基本信息
- 项目名称：
- 水螅3新种1新纪录种与应用技术研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 首次记述了淡水水螅3新种和中国1新纪录种：1）多形水螅新种（Hydra polymorphus sp.nov.）钩刺丝囊的外形呈香蕉形、鞋底形和长椭圆形3种形态，囊内顶端基部刺丝呈横2 - 3环，纵向和不规则缠绕。2）肇庆水螅（Hydra zhaoqingensis sp.nov.）触手较长，钩刺丝囊刺丝横向缠卷3 - 4圈。3）中国绿水螅新种（Chlorohydra sinensis sp.nov.）体呈翠绿色，钩刺丝囊外壳形状多样化，囊内顶端基部刺丝呈2 - 3圈弹簧状缠卷。4）大乳头水螅（Hydra magnipapillata，ITO. 1947）附图91幅。 作者首次创建了100L水族箱生态法水螅免换水长年培养新技术与30L水体刚毛藻法免换水培养技术，可节约大量水源、时间和精力，寒暑假可起到保种作用。该文研制出的水螅刺丝囊分离技术，方法极为简便，其应用效果超过当前国际上的同类水平。为水螅分类研究提供科学的便捷技术。 首次利用水螅的摄食行为特性，在微量毒物毒性检测方面的应用，其检测时间不超过10 min。实验研究了常用的培养水螅的3种培养液和2种微量毒物毒性的检测方法，发现含EDTA培养液对水螅摄食有明显抑制作用，对重金属有鳌合作用。筛选出一套科学、简便的检测技术。 该作品在国内核心期刊已经公开发表论文7篇，2篇待刊（其中1篇在日本的《Zoological Sicence》上待刊）。
- 详细介绍：
- 水螅在研究神经物质起源、动物起源与进化、发育生物学及实验动物学研究常用的实验动物。迄今记录的水螅有36种。中国仅报道4新种及一新纪录种，一些以水螅为研究材料的工作，出现无学名或鉴定错误，已引起国际同行专家关注。开展研究需长期培养水螅，每天喂活水蚤和换水，消耗大量时间与精力。水螅的钩刺丝囊长8-14μm，囊内刺丝直径仅0.2-0.5μm，其盘旋形态是重要的分类性状。多数研究者用压片法观察后绘图描述，少数学者用压片法观察和拍照，但清晰度很差。本课题组采集了厦门市、广东省惠州市和肇庆市的水螅，经历3年的长期饲养观察，探索出水螅单系繁殖长期不换水的2种技术，并研究出水螅刺丝囊的分离技术，为相关研究节约大量时间和精力。在此基础上，查阅并比较了现有文献，鉴定一个中国新记录种，发现并命名了3个水螅新种。研究结果如下： 1 首次发现了水螅三新种和中国一新纪录种 （本作品共附图91幅） 1.1 多形水螅，新种Hydra polymorphus sp. nov. 主要鉴别特征 雌雄同体。触手伸展时可达体长的5.5 - 6倍。触手数4 - 6条。统计100条水螅，具4条触手的个体占79％，5条触手的占18％，6条触手的占3％。钩刺丝囊 (holotrichous isorhiza ) 大小为 (9.2 - 11.3 ) μm × ( 3.9 - 5 ) μm，呈香蕉形、鞋底形和长椭圆形3种形态，其宽度不超过长度的1／2，刺丝呈横向或斜向弹簧状盘旋2 - 3圈。 与近似水螅种比较 本新种与H. carnea（Hyman, 1931a）和H. sp. (Campbell，1999）较为相似，但有显著区别：1）本新种水螅触手的长度是体柱的5.5 - 6倍，而H. carnea是1.5 - 3倍；H. sp只有1/3 - 1/2倍。2) 本新种水螅的体柱长度为9（8 - 14）mm， Hydra sp的体柱长度为3 - 5 mm，两者相差较大。3）多形水螅精巢没有乳头，而Hydra carnea有明显乳头。 1.2 肇庆水螅，新种Hydra zhaoqingensis sp.nov. 主要鉴别特征 雌雄异体。