涡虫研究的早期就有纤毛虫寄生于其体内或体表的记录,在北美、欧洲和亚洲的多个淡水涡虫属中均发现有纤毛虫寄生。Bishop发现在剑桥大学附近的沟渠中采集的涡虫
Polycelis nigra和
Dendrocoelum lacteum的肠道和咽部有纤毛虫
Sieboldiellina planariarum寄生
[1];Reynolson在英国班戈大学采集的涡虫
Polycelis nigra和
Dugesia lugubris的体表寄生有帽贝壶形虫(
Urceolaria mitra)
[2-3]。然而涡虫寄生有纤毛虫的记录多数与纤毛虫的分类相关
[4-6],对宿主涡虫的影响报道相对较少,其中Bowen发现涡虫体表寄生的壶形虫可以影响宿主的运动和损害上皮组织
[7],Bruvo认为纤毛虫对涡虫表皮的损害会引起其他感染的发生并促进其防御能力的进化
[8]。
壶形虫属(
Urceolaria)是原生动物门(Phylum Protozoa)寡膜纲(Oligohymenophora)缘毛目(Peritrichia Stein)壶形虫科(Urceolariidae)的一类可自由运动的纤毛虫。可寄生于淡水三肠目涡虫,如多目涡虫属(
Polycelis)、施密特涡虫属(
Schmidtea)、细涡虫属(
Phagocata)和三角涡虫属(
Dugesia)等的体表
[9]。部分壶形虫种类寄生于海生贝类、多毛类、棘皮动物和腕足动物的体表或消化道内腔,通过附着盘上的缘膜、齿体和辐线固着于寄主的组织,可因机械损伤对宿主产生不同程度的危害
[10-11]。
三角涡虫(
Dugesia)属于扁形动物门(Platyhelminthes)、涡虫纲(Turbellaria)、三肠目(Tricladida)、三角涡虫科(Dugesiidae),栖息于淡水湖泊、泉水和溪流中,营自由生活,是水生态系统中的重要类群
[12-13]。近年来我国三角涡虫的分类学研究进展也十分迅速,相继在国内多个省区鉴定出多个新种,证实了三角涡虫在国内具有丰富的物种多样性
[14-17],也使我国成为淡水三角涡虫分类学研究的热点地区。三角涡虫结构相对完整且简单,因其体内含有大量成体干细胞(neoblasts)而具有极强的组织再生及器官重建能力。同时,该类群对实验室饲养条件要求较低且对环境因素高度敏感。这些特点使其成为国内外学者广泛关注的热点,已成为发育生物学、再生生物学和毒理学等研究领域中理想的动物模型
[18-19]。然而,在实验室培养体系和野生环境中,三角涡虫常受到壶形虫的寄生感染,欧洲三角涡虫野生种群和北美实验室培养体系中均有壶形虫感染寄生的记录
[20-22],本实验室在多个野外采集地及不同种属淡水涡虫中也发现有壶形虫感染。被感染的涡虫表现为摄食能力减弱、生长速度减慢和再生能力下降,尤其是季节交替期间,寄生壶形虫大量繁殖,严重时可导致涡虫死亡。壶形虫具有齿轮状吸盘结构,在涡虫体表附着紧密不易分离
[23]。目前,尚无清除涡虫体表壶形虫有效方法的报道。这给实验室涡虫培养及科研工作带来困扰,影响研究进展,因此,探索清除涡虫体表寄生壶形虫的方法迫在眉睫。
涡虫本身承受能力较弱且对化学刺激高度敏感,根据纤毛虫在低pH值下的存活率下降
[24]且盐度增高也会降低纤毛虫生存率的特点
[7],本研究选用涡虫较易耐受的氯化钠(NaCl)溶液、冰乙酸(CH
3COOH)溶液和磷酸氢二钠(Na
2HPO
4)溶液对寄生于涡虫体表的壶形虫进行处理,以期寻找有效、安全的清除壶形虫的方法,为涡虫实验室培养和寄生虫的防治提供有效的方法。
1 实验材料与方法
1.1 实验动物
狭囊三角涡虫(
