵化期間及胚后發(fā)育階段, 每天的換水量在20%—50%之間, 水溫29.0—32.0 °C, 鹽度28—31, pH 8.0—8.5。金錢魚仔魚在開口時主要以小型輪蟲幼體為食, 并隨著其生長發(fā)育及時調(diào)整餌料個體的種類、大小和投放密度。待金錢魚仔魚生長發(fā)育到5日齡時將它們整體轉(zhuǎn)移到室內(nèi)池塘中培養(yǎng), 后期的稚魚和幼魚作為觀察體色變化時隨機采取的活體樣本, 每個階段的樣本數(shù)量為15尾。

1.4 觀察方法

定期取樣, 使用適量MS-222麻醉后觀察。使用Olympus體視顯微鏡(奧林巴斯, 日本)觀察個體發(fā)育情況, 記錄發(fā)育各時期的形態(tài)特征、色素細胞的形態(tài)及分布規(guī)律。用Nikon專業(yè)顯微數(shù)碼CCD DP72 (日本電子株式會社, 日本)進行顯微拍照觀察。

1.5 皮膚組織的透射電鏡切片的制作

成年1齡金錢魚用MS-222麻醉安樂死, 分別撕取背部黑斑和非黑斑皮膚組織, 取體積小于1 mm3皮膚組織, 快速放入2.0%戊二醛中, 4 °C固定10 h以上。0.2 mol/L PBS (pH=7.2)清洗三次, 10 min/次。1%鋨酸固定液固定2 h后, 0.2 mol/L PBS清洗三次, 每次10 min。經(jīng)10%、20%、30%、50%、70%、90%、100%丙酮梯度脫水, 環(huán)氧丙烷置換10 min后, 環(huán)氧樹脂Epon812浸透包埋。EMUC6超薄切片機切片, 醋酸雙氧鈾染色2 h或過夜。用日本電子JEM-1400透射電子顯微鏡觀察并拍照。

1.6 數(shù)據(jù)與圖像處理

使用Excel 2016對形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析, 所得數(shù)據(jù)以平均值±標準差(mean±SD)表示。用Photoshop 2020和Adobe Illustrator CS6對拍攝的照片進行裁剪、拼接和編排。

2 結(jié)果與分析

2.1 金錢魚魚鰭色素細胞的觀察

金錢魚的五種魚鰭(背鰭、胸鰭、腹鰭、臀鰭和尾鰭)中都觀察到黑色素細胞、黃色素細胞和虹彩色素細胞, 說明這三種色素細胞在金錢魚的體色形成中占據(jù)主導(dǎo)地位, 而發(fā)現(xiàn)背鰭中紅色素細胞帶明顯, 其他鰭中沒有觀察到紅色素細胞, 只有背鰭中同時具有四種色素細胞類型, 如圖1 (1a, 2a)。金錢魚的五種魚鰭中的黑色素細胞主要有以下兩種不同的形態(tài): 其中, 一種體積較大, 且細胞的分枝狀突起向四周發(fā)散; 而另一種體積較小, 呈收縮型團塊狀, 很少看到分枝狀突起。金錢魚的胸鰭和腹鰭中的黑色素細胞都沿著鰭條與鰭條之間相對有規(guī)律的排列著, 背鰭、臀鰭和尾鰭的黑色素細胞體積相對較大, 與分枝狀凸起較多且長也存在一定關(guān)系, 這類黑色素細胞比起團塊狀類型要成熟得多, 所處位置顏色較深。其中, 數(shù)尾鰭中的黑色素細胞分枝狀凸起最豐富, 如圖1 (1e, 2e); 黃色素細胞和紅色素細胞體積較黑色素細胞小, 處于黑色素細胞底下或者間隙中, 但顏色較鮮艷, 顯微鏡下發(fā)光發(fā)亮的部位是虹彩色素細胞明顯聚集的地方, 呈現(xiàn)出銀白色和淡藍色, 如圖1 (1a, 2a)。金錢魚的背、臀、尾鰭中的黑色素細胞和黃色素細胞相對于胸鰭和腹鰭而言, 數(shù)量更多, 密度更大, 這也更好地解釋了金錢魚體色的主色調(diào)為黑色和黃色。