柱长6 - 20mm，多数为7mm左右。触手数为4、5、6和8条，常见为4条和5条，伸展时触手是体长7 - 13倍。钩刺丝囊大小为 (9.5 - 12.2) μm× (5 - 7.0) μm，长椭圆形，其宽度超过长度的1／2，囊内刺丝缠绕呈横向弹簧状或呈不规则缠绕和纵向缠3 - 4圈。 与近似水螅种比较 该新种与北京水螅(Hydra beijingensis, Fan, 2003)最相似。但存在差异：1）本文水螅触手长度是体柱长的7 - 13倍，而北京水螅是1.5 - 2.5倍；2) 本文水螅的精巢数为1 - 7个，北京水螅的精巢数为6 - 15个；3）肇庆水螅新种钩刺丝囊刺丝横向缠卷3 - 4圈，北京水螅钩刺丝囊刺丝横向缠卷4 - 5圈。 1.3 中国水螅，新种Hydra sinensis sp.nov. 主要鉴别特征 雌雄同体。体内共生有绿藻，体呈绿色。体柱长达11 - 14 mm，最长达18.5 mm，触手5 - 8条。钩刺丝囊大小（ 7.8 - 10.1 ）×（ 3.1 - 4.3 ）μm。外壳形状多样化，囊内顶端基部刺丝呈2 - 3圈弹簧状缠卷。 与近似水螅种比较 本新种水螅与H. viridissima相比，有显著区别：1）本新种钩刺丝囊形态多样，有鞋底形、短棒形、香蕉形和椭圆形等，而H. viridissima的钩刺丝囊外形呈较狭长的鞋底形；2）中国水螅的钩刺丝囊内横向盘旋的刺丝只有2 - 3圈，未见盘旋4圈刺丝囊。而H. viridissima 的刺丝囊的囊内横向盘旋的刺丝有4圈。 1.4 大乳头水螅，新纪录种（Hydra. magnipapillata, ITO. 1947） 主要鉴别特征 雌雄异体。体长达11 - 16 mm，触手与体柱比为2.0 - 3.0，触手5 - 8条。有性生殖个体的精巢具有明显的乳头，卵胚有明显的卵柄。钩刺丝囊的宽度大约为长度的1/2，顶端有明显的喙状突起；囊内顶端基部刺丝呈4圈横向弹簧状缠卷（多数为4圈），后半部的刺丝呈不规则缠绕。 与模式标本比较 产于厦门的水螅与日本学者ITO报告的大乳头水螅H. magnipapillata, ITO1947最为相似，如各类刺丝囊的缠卷数、大小、形状，精卵巢的形态特征都相似，但存在差异：1) 本种水螅个体出现了体部与柄部的分化，有别于日本标本（没有体部与柄部的分化）；2)厦门的同种水螅生殖期间雄性个体形成5 - 9个精巢，雌性个体产生1 - 2枚卵，日本标本的雄、雌个体分别产生的精巢(7 - 10个)和卵(1 - 4枚)的数目。这可能是因地理分布存在细微差异。故确定其为同种水螅。大乳头水螅在中国属于首次发现。 1.5 中国现有水螅物种分布与主要分类性状的比较 依据中国现有9种水螅的主要分类性状，编写中国的水螅分种检索表与分布图。 2 首创了研究水螅的新技术 2.1 水螅常年免换水培养技术 取容量40 - 60L的水族箱置于朝阳的近窗处，注满清水，3天后植入金鱼藻，水底放几块扁形石块，一周后，投入适量浮游生物和螺，20只三角涡虫，用以清除被水螅杀死的浮游动物和水螅的排遗物。水体pH值7.0 - 7.5，之后把备好的水螅投入水体。在水族箱外壁玻璃上标记水位。阳光充足时，水体pH值高达10.0，连续阴雨降至7.0以下。由于水螅的刺丝囊内是一种碱性粘蛋白，偏酸性环境不利于水螅的生长，用Ca(OH)2调节水体pH值至7.5以上。每月修剪水草一次，控制其所占水体空间不超过1/5为宜。每15d倒入50 ml 草履虫培养液沉渣，或每月投入50粒麦粒，以此补充食物链最基层的水体微生物的营养。此培养箱可以连续数年不需换水。需要大量水螅时，只需每日投放适量饵料即可。如果连续数月不投饵料，仍有水螅生存。适于所有生物学实验室使用。 