Dugesia constrictiva)采自河南省鹤壁市
[25]。使用涡虫培养水(蒸馏水∶自来水,1∶1)将涡虫饲养于避光的20 ℃恒温培养箱中,每周用新鲜牛肝喂食1次,并保持水质干净。选用长度4~6 mm、感染壶形虫的涡虫进行实验。
1.2 实验试剂
氯化钠(NaCl,分析纯,货号:C111533);冰乙酸(CH3COOH,分析纯,货号:A758682);磷酸氢二钠,十二水合(Na2HPO4·12H2O,分析纯,货号:S293987);购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
1.3 实验方法与步骤
1.3.1 壶形虫的形态
首先于显微镜下观察壶形虫外部形态、运动方式等,然后用硝酸银染色法对其进行染色处理,以进一步观察壶形虫的形态。参照张立强的染色方法
[26],取患有寄生虫的涡虫置于载玻片上,用吸管吸出多余水分,在体式显微镜下迅速用玻璃分针将寄生虫从涡虫体表上剥落,并及时将涡虫移除放回培养盒中,将载玻片置于室温下干燥10 min,在有壶形虫的区域加入3%的硝酸银溶液孵育1 min;然后用蒸馏水将残余的硝酸银溶液缓慢冲洗干净后,置于阴凉处干燥,将玻片置于台灯下曝光10 min,在体式显微镜下发现虫体颜色呈黄褐色时停止曝光,中性树胶封片后进行拍照保存。
1.3.2 涡虫体表寄生壶形虫的清除
选用NaCl、CH3COOH和Na2HPO43种溶液作为清除涡虫体表壶形虫的试剂。首先测定3种试剂对涡虫的急性半致死浓度,以确定各试剂的实验浓度。先测定出3种试剂对狭囊三角涡虫暴露96 h的最低致死浓度(Lethal Concentration 100,LC100)和不引起受试动物死亡的最高浓度(Lethal Concentration 0,LC0)值,在LC0~LC100之间设置6个等倍浓度和空白对照组进行实验。随机选取形态正常,体长4~6 mm的涡虫每组10只(n=10),将涡虫分别暴露于设定浓度梯度的3种溶液中并记录涡虫在各个时间点的存活率,实验重复3次。根据统计数据使用IBM SPSS Statistics 23.0软件的概率单位法(Probit)计算得出96 h半致死浓度(Lethal Concentration 50,LC50)及95%置信区间。
使用涡虫培养用水配制1/4、1/2、1、2倍LC50浓度的NaCl溶液、CH3COOH溶液、Na2HPO4溶液依次对有壶形虫寄生的涡虫进行处理,处理时放摇床轻轻摇晃,时间2 min,在体式显微镜下观察壶形虫去除效果并记录各组处理后涡虫恢复摄食所需时间。所有实验均独立重复3次。
1.3.3 化学试剂处理后涡虫形态、摄食行为恢复时间观察
由于受寄生虫感染的涡虫身体常呈蜷曲状,不利于观察和拍照,因此采用压片法进行辅助拍照。将处理前后的涡虫置于载玻片上,轻轻盖上盖玻片使其身体舒展,然后在体式显微镜(徕卡M165C,德国)下拍照记录其体表壶形虫的寄生情况。
摄食行为的恢复是评估涡虫整体健康状况的重要指标
[27]。将经化学试剂处理并清洗后的涡虫单独放置于培养皿中,从转移入培养用水后开始计时,记录每只涡虫至开始摄食(以用新鲜牛肝进行引诱,涡虫附着并伸出咽部为准)所需的时间,即为摄食恢复时间。所有实验均独立重复3次,数据结果为3次独立实验的平均值±标准差。
2 实验结果
2.1 形态学观察结果
2.1.1 涡虫感染壶形虫后形态学变化
将感染有壶形虫的涡虫置于体式显微镜下观察,壶形虫多寄生于涡虫的背面及两侧。寄生有少量壶形虫的涡虫形态及运动影响不明显(如
图1a),寄生有较多壶形虫的涡虫身体皱缩在一起,运动缓慢或者失去运动能力,摄食能力减弱(
图1b)。
2.1.2 壶形虫的形态