注: 1a, 2a. 背鰭; 1b, 2b. 腹鰭; 1c, 2c. 臀鰭; 1d, 2d. 胸鰭; 1e, 2e. 尾鰭。M. 黑色素細胞; Ir. 虹彩色素細胞; X. 黃色素細胞; E. 紅色素細胞

2.2 金錢魚胚胎發(fā)育過程色素變化

金錢魚受精卵的直徑為(0.55±0.03) mm, 受精卵孵化水體的溫度為(30.0±0.5) °C、鹽度28—31、pH 8.0—8.5。胚后發(fā)育約7.5 h, 受精卵胚體開始出現(xiàn)黑色素細胞, 呈點狀(圖2a)。胚后發(fā)育約9.0 h, 胚胎發(fā)育至眼囊期, 此時胚體上黑色素細胞的數(shù)量增加, 主要分布在軀干部、油滴和卵黃囊膜上, 少部分游離到細胞液中; 此時的黑色素細胞形態(tài)多以點狀為主, 未見任何分枝狀(圖2b)。胚后發(fā)育約13.0 h, 黃色素細胞和紅色素細胞出現(xiàn)在軀干腹側(cè), 無論在數(shù)量上還是位置上皆無明顯變化, 而此時黑色素細胞已經(jīng)從點狀發(fā)展為分枝狀, 且其在油球上輪廓清晰(圖2c)。胚后發(fā)育約14.0 h能明顯觀察到尾芽, 有規(guī)律的振動(圖2d)。胚后發(fā)育約14.5 h, 初孵仔魚完成出膜。

2.3 前期仔魚色素細胞發(fā)育與體色變化

0 dph: 剛破膜孵出的仔魚全長(1.52±0.02) mm (圖3, 0 dph), 卵黃囊較大, 呈橢圓形, 長度超過體長的1/2; 油滴位于卵黃囊中間。此時仔魚最明顯的特點是除了尾部之外通體發(fā)黑, 黑色素細胞主要分布于眼囊、脊索、腹部和油滴上, 黑色素細胞呈較明顯的分枝狀, 且油滴上的黑色素細胞均勻的向四周伸展, 像雪花狀。黃色素細胞和紅色素細胞在身體的頭部和軀干部有零星分布, 但不是很明顯, 基本被黑色素細胞遮擋。卵黃囊仔魚基本沒有游泳能力, 只能通過尾巴擺動做身體旋轉(zhuǎn)(圖4, 0 dph-1, 0 dph-2, 0 dph-3)。

1 dph: 仔魚全長(2.13±0.04) mm (圖3, 1 dph), 此時仔魚頭部上抬, 卵黃囊和油滴明顯吸收后變小緊貼仔魚腹部, 發(fā)育出較明顯的頭部, 軀干部和尾部, 軀干其他部位的色素開始密集化, 且黑色素細胞和紅色素細胞的數(shù)量明顯增多, 顏色加深, 尾部跟頭部的紅色素細胞呈分枝狀。仔魚腹鰭芽基出現(xiàn), 背鰭膜大大增高, 胸鰭芽基隱約出現(xiàn), 有一定游動能力, 肛門前端移動且形狀清晰。

圖2 金錢魚胚體黑色素細胞顯微圖

注: a. 胚后發(fā)育7.5 h; b. 胚后發(fā)育9.0 h; c. 胚后發(fā)育13.0 h; d. 胚后發(fā)育14.0 h

2 dph: 仔魚全長(2.35±0.05) mm (圖3, 2 dph), 卵黃囊大大減少, 油滴體積顯著縮小。此時尾部依舊透明, 頭部和軀體部大部分已經(jīng)覆蓋著黑色素細胞, 眼球呈深黑色, 口開始作小幅度開合。胸鰭張開, 游動力慢慢增強。仔魚腸道加粗, 消化腔明顯, 肛門周圍及腹部開始聚集黑色素細胞, 魚體形狀分區(qū)逐漸明顯。

4 dph: 仔魚全長(2.42±0.04) mm (圖3, 4 dph), 多數(shù)卵黃囊消失, 油球幾近殘存, 背部肌肉逐漸向頭部方向生長, 背鰭膜進一步增高, 頭部有隆起狀突起, 黑色素細胞向腹部方向延伸, 腹腔與頭部色素連接成片, 背腹兩側(cè)黑色素開始退化, 大部分在背腹兩側(cè)分別殘留點狀的黑色素細胞, 而眼后頭部和尾巴基底部下開始出現(xiàn)點狀黑色素細胞, 眼球輪廓逐漸清晰呈圓形, 顏色進一步加深。