2.2 水螅小水体纯种免换水培养技术 取容量30L的水族箱置于朝阳远窗处（小水体近窗水温变化较大），注满清水，3d后，取湿重10g的刚毛藻移入水族箱，刚毛藻散开后，取孔径10mm的铝网，裁剪成水族箱口大小，放入水族箱，把刚毛藻缓缓压入水底，四角上压上石块（刚毛藻除氮除磷能力很强，代谢旺盛，产氧量高，能产生很大浮力，若不压石块，会将铝网掀翻）。每天投放少量水蚤，连续一周，确定水族箱内无杂种水螅后，移入需要培养的水螅，每1 - 2日投放适量水蚤。每2周加入适量自来水，补充因蒸发减少的水分。不需换水。为水螅培养节约了大量人力和时间。 2.3 完整刺丝囊的分离技术 用吸管吸取数只水螅放于培养皿中，加3％的NaCl溶液至完全淹没水螅，浸泡５min．取出移至载玻片，用刀片将头部切下，身体部分弃之，在触手上滴入纯净水，可见到各种刺丝囊从触手上分离，但刺丝囊内的刺丝不会发射，加上盖玻片，在显微镜下观察。本技术超过国内外同类研究的技术水平，为水螅鉴定提供简便技术（如图1，见附加材料图片）。 3 水螅在环境微毒检测方面的研究 3.1 微量重金属对水螅摄食行为的毒性 传统的毒理学实验的基本方法是把实验动物浸泡于不同浓度的微毒溶液内，经过1 - 7d的观察，了解其半致死浓度，或了解其对实验动物的伤害程度。而本实验针对水螅对水蚤的汁液强烈的摄食反应，甚至离体的水螅头部亦有一致的摄食反应能力这一特点，分别探索了微量Cu2+、Cr6+、Zn2+抑制水螅摄食或摄食反应的最低可见效应浓度（LOEC： lowest obvious effective concentration）。经过实验数据统计分析后首次发现，Cu2+、Zn2+、Cr6+对水螅的摄食行为产生明显的抑制作用，表明对水螅有一定的毒性作用，而水螅对此摄食反映在10min即可完成，因此利用水螅的不同摄食特性，检测环境的微毒毒性是一种可行的方法。与传统的测定半致死浓度浸泡法相比，本实验是一种高效率的实用技术。 3.2 3种培养液内镉离子分别对绿水螅摄食与生长的毒性效应 利用绿水螅分别用摄食法与浸泡法，检测了自来水、无EDTA培养液（NEC）、含EDTA培养液（HEC）内微量Cd2+ 的半数效应浓度（EC50）和24h、48h、72h的LC50。实验发现三种培养液内Cd2+ 对水螅毒性的LC50检测数据差异极为显著。经分析认为，HEC中的EDTA对水螅的摄食行为具有明显的抑制作用，对重金属具有螯合作用。提出HEC不适宜用于利用水螅进行的重金属毒理实验，也不宜作为水螅的培养液使用。自来水因各地出厂的水质指标存在差异，也不适宜作为毒理实验的毒物溶剂。NEC是目前相对科学而稳定的培养液。比较2种检测方法，浸泡法检测时间至少需24 h，摄食法仅需10 min。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 1、目的 水螅具很强再生能力，是常用模式动物之一，是监测环境微毒毒性的敏感动物。淡水水螅有39种。我国正式报道5种。本作品进行水螅的分类研究以及新技术研究，为相关研究与应用提供参考。 2、思路 采集水螅，收集相关文献，单系繁殖，按国际标准鉴定水螅。利用生态学原理，探索常年免换水水螅培养技术。研究小水体免换水单系繁殖水螅的技术。探索分离水螅刺丝囊的技术。探索水螅在毒物微毒毒性检测方面的应用技术。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品已经形成论文9篇，在核心期刊发表7篇，国内待刊1篇，《 Zoological Science 》待刊1篇。水螅2种免换水培养技术，寒暑假长期不换水和喂食，乃可保存种源。刺丝囊分离技术超过世界现有技术。发现淡水水螅3新种1新记录种。首次利用水螅的摄食特性检测毒物微毒，10 分钟完成检测工作。首次比较了水螅三种培养液与2种检测技术，研究筛选出一套科学简便的检测技术。
