固着轮虫Collotheca monastica伏击捕食的超微结构适应：基于透射电镜的管、表皮与消化上皮研究

《Hydrobiologia》：Ultrastructural features associated with ambush predation in the sessile rotifer Collotheca monastica Franch, 2025

　　

研究人员评估了这样一个假说：固着轮虫中大食性（macrophagous）伏击捕食的特化不仅体现在外部形态上，还体现在目前所描述的滤食性类群中显然缺失的超微结构特征上。利用透射电子显微镜（transmission electron microscopy, TEM），研究人员检查了Collotheca monastica的管、表皮和消化上皮。漏斗缘（infundibular rim）和颊管（buccal tube）上的不动纤毛（immotile cilia）对应于外动力蛋白臂（outer dynein arm, ODA）和顶端线粒体的缺失。漏斗衬里（infundibular lining）是一个合胞体（syncytium），具有一层薄而致密的细胞内层、纤维-颗粒状糖萼（glycocalyx）以及带有疑似分泌性球状结构的圆锥形孔隙。颊裂（buccal cleft）由具有不动纤毛的纤毛细胞形成，这些纤毛呈环形排列，通过连接复合体（junctional complex）与上方的漏斗衬里和下方的扁平颊上皮细胞相连。在其下方，强烈折叠的扁平细胞可能产生一个可脱离的壁，该壁可能与颊帆（buccal velum）同源；这些细胞和壁均延续到前胃（proventriculus）上皮。胃表现出活跃的细胞内消化，而肠道含有包埋在纤维基质中的部分消化物质。排泄小体（excretophores）的超微结构首次被描述。这些整合的超微结构特征支持了这样一种观点，即Collothecaceae中的大食性塑造了滤食性轮虫中未曾报道的独特组织架构。

轮虫（Rotifera）门作为形态与功能多样性突出的类群，其约2000余种成员中约有100种严格固着生活，主要集中于单巢纲（Monogononta）的Gnesiotrocha总目。其中，Flosculariidae科为微食性滤食者，依赖咀嚼型 trophi 和活跃的纤毛口器；而Collothecaceae科则为大食性伏击捕食者，以宽阔的漏斗和钩状 trophi 捕食大型猎物。本研究焦点种Collotheca monastica Franch, 2025可捕食从原生动物到小型轮虫的多种猎物，但其捕食过程似乎完全被动，与同科其他属不同。尽管固着轮虫在食物网和生态功能中有重要意义，以往关于轮虫功能多样性的研究多集中于浮游种类，大食性捕食的超微结构基础几乎未被涉及。已有的少数透射电镜研究仅描述了部分幼虫结构或个别物种的组织，而Collotheca属成虫尚无系统的超微结构数据。因此，了解这类伏击捕食是否伴随独特细胞结构特征，对于揭示轮虫功能演化至关重要。

研究人员以实验室培养的C. monastica为材料，选取两个个体（一个漏斗展开、一个漏斗收缩），采用改良热固定法（85°C的2.6%戊二醛瞬时处理）后进行常规透射电镜制样，通过半薄切片光镜和超薄切片TEM观察了管、表皮、漏斗纤毛缘、漏斗衬里、颊裂、前胃、胃、肠道及排泄小体。研究结果表明，这些结构共同体现出与伏击捕食密切相关的独特构型：管是一种柔软的水凝胶，表皮合胞体具有薄而均匀的细胞内致密层（intracellular dense layer, ICL）和发达糖萼；漏斗缘和颊裂处的不动纤毛均缺乏外动力蛋白臂（outer dynein arm, ODA），且胞质内线粒体稀少；漏斗衬里为带有圆锥形孔隙的合胞体，孔隙内含疑似分泌物的球状结构；颊裂由纤毛细胞与扁平细胞构成，扁平细胞折叠形成可脱离的壁，并延续为前胃壁，前胃壁在特定状态下可分离并呈层状膜结构，类似颊帆（buccal velum）；胃上皮具有动纤毛和活跃的内吞囊泡，显示以细胞内消化为主；肠道为无纤毛、无糖萼的合胞体，腔内食物包埋在纤维基质中，且未观察到肛门和排便过程。排泄小体首次被描述为200–800 nm的囊泡，内含物电子透明，外包纤维样网状结构。

本研究的主要技术方法可概括为：样本采自西班牙比利牛斯山麓一处洼地中苔藓碎片上的实验室培养种群，选取两个成虫个体（一个漏斗展开、一个收缩）。采用改良热戊二醛固定（85°C瞬时处理）结合常规透射电镜制样，包括锇酸后固定、乙醇梯度脱水、Epon 812包埋，半薄切片甲苯胺蓝染色进行光镜定位，超薄切片（70 nm）经醋酸铀和柠檬酸铅染色后以JEOL 1011透射电镜观察，并通过校准标尺进行测量。