圖3 金錢魚前期仔魚體色發(fā)育過程

2.4 后期仔魚色素細胞發(fā)育與體色變化

5 dph: 仔魚全長(2.52±0.08) mm (圖4, 5 dph-1,5 dph-2,5 dph-3), 卵黃囊和油滴吸收基本完全, 腸道蠕動頻率增加, 胸鰭呈扇型, 腹鰭呈深黑色, 活動能力進一步加強, 頭部和腹部顏色逐漸加深, 攝食能力明顯增強, 主要以輪蟲幼體為食。此時仔魚身體整體的色素模式出現(xiàn)較大的變化, 背側(cè)色素的消失很快, 即軀干部色素很少或無色素分布, 能清晰的看到肌節(jié),在肛門上方僅剩少數(shù)幾個雪花狀的黑色素細胞, 背部的大部分色素細胞都往腹部和頭部聚集, 可能有利于眼球發(fā)育及保護發(fā)育早期較脆弱的腸胃免受紫外線的傷害。

圖4 金錢魚仔魚色素沉積和體色發(fā)育圖

注: 自上而下分別為0 dph仔魚, 5 dph仔魚, 8 dph仔魚, 11 dph仔魚, 13 dph仔魚和15 dph仔魚

8 dph: 仔魚全長(3.23±0.07) mm (圖4, 8 dph-1, 8 dph-2, 8 dph-3), 此時的仔魚攝食能力大大加強, 體型開始出現(xiàn)較大的變化, 頭后方出現(xiàn)結(jié)節(jié)突起, 能明顯觀察到發(fā)亮的虹彩色素細胞和少量紅色素細胞。頭部發(fā)育進一步完善, 其中眼睛跟顱骨發(fā)育最為明顯, 顱骨后方開始產(chǎn)生大量的點狀黑色素細胞, 從脊椎向尾巴方向產(chǎn)生與聚集, 并且出現(xiàn)不同發(fā)育階段的細胞。腹部顏色進一步加深, 黑色素細胞的數(shù)量顯著增多, 主要呈分枝型雪花狀, 腹鰭基部突起處有體積較大的分枝狀黑色素細胞, 腹腔色素在腹兩側(cè)從后向前擴散、密集, 往下頜骨方向發(fā)展。軀干中心只有少數(shù)幾個黑色素細胞, 軀干其他部位仍透明。

11 dph: 仔魚全長(3.86±0.14) mm (圖4, 11 dph-1, 11 dph-2, 11 dph-3), 仔魚各器官發(fā)育更加完善, 攝食及游泳能力增強, 體型上更趨近于稚魚, 頭大身子小, 整體呈三角形, 嘴巴顏色變黑, 更加厚實。此時軀干部色素沉著明顯, 身體軀干部的黑色素細胞密度增多, 大都呈分枝狀, 逐漸往尾部覆蓋。尾巴也出現(xiàn)零星的幾個色素細胞, 眼后頭部黑色素細胞、虹彩色素細胞和紅色素細胞數(shù)量急劇增多。紅色素細胞主要聚集在結(jié)節(jié)突起與背鰭棘鰭基部的位置。

13 dph: 仔魚全長(5.12±0.09) mm (圖4, 13 dph-1, 13 dph-2, 13 dph-3), 各器官發(fā)育進一步完善, 頭腹部的黑色沉著程度加深, 黑色素細胞從脊椎處向前向后快速生長并聚集, 使頭部和軀干部的顏色加深, 透光性減弱, 特別是下頜部黑色素沉積速度加快, 有利于其提高攝食的能力。軀干部的黑色素細胞不斷向尾部方向生長, 大都呈分枝型雪花狀。此時仔魚的體色模式還在加快演變中。

15 dph: 仔魚全長(5.87±0.13) mm (圖4, 15 dph-1, 15 dph-2, 15 dph-3), 頭腹部烏黑, 顯微鏡下其身體透光性極弱。尾部依然呈透明狀, 只能依稀見到少數(shù)幾個黑色素細胞, 背側(cè)亦開始形成背鰭的支鰭骨。頭部形狀更加立體, 顱骨和鰓蓋骨礦化程度較高, 頭大身子小。此時色素沉積模式逐漸往背鰭基部、臀鰭基部和尾鰭基部延伸覆蓋。