应用价值和现实意义
- 独创的2种常年不换水水螅培养技术，为研究节省大量时间与精力，使研究者从繁琐的水螅培养工作中解放出来，把精力投入到项目研究中。刺丝囊分离与观察技术首次解决了水螅分类与鉴定中的难题。我国的淡水水螅资源研究落后，本文发现的新物种为相关研究的启动提供重要的物种鉴定依据。本作品利用水螅在环境毒物毒性检测方面的应用开辟了新的研究途径，独创了10分钟检测微毒毒性的技术。筛选出一种科学的检测技术。
学术论文摘要
- 鉴定中国1新记录种，命名3水螅新种，附图91幅。1）多形水螅，新种，雌雄同体，钩刺丝囊大小为(9.2-11.3)μm×(3.9-5)μm，呈香蕉形、鞋底形和长椭圆形3种形态，宽度不超过长度的1/2，刺丝呈横向或斜向弹簧状盘旋2-3圈。2）肇庆水螅，新种，雌雄异体，钩刺丝囊大小为(9.5-12.2)μm×(5-7.0)μm，长椭圆形，宽度超过长度的1/2，囊内刺丝缠绕呈横向弹簧状或呈不规则缠绕和纵向缠3-4圈。3）中国水螅，新种，雌雄同体。体内共生有绿藻，体呈绿色。钩刺丝囊大小（7.8-10.1）×（3.1-4.3）μm。外壳形状多样化，囊内顶端基部刺丝呈2-3圈弹簧状缠卷。4）大乳头水螅，新纪录种，雌雄异体，囊内顶端基部刺丝呈4圈横向弹簧状缠卷。 利用生态学原理，探索水螅长年免换水2种繁殖技术。首次研究出水螅刺丝囊安全完整的分离技术，为水螅分类研究提供科学的技术。 首次利用水螅的摄食行为特性，在微量毒物毒性检测方面的应用，其检测时间不超过10min。实验研究常用的培养水螅的3种培养液和2种微量毒物毒性的检测方法，发现含EDTA培养液对水螅摄食有明显抑制作用，对重金属有鳌合作用。
获奖情况
- [1] 陈仲钊，汪安泰. 中国水螅属一新种（水螅纲，水螅科）.动物分类学报，33（4）：737-741； [2] 陈仲钊，林烁宇，汪安泰. 淡水海绵、水螅和涡虫的常年培养. 动物学杂志，43（3）：70. [3] 黄晓莉，文晓芬，汪安泰. 水螅刺丝囊的分离与观察. 生物学通报，43（7）：54-55； [4] 赖璟琦，陈仲钊，汪安泰. 大乳头水螅在中国的首次发现.四川动物，27（6）：1144-1145； [5] 谢艳梅，向芸，张志慧，汪安泰. 刚毛藻在水螅培养中的应用，生物学通报，43（11）：50-52。 [6] 乔波，汪安泰，黄金栋，黄柱铭，李佳，陈循叶. 微量重金属对水螅摄食行为的毒性研究. 安徽农业科学，36（10）：4111 - 4112，4137 [7] 张换敬，乔波，汪安泰，佘忠明. 铜、镉、铅离子对水螅摄食行为的抑制作用. 水资源保护，24（3）：17 - 19，98。 [8] 李佳，陈循叶，汪安泰.3种培养液内镉离子分别对绿水螅摄食与生长的毒性效应.于水生动物学接收，待刊 [9]A.-T. Wang, L. Deng,Z.-Z.Chen. A new species of green hydra from China.zoological science,待刊
鉴定结果
- 以上前七篇论文发表情况分别见上述刊物或中国期刊网。
参考文献
- [1] Campbell. R. D., 1999，The Hydra of Madagascar (Cnidari: Hydrozoa).Annls Limnol. 35（2）：95-104。 [2] Silveira, F.L. da, Gomes, C.S. & Silva, Z. de S. 1997. New species of Hydra Linnaeus, 1758 (Cnidaria,Hydrozoa) from southeastern Brazil. Boletim do Museu Nacional, Zoologia, 373: 1-15. [3] 范学铭. 