在光镜观察中可见，活体C. monastica长时间保持不动，漏斗缘和颊裂纤毛无自主运动，但胃和原肾管球纤毛活动明显；漏斗透明，前胃颜色随猎物变化，胃呈淡棕色，肠道含棕黑色颗粒；前胃与胃、胃与肠道连接处极度狭窄，未观察到肠道与直肠或肛门相连，也未观察到排便。半薄切片显示漏斗分内外两层，即外部表皮和内部衬里，两层间以含肌肉的体腔隔开，衬里表面可见小突起。

透射电镜下的管与表皮显示，管为包围表皮的纤维颗粒状水凝胶，表皮为合胞体，由外到内依次为糖萼、顶膜、薄亚膜层、ICL、胞质、基底膜和基板，ICL厚度50–100 nm且全身一致；ICL内散布孔隙，孔隙由扁平球状结构和短通道构成，可能是分泌或物质交换位点。漏斗纤毛缘由马蹄形的纤毛细胞构成，连接表皮与漏斗衬里，纤毛间距约200 nm，轴丝为9+2结构但缺失外动力蛋白臂，且纤毛细胞顶端缺乏线粒体，这解释了纤毛的不动性；细胞间以黏合连接和隔膜连接连接，并通过斑点桥粒附着于肌肉。漏斗衬里为一层薄合胞体，同样有糖萼和约30 nm厚的致密层，并形成独特的圆锥形孔隙，孔隙内可见电子透明球状物和糖萼聚集，可能发挥分泌或保护作用；衬里中还有成束的感觉纤毛插入并深入体腔，提示增强的机械感觉功能。颊裂位于漏斗底部，连接漏斗腔与前胃，由上部纤毛细胞和下部扁平细胞组成；纤毛紧密排列成屏障且同样缺失外动力蛋白臂，扁平细胞高度折叠并形成可脱离的壁，该壁与前胃壁连续，形态学证据提示其与颊帆同源。前胃上皮为扁平细胞，壁的结构与颊裂壁一致；在一个标本中壁紧贴细胞，另一个标本中壁分离，分离后的壁呈层状或髓鞘样膜结构，提示可能的疏水或屏障功能；扁平细胞胞质内富含脂滴，腔面无微绒毛，与C. vorax不同。胃上皮细胞极明显，腔面具有动纤毛、松散糖萼和大量内吞囊泡，基底侧有大型液泡和线粒体，内质网和高尔基体发达，但未见向腔内分泌的颗粒，说明最终消化在细胞内进行，与缺少胃腺的特征一致。肠道呈合胞体结构，腔面光滑无纤毛无糖萼，部分区域胞质极薄，部分区域增厚并充满脂滴和液泡；腔内为部分消化食物，包埋于松散纤维基质中；未发现肛门，肠道可能为盲端。排泄小体成簇位于肠道周围，其超微结构显示为不含细胞器的囊泡，外被纤维网状包膜，而非质膜，提示其可能为细胞外聚集的脂质或分泌物残体。

讨论部分将上述特征整合为伏击捕食相关的结构适应：柔软管壁允许漏斗充分扩张和前胃膨胀；薄ICL表皮赋予全身高度伸缩性和灵活变形能力；纤毛运动能力丧失通过ODA缺失和线粒体减少实现，而感觉纤毛的保留和复杂化补充了猎物感知；圆锥形孔隙可能分泌粘液、诱引物质或消化酶，以辅助猎物捕获或防御；颊帆样前胃壁可能阻止大型猎物逃逸并形成防自消化屏障；胃的细胞内消化说明细胞外酶解作用弱；肠道盲端可能承担长时间消化和储存不可消化残渣的功能。与滤食性轮虫相比，这些组织构型在Collothecaceae中具有独特性，提示大食性捕食驱动了细胞层面的特化演化。

研究结论可翻译如下：总体上，C. monastica的大食性摄食模式和行为谱反映在其组织和细胞结构上，尽管该解释受限于本次较小样本。柔软的外管、具有薄细胞内致密层和发达糖萼且与水凝胶管保持分离的表皮、前胃中运动纤毛的缺失以及感觉纤毛的发达、由圆锥形孔隙构成的潜在分泌性漏斗衬里、可外翻的颊裂，以及前胃中可分离的颊帆样壁，共同构造了一种有利于捕获和处理大型猎物的结构配置。该配置与胃的细胞内消化和疑似盲肠的肠道内缓慢细胞外分解相互补充。总体而言，这些观察指向Collothecaceae中可能支持伏击捕食的超微结构特征，同时凸显将细胞层面证据纳入轮虫功能与进化多样化更广泛评估的重要价值。