2.5 稚魚體色變化

24 dph: 稚魚全長(8.67±0.21) mm (圖5, 24 dph), 隨著稚魚身體器官發(fā)育的進一步完善, 仔魚的幼鰭鰭膜開始消失并被稚魚鰭膜替代, 預(yù)示著仔魚進入到稚魚期。此時魚體的色素模式是魚體全身為深黑色, 頭部、腹部和軀干部被大量黑色素細胞覆蓋。而最明顯的特征是頭部顱骨后方出現(xiàn)了一對特異形骨結(jié)節(jié)突起, 跟軀干部形成明顯的頭部和軀干部界限, 且十分堅硬。

30 dph: 稚魚全長(1.36±0.05) cm (圖5, 30 dph), 此時稚魚從外觀上看最明顯的是全身色素模式發(fā)生了改變, 從全身的深黑色褪變成了腹部的亮黃色和亮淺藍色, 同時呈現(xiàn)四條黑色縱帶。此階段腹部皮膚虹彩色素細胞大量產(chǎn)生。此現(xiàn)象說明虹彩色素細胞在皮膚中產(chǎn)生的時間較黑色細胞晚很多, 而一旦在腹部大量產(chǎn)生就改變原來的黑色素沉積模式, 將整片黑色體色分割成不同的顏色部分。

2.6 幼魚和成魚體色變化

50 dph: 幼魚全長(2.58±0.03) cm (圖5, 50 dph), 此階段幼魚身體側(cè)扁, 口小而牙齒整齊, 喜水藻豐富的陽光水域, 啃食藻類和水草, 側(cè)線明顯。背鰭隆起明顯, 呈鮮艷的橘紅色。身體有五到六條縱帶條紋, 且有些條紋已經(jīng)演變成斑點, 有些則正處在演變階段。第二背鰭、臀鰭和尾鰭仍然呈透明狀。

90 dph: 幼魚全長(4.98±0.07) cm (圖5, 90 dph), 體表顏色鮮艷, 全身的構(gòu)成色主要有黑色、黃色、紅色和綠色。皮膚中沒有縱帶條紋, 只有黑色斑點, 特別是側(cè)線下方的斑點狀已經(jīng)跟成年魚基本相同。側(cè)線上方背鰭基部則黃綠色斑紋明顯, 第一背鰭則呈鮮紅色, 第二背鰭、臀鰭和尾鰭已經(jīng)逐漸由原來的透明變?yōu)闇\黃色, 而它們的基部也開始產(chǎn)生黑色斑紋的體色模式。

120 dph: 金錢魚全長(7.46±0.12) cm (圖5, 120 dph), 整體體型已經(jīng)跟成年魚無異, 身體兩側(cè)的黑斑數(shù)量更多, 黑色更加集中。不同的是側(cè)線上方的黃綠色斑紋被黑斑代替, 且第一背鰭紅色顏色較淺, 黑色顏色增多, 第二背鰭的黑色斑紋沉積更多, 其基部聚集有黑斑, 有不斷向上遷移的趨勢, 臀鰭和尾鰭基部也有同樣的趨勢。

1齡成年魚: 金錢魚全長(17.41±0.18) cm (圖5, 1 year), 體色模式基本發(fā)育完全, 軀干部皮膚呈現(xiàn)明顯的背腹式體色模式, 背部皮膚上黑斑數(shù)量多, 顏色深, 腹部皮膚上黑斑數(shù)量少, 顏色淺, 整體呈現(xiàn)出背部體色顏色深而腹部體色淺, 而且腹部顏色較亮, 在陽光的照射下有反光現(xiàn)象。金錢魚第一背鰭上的紅色顏色褪去, 呈黑色, 第二背鰭、臀鰭和尾鰭呈現(xiàn)相同的顏色模式, 即黃黑相間的顏色模式, 黃色明顯加深, 而其黑色條紋的顏色同皮膚中的黑斑顏色基本一致, 可以推定這些黑斑條紋是皮膚中的黑斑在鰭中的分散分布。