中国水螅属一新种（螅形目：水螅科）. 动物分类学报，2003，28（4）：610~613. [4] 史新柏，丁曙微，范学铭. 水螅的培养. 动物学杂志，1982，(2):46-48 [5] Stepanjants, S.D., B.A. Anokhin & V.G. Kuznetsova. Cnidarian fauna of relict Lakes Baikal, Biwa and Khubsugul. Hydrobiologia, 2006. 568(S):225–232. [6] Pachura-Bouchet S., Blaise C., Vasseur P. Toxicity of nonylphenol on the cnidarian Hydra attenuata and environmental riskassessment . Inc. Environ. Toxicol. 2006 4 (5); 21: 388-394. [7] 王莹, 郝家胜, 陈娜等. 铅、镉和锌3种重金属离子对水螅的联合毒性研究.生命科学研究, 2006, 10 (1): 91-94. [8] Rikke T. , Rosenkrantz , Carmel A. Pollino Toxicity of water and sediment from stormwater retarding basins to Hydra hexactinella. Environmental Pollution . 2008,12 (156): 922-927.
同类课题研究水平概述
- 1.水螅培养技术 现有培养水螅均采用投放水蚤后当天后当天换水的方法。国外也有一些学者使用人工培养液培养水螅。这些方法不适合大量培养。以水螅为实验材料进行毒理学实验，需要近万只水螅。作为分类研究，需要长期培养观察和实验，故现有方法非常耗时、耗费和分散研究研究者的精力。本作品建立的小型生态系统可以至少维持3年，且种群不发生改变，可以大量培养水螅。 2.水螅刺丝囊观察技术 水螅刺丝囊是物种鉴定的重要分类性状。现有技术均使用压片法，即取一条水螅，用刀片将水螅触手切下并压片，在显微镜下观察。其观察效果差，观察时间短，易引起刺丝囊发射刺丝，失去观察，背景杂乱，拍摄图片模糊，这些问题一直困扰着全球的水螅研究者。本作品首次创立了对水螅刺丝囊的完整分离与观察技术，其观察背景清晰，观察时间可连续2 h，使数码图片的清晰度达到最佳效果。 3.当前国内外水螅种类报道情况概述 国外从200多年前就开始对水螅进行系统地研究，迄今全世界已报道的淡水水螅共39种。和振武1994年介绍北京分布有寡柄水螅（H. oligactis）和普通水螅（H. vulgaris），河南省分布有寡柄水螅（H. oligactis）、普通水螅（H.a vulgaris）和绿水螅，湖南长沙有绿水螅（H. viridissima）。以上水螅均没有正式鉴定的描述。真正的分类学工作从1987年开始，至2003年，仅见史新柏与范学铭报道了中国水螅4个新种1新纪录种。中国大部地区的水螅资源未见研究。本作品首次发现淡水水螅3新种和1新记录种。 4.以水螅为基础模型动物的毒理学研究 淡水水螅是一种很灵敏的毒物毒性监测的指示生物。绿水螅因与其共生绿藻的相互代谢作用，使其对毒物具有更大的敏感性。Karntanut等（2002）发现不同种的水螅对重金属的耐受能力不同；Pachura（2005, 2006）研究了有机毒物对水螅的毒性；王莹（2006）、欧小兵（2006）、陈娜（2007）等则探讨了重金属离子单一及复合污染对水螅的毒性效应。本作品利用水螅的摄食特性，首次建立了一种检测重金属微毒毒性的应用技术。