对涡虫体表的黏附物剥落后压片置于显微镜下观察,壶形虫侧面观呈帽状或钟形,斜视时则呈椭圆形,虫体长90~140 µm,宽65~90 µm。胞内可见U形大核和伸缩泡,具有明显的附着盘,直径60~70 µm,口缘及附着盘周缘有纤毛(
图2a)。硝酸银染色图片也可以看到它的附着盘和口周缘纤毛形态(
图2b)。附着盘由18~20个部分重叠的齿状体(denticle)构成骨骼环(skeletal ring),外径约50 μm。骨骼环周缘有260~290根辐射状纤维连于齿状体上(
图2c)。依据虫体大小和附着盘等结构特点,初步确定本实验三角涡虫感染的寄生虫属于壶形虫(
Urceolaria sp.)。
2.2 不同试剂清除涡虫体表壶形虫效果
NaCl溶液96 h的LC
50为96.32 mmol/L,CH
3COOH溶液96 h的LC
50为1.858 mmol/L,Na
2HPO
4溶液96 h的LC
50为60.43 mmol/L(
图3a~c),分别用1/4、1/2、1、2倍LC
50的各溶液依次对寄生于涡虫体表的壶形虫进行处理,每个处理组10条涡虫,处理时间2 min,体式显微镜下检查涡虫体表壶形虫清除情况。采用压片法对处理前后的涡虫形态进行比较,判定壶形虫实验清除效果并记录不同溶液处理后涡虫恢复摄食所需时间。
2.2.1 NaCl溶液处理
使用浓度为24.08 mmol/L和48.16 mmol/L的NaCl溶液处理后,体式显微镜下检查涡虫体表仍有壶形虫附着。使用浓度为96.32 mmol/L和192.64 mmol/L的NaCl溶液处理后,镜检涡虫体表未发现壶形虫附着,提示此浓度的NaCl溶液可以完全清除涡虫体表的壶形虫。但随着NaCl溶液浓度的升高,涡虫受到盐溶液刺激后身体蜷曲、扭动的程度有所增强,涡虫恢复摄食所需时间也大幅增加(
图3d,
图4和
表1)。
2.2.2 CH3COOH溶液处理
使用浓度为0.465 mmol/L CH
3COOH溶液处理有寄生壶形虫的涡虫时,未能将体表寄生壶形虫全部清除。当浓度提高至0.929 mmol/L、1.858 mmol/L和3.716 mmol/L时,均能将涡虫体表寄生的壶形虫全部清除,但随着CH
3COOH浓度的增高涡虫在溶液中也会出现蜷曲、扭动等受刺激的表现,同时CH
3COOH溶液处理后涡虫恢复摄食所需时间增幅较小(
图3e,
图4和
表1)。CH
3COOH溶液的pH值均在4.04~4.80之间。
2.2.3 Na2HPO4溶液处理
使用浓度为15.11 mmol/L、30.215 mmol/L Na
2HPO
4溶液处理有寄生壶形虫的涡虫2 min后,未能将体表寄生壶形虫全部清除。而当浓度提高至60.43 mmol/L和120.86 mmol/L时,均能将涡虫体表寄生的壶形虫全部清除。但随着Na
2HPO
4浓度的持续增高涡虫在溶液中出现蜷曲、扭动等受刺激的表现越明显,同时Na
2HPO
4溶液处理后涡虫恢复摄食所需时间增幅较大(
图3f、
图4和
表1)。Na
2HPO
4溶液的pH值均在8.6~9.2之间。
3 讨论
我国淡水涡虫资源丰富、分布广泛,是淡水涡虫分类学研究的热点区域
[12]。淡水涡虫强大的再生能力,能够重建所有因损伤而丧失的组织,这一非凡特性使其成为再生生物学、干细胞功能调控和衰老机制等现代生命科学前沿领域的重要研究模型
[28]。三角涡虫作为一种新兴组织再生的无脊椎模式生物,在多个领域受到越来越广泛的关注和应用。
在对涡虫开展各种实验研究时都需要大量涡虫个体,因此,在实验室建立相应的涡虫培养体系必不可少,而在培养过程中,其体表寄生的壶形虫常对涡虫造成伤害,尤其季节变换时对涡虫影响最大,严重时可造成大量死亡。尽管水产养殖中寄生纤毛虫感染常使用硫酸铜、高锰酸钾或硫酸氢钾等进行防治