圖5 金錢魚稚魚期到成魚期的整個體色變化過程

2.7 金錢魚的皮膚組織中色素細胞超微結(jié)構(gòu)觀察

金錢魚黑斑皮膚和非黑斑皮膚的透射電鏡如圖6。在電鏡下, 細胞內(nèi)部充滿大量的高電子密度大小不一的黑色顆粒, 且可明顯觀察到有很多顏色不均勻的管狀結(jié)構(gòu)(圖6, 1a), 這些結(jié)構(gòu)表面有明顯的界限感, 每個界限是一個黑素小體(圖6, 4a)。大量黑素小體堆疊擠壓形成管狀結(jié)構(gòu), 黑色小體有4個不同的發(fā)育時期, 顏色的深淺代表不同發(fā)育階段成熟度的高低, 其中, 顏色最深的黑素小體成熟度最高。金錢魚的皮膚中黑色素細胞呈分枝狀(圖6, 2b), 黑色素細胞周圍及底下布滿大大小小不同形狀的反射小板, 這些反射小板的數(shù)量之多, 因為虹彩色素細胞就由大量的反射小板所構(gòu)成, 這說明非黑斑皮膚中虹彩色素細胞的數(shù)量之多(圖6, 1b)。從金錢魚黑斑皮膚和非黑斑皮膚的透射電鏡切片對比發(fā)現(xiàn)黑斑皮膚中主要含有大量的黑色素細胞和黑素小體, 而非黑斑皮膚中含有大量的虹彩色素細胞, 黑色素細胞相比較少, 且非黑斑皮膚中虹彩色素細胞相互聚集在一塊從而跟黑色素細胞和黑素小體形成明顯的界限(圖6, 3b), 而在黑斑皮膚和非黑斑皮膚的交界處形成了一道天然的分界線(圖6, 4b), 這較好地解釋了金錢魚黑斑形成的作用機理。

3 討論

3.1 魚類色素發(fā)育

本研究對金錢魚的早期體色發(fā)育過程和后期體色模式整個形成過程進行拍照追蹤與分析, 了解金錢魚的完整生命發(fā)育過程中體色的沉積特點。從金錢魚的胚胎發(fā)育中最早觀察到黑色素細胞的發(fā)生, 之后陸續(xù)觀察到黃色素細胞和紅色素細胞, 虹彩色素細胞是在孵化出膜后的仔魚期才發(fā)生的, 這種出現(xiàn)的先后順序跟大部分硬骨魚類相同, 例如牙鲆、大菱鲆、圓斑星鰈等(Bolker, 2000; 嚴俊麗等, 2017)。哺乳類和鳥類的色素體可以在不同的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)移, 從而達到改變身體功能跟體色的目的。而魚類等變溫脊椎動物的色素體只在色素細胞內(nèi)發(fā)生移動, 使色素細胞的形態(tài)發(fā)生改變, 達到形成某些體色模式的目的(Mills, 2009)。因此, 魚類早期體色發(fā)育過程中色素細胞的形態(tài)變化在一定程度上代表了魚類色素細胞的整個發(fā)展史, 其中, 黑色素細胞發(fā)生最早, 呈現(xiàn)兩種細胞形態(tài), 從最初的團塊狀發(fā)育為體積較大的分枝型雪花狀。金錢魚從胚胎期的第一次出現(xiàn)點狀的黑色素細胞, 在8 dph仔魚時軀干部又一次出現(xiàn)點狀的黑色素細胞, 之后又變化成分枝型雪花狀。從這一變化可以看出點狀的黑色素細胞可能是未成熟的色素母細胞或者未成熟的黑色素細胞, 隨著進一步的分化或發(fā)育為分枝狀的黑色素細胞, 數(shù)量越來越多, 分布范圍更廣, 一直到24 dph稚魚全身變黑。金錢魚30 dph稚魚的皮膚中出現(xiàn)大量的虹彩色素細胞, 從皮膚中出現(xiàn)的縱帶條紋可以推測出虹彩色素細胞的生長方向是縱向的, 從幼魚期體表出現(xiàn)的斑點推測隨著魚的成長虹彩色素細胞開始沿著橫向生長。雖然虹彩色素細胞在皮膚中的分化最晚, 但其出現(xiàn)使金錢魚幼魚期階段到成年期的金錢魚體色發(fā)生重大改變。虹彩色素主要集中于魚體的腹部, 呈現(xiàn)出顏色較淺的白色或者銀色, 在光照條件下反光現(xiàn)象明顯, 而虹彩色素細胞與其他色素細胞(黑色素細胞和紅黃色素細胞等)相互作用, 可以表現(xiàn)為更加豐富的體色模式, 包括銀白色、綠色等(Doucet, 2009), 說明虹彩色素細胞對于魚類體色的形成具有重要的作用。

圖6 金錢魚黑斑和非黑斑皮膚色素細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)

注: 1a—4a. 黑斑皮膚; 1b—4b. 非黑斑皮膚。M. 黑色素細胞; Mel. 黑素小體; Rp. 反射小板

金錢魚早期體色發(fā)育中可觀察到4種色素細胞, 其中黑色素細胞最明顯, 數(shù)量多, 體積占比最大, 黃色素細胞和紅色素細胞主要分布在頭部和尾部, 數(shù)量少, 虹彩色素細胞出現(xiàn)最晚, 在金錢魚仔魚的腦后頭部突起處跟紅色素細胞幾乎同時出現(xiàn), 直到稚魚的中后期在皮膚中大量出現(xiàn), 為幼魚期金錢魚黑斑體色的形成奠定基礎(chǔ)。本次研究中, 金錢魚的皮膚透射電鏡結(jié)果顯示: 黑色素細胞內(nèi)部含有大量大小不一的黑色顆粒, 稱為黑素小體, 細胞大小的差別取決于黑素小體的多寡, 皮膚顏色的深淺取決于黑素小體聚集位置與細胞中心的距離, 距離越遠, 樹突狀分枝越長, 顏色越深; 距離越近, 樹突狀分枝越短, 顏色越淺。而金錢魚的非黑斑皮膚中大量聚集形狀不規(guī)則且致密的反射小板, 而在黑斑皮膚中則幾乎觀察不到反射小板, 說明黑斑皮膚中沒有虹彩色素細胞, 虹彩色素細胞集中在黑斑皮膚周圍的非黑斑位置, 將黑色素細胞和黑色小體包圍形成明顯的界限?？傊? 金錢魚早期的色素細胞發(fā)育與分布可以為后期成熟的體色模式打下基礎(chǔ), 成魚的透射電鏡結(jié)果有利于我們對成熟黑斑體色模式的形成有更深入的認識。

3.2 魚類顏色圖案形成與生物學(xué)意義

本研究中, 金錢魚的顏色圖案形成經(jīng)過以下四個階段, 過程較為復(fù)雜, 包括仔魚前期軀干部先顏色加深后“體色褪黑”至透明的現(xiàn)象、仔魚后期軀干部黑色素的向前向后發(fā)育過程、稚魚期體色全黑變化為幼魚期的縱帶條紋和幼魚期至成年期體色黑斑和黃黑鰭斑的形成等變化階段。此現(xiàn)象不僅僅只存在于金錢魚中, 多數(shù)魚類從仔魚到幼魚階段都存在一個重要的“體色褪黑”生物學(xué)現(xiàn)象(蔣燕玲等, 2016; 劉偉等, 2019), 出膜后, 魚體黑色素細胞分化速度加快、數(shù)目逐漸增加, 體表主要呈黑色, 然后在不同部位不同程度的褪去黑色, 形成跟早期體色極其不同的顏色圖案, 如橘色雙冠麗魚、日本錦鯉等。魚類不同階段的體色變化由色素細胞的種類、數(shù)量、密度、位置和排列方式共同決定的, 不同色素細胞之間的相互吸引與排斥作用是形成特定體色圖案的根本性原因(Hirata, 2003; Nakamasu, 2009)。