[29-30],但涡虫对此类强刺激化学物质耐受性极差。因此,本研究旨在筛选对宿主涡虫刺激性较弱、兼具高效性与安全性的清除试剂。本研究结果显示,NaCl溶液、CH
3COOH溶液和Na
2HPO
4溶液在有效浓度下均能清除壶形虫,但其效能和对涡虫的影响有所不同。
CH
3COOH溶液在较低浓度(0.929 mmoL/L)下即表现出完全清除效果,且涡虫恢复摄食时间最短,这可能与其酸性环境密切相关。王秀云等研究发现纤毛虫对酸性环境较为敏感,pH值低于5.0时其活力减弱,pH值低于4.5时,在8 h内大部分纤毛虫无法存活
[31]。此外,CH
3COOH作为一种弱有机酸,可穿透细胞膜,使细胞膜层结构的完整性遭到破坏导致壶形虫体从涡虫体表快速脱落或死亡
[32]。本研究中使用的CH
3COOH溶液pH介于4.04~4.80之间,处于涡虫可耐受的pH范围
[33],因此能够在有效杀伤或驱离壶形虫的同时对宿主涡虫造成的影响较小。
相比之下,NaCl(96.32 mmoL/L)和Na₂HPO₄(60.43 mmoL/L)虽也能清除壶形虫,但均引起涡虫剧烈应激反应(如身体蜷曲、扭动),且恢复摄食时间显著延长。NaCl的高渗环境可能通过渗透压冲击改变涡虫体壁细胞的机械应力,同时也会对涡虫体表上皮细胞和黏液层造成物理性损伤
[34],使涡虫出现剧烈的应激反应并延长了恢复摄食时间。Dornelas等研究表明,盐溶液对吉拉德涡虫(
Girardia tigrina)的再生能力、运动能力和摄食能力均会产生影响,当NaCl浓度高于103 mmoL/L时,
G.tigrina的存活率下降
[35-36]。Simão等测得
G.tigrina的96 h NaCl溶液LC
50为116 mmoL/L,并在浓度为47.6 mmoL/L NaCl处理8 d记录到涡虫的摄食抑制率为8.6%
[27]。由于不同种类涡虫和个体大小的涡虫对盐溶液的耐受程度有所区别
[37],本研究测得涡虫的氯化钠LC
50为96.32 mmoL/L。本研究中,低浓度NaCl溶液对壶形虫的清除效率较低,且存在复发感染现象;尽管处理时间仅2 min,较高浓度NaCl(如超过96.32 mmoL/L)对涡虫的运动和摄食能力恢复产生显著抑制,个别涡虫甚至死亡,因此将其列为备选方案。
Na₂HPO₄溶液清除壶形虫的有效性可能与其创造的碱性环境或高离子强度有关,且其具体驱虫机制尚不明确,同时高浓度处理因强烈刺激导致涡虫恢复时间大幅延长。
综上所述,证明使用浓度为0.929~3.716 mmoL/L的CH3COOH溶液处理2 min,是清除狭囊三角涡虫体表寄生壶形虫的高效、相对安全且操作便捷的方法。除化学处理外,实验室还应辅以严格的预防措施(如保持器皿和水源清洁、工具专用、及时隔离感染个体等),以系统性地控制寄生虫的传播风险。
本研究结果主要基于狭囊三角涡虫(D.constrictiva),其他涡虫种类对CH3COOH处理的耐受性和清除效果是否有差异,仍有待进一步检验。此外,实验过程中发现三角涡虫、细涡虫的消化道内寄生有其他寄生虫,其影响及防治方法也将是未来研究的一个方向。未来工作可致力于优化CH3COOH的处理流程(如探索更短的有效时间),或开发复合剂型、联合物理方法,在彻底清除寄生虫的同时,进一步减轻对涡虫的不良影响。
国家自然科学基金(32470463)
国家自然科学基金(32270501)
河南省重大公益项目(201300311700)
河南省自然科学基金(242300420495)