魚類的顏色圖案豐富多彩, 不同階段的顏色圖案往往對應(yīng)不同的功能作用。例如, 比目魚()在眾多魚類中偽裝能力最強, 當其所處的環(huán)境發(fā)生改變時, 可在2—8 s內(nèi)快速的改變身體顏色, 能夠相當逼真地與多種環(huán)境相匹配從而達到徹底偽裝自己的目的(Ramachandran, 1996)。而一些生活在近岸雜草叢生的魚類則通過展現(xiàn)其重復(fù)的顏色圖案, 達到與周圍環(huán)境相融合的目的, 當其快速游泳時其他敵害魚類看到的是模糊的身體形狀, 導(dǎo)致其他魚類產(chǎn)生視覺錯亂并達到成功保護自己的目的。相反, 一些生活于無背景的海洋上層魚類, 大部分身體顏色較淺, 且呈現(xiàn)較亮的銀色反光色, 可直接反射太陽光, 在周圍沒有背景或遮蔽物的開放水體中迷惑捕食者。金錢魚喜歡在河流入海口雜草和垃圾較多的地方產(chǎn)卵, 為了跟環(huán)境融合, 剛孵出的仔魚身體一般呈黑色, 有利于保護自己; 另一可能原因是金錢魚仔魚早期的食物輪蟲和藻類基本生活在光照充足的水域, 金錢魚仔魚身體呈黑色有利于感受太陽光的溫度而容易找到食物。而成年金錢魚喜歡棲息在河流入?？诩敖０吨参镙^多的水域, 其體表圓黑斑和黃黑條紋鰭條圖案可以使其更好的隱蔽于周圍環(huán)境, 達到躲避敵害的目的, 并且成年金錢魚喜歡啃食水草和藻類, 經(jīng)常受到陽光的直射, 黑斑圖案可能有利于降低紫外線對身體的損傷, 具體的生物學(xué)意義有待進一步研究。

4 結(jié)論

本文研究發(fā)現(xiàn)構(gòu)成金錢魚體色共四種色素細胞, 分別為黑色素細胞、黃色素細胞、虹彩色素細胞和紅色素細胞, 不同色素細胞在金錢魚體色形成中的占比不同。金錢魚的顏色圖案形成主要經(jīng)過四個變化階段, 包括仔魚前期軀干部顏色先加深至“體色褪黑”再到透明的現(xiàn)象、仔魚后期軀干部黑色素的向前向后發(fā)育過程、稚魚期體色全黑變化為幼魚期的縱帶條紋以及幼魚期至成年期體色黑斑和黃黑鰭斑的形成等變化階段。進一步觀察發(fā)現(xiàn), 金錢魚的皮膚中黑色素細胞和虹彩色素細胞數(shù)量最多, 分布最廣, 黑斑形成的關(guān)鍵原因是大量的虹彩色素細胞將聚集的黑素小體和黑色素細胞形成明顯包圍界限, 從而導(dǎo)致金錢魚黑斑體色模式的形成。本研究將為金錢魚的不同發(fā)育階段體色鑒定提供基礎(chǔ)性研究, 對金錢魚的種質(zhì)改良及解析體色形成的生物學(xué)意義提供科學(xué)理論指導(dǎo)。

于道德, 劉洪軍, 關(guān) 健等, 2012. 黑棘鯛早期色素細胞發(fā)育與體色變化. 漁業(yè)科學(xué)進展, 33(5): 1—7

劉 偉, 趙金良, 魏 磊等, 2019. 鱖早期色素發(fā)育和色彩圖案的形成. 動物學(xué)雜志, 54(2): 236—244

嚴俊麗, 陳四清, 常 青等, 2017. 圓斑星鰈仔稚魚色素細胞發(fā)育和體色變化. 水產(chǎn)學(xué)報, 41(5): 678—686

楊 尉, 陳華譜, 江東能等, 2018. 金錢魚生物學(xué)及繁養(yǎng)殖技術(shù)研究進展. 生物學(xué)雜志, 35(5): 104—108

楊紀明, 2000. 未見記載的真鯛變色. 海洋科學(xué), 24(6): 51

徐嘉波, 施永海, 謝永德等, 2016. 池塘養(yǎng)殖金錢魚的胚胎發(fā)育及胚后發(fā)育觀察. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 43(5): 716—721

黃宗國, 1994. 中國海洋生物種類與分布. 北京: 海洋出版社, 1—764

蔣燕玲, 宋紅梅, 劉 奕等, 2016. 橘色雙冠麗魚TYR基因的克隆及其發(fā)育時序和組織表達分析. 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報, 24(5): 697—707

蔡澤平, 胡家瑋, 王 毅, 2014. 金錢魚早期發(fā)育的觀察. 熱帶海洋學(xué)報, 33(4): 20—25

Barry T P, Fast A W, 1992. Biology of the spotted scat () in the Philippines. Asian Fisheries Science, 5: 163—179

Bolker J A, Hill C R, 2000. Pigmentation development in hatchery-reared flatfishes. Journal of Fish Biology, 56(5): 1029—1052

Doucet S M, Meadows M G, 2009. Iridescence: a functional perspective. Journal of the Royal Society Interface, 6(Suppl 2): S115—S132

Hirata M, Nakamura K I, Kanemaru T, 2003. Pigment cell organization in the hypodermis of zebrafish. Developmental Dynamics, 227(4): 497—503

Kelsh R N, 2004. Genetics and evolution of pigment patterns in fish. Pigment Cell Research, 17(4): 326—336

Lin X Z, Tian C X, Huang Y, 2021. Comparative transcriptome analysis identifies candidate genes related to black-spotted pattern formation in spotted scat (). Animals, 11(3): 765

Mills M G, Patterson L B, 2009. Not just black and white: pigment pattern development and evolution in vertebrates. Seminars in Cell & Developmental Biology, 20(1): 72—81

Nakamasu A, Takahashi G, Kanbe A, 2009. Interactions between zebrafish pigment cells responsible for the generation of Turing patterns. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106(21): 8429—8434

Ramachandran V S, Tyler C W, Gregory R L, 1996. Rapid adaptive camouflage in tropical flounders. Nature, 379(6568): 815—818

Randall J E, 2005. A review of mimicry in marine fishes. Zoological Studies, 44(3): 299—328

Ruxton G D, Speed M P, Kelly D J, 2004. What, if anything, is the adaptive function of countershading?. Animal Behaviour, 68(3): 445—451

DEVELOPMENT OF BODY COLOR AND FORMATION PROCESS OF BLACK SPOTS IN SPOTTED SCAT ()

LIN Xiao-Zhan1, ZHANG Jun-Peng1, HUANG Yang1, 2, SHI Hong-Juan1, 2, LI Guang-Li1, 2, TIAN Chang-Xu1, 2

(1. Fisheries College, Guangdong Ocean University, Guangdong Research Center on Reproductive Control and Breeding Technology of Indigenous Valuable Fish Species, Zhanjiang 524088, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhanjiang), Zhanjiang 524088, China)

The body pigmentation on fish is one of the prominent features of their external morphology, and plays an important role in the survival and the communication among aquatic animals. To explore the development of pigmentation of black spots in spotted scat (), microscopic observation on pigment cells in the fin rays of the adult spotted scat was conducted with Olympus stereoscopic dissecting microscope. Types and distribution of pigment cells on surface of spotted scat from the embryonic pigmentation stage to the late larval stage were analyzed. The progress of main black spots of the fish from juvenile to adult stages was observed. In addition, spotted and non-spotted skins of the fish were examined in transmission electron microscopy. Four types of pigment cells were recognized, including melanocytes, xanthophores, iridophores, and erythrophores. Melanocytes occurred first in the embryonic development stage, followed by xanthophores and erythrophores, and iridescent pigment cells came last and disappeared in the late stage of larvae. Interesting variation occurred in the larvae (0—24 dph): in 0—1 dph, body color changed from light to dark, the trunk color of the larvae was obviously depigmented in 2—7 dph; and the pigment restored in 8—24 dph and the whole body became black in 24 dph. At 30 dph, many iridophores appeared in skin and formed dim pigment bands, clear dark vertical stripes started to show in the juvenile stage (50 dph) and finally they turned steadily into multiple black spots in the adult stage. As shown in transmission electron microscopy, most melanocytes and iridophores were widely deposited in the skin as the results of bulky accumulation of melanosomes and melanocytes, around which iridophores deposited and encircled. The course of pigment deposition and body color changes of the spotted scat could be recognized in six stages: embryonic pigment development, early larvae, late larvae, juveniles, juveniles, and adult fish. This study provided a reference for the age identification of wild populations of spotted scat and a theoretical guidance for the manipulation of body color of the spotted scat.

spotted scat (); body color development; melatonization phenomenon; blackening phenomenon; black spot formation

* 國家“藍色糧倉科技創(chuàng)新”重點項目, 2018YFD0901200號; 廣東省自然科學(xué)基金資助項目, 2019A1515010958號, 2019A1515110619號, 2021A1515010733號; 廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項目, 2019KTSCX060號; 廣東海洋大學(xué)博士啟動項目, R19026號。林曉展, 碩士研究生, E-mail: linxiaozhan@stu.gdou.edu.cn

田昌緒,博士, E-mail: tiancx@gdou.edu.cn

2021-05-24,

2021-07-15

S917.4; Q954.6

10.11693/hyhz20210500121