贝氏轮虫及其研究简介介绍

贝氏轮虫是一种微小的水生动物，很容易被大多数物种头上的一对纤毛、可翻转的圆盘（日冕）所识别，它们的特征是像尺蠖或水蛭一样爬行。除了有趣的形态外，贝类还拥有不寻常的生物学特征，包括完全孤雌生殖和在干燥环境中生存的能力，这使得它们在所有动物中都是的。即便如此，bdelloids 似乎是显微镜学家最不喜欢的一些主题。

诚然，bdelloids 很难研究。几乎所有物种的识别都需要动物在其日冕展开的情况下活着并活跃。但活跃的贝类通常不守规矩，因此难以在显微镜下观察，尤其是在检查具有分类学意义的身体部位所需的高放大倍数下。同时，即使是最轻微的干扰也可能导致他们将自己的身体收缩成无法辨认的球，并在令人沮丧的很长一段时间内保持这种状态。更糟糕的是，没有现成的试剂可以用来麻醉他们，直到最近，还没有令人满意的方法来保持他们的身体伸展。

不用说，多年来，许多显微镜学家已经欣然接受并克服了这些挑战。20 世纪初的两位开创性轮虫学家 James Murray (1865-1914) 和 David Bryce (1853-1934) 都是 Quekett 显微镜俱乐部的业余成员。Murray 和 Bryce 描述的贝类物种的数量加起来占目前约 400 种总数的约 30%。

我希望这份简短的指南能增加人们对这些动物的兴趣，这些动物当然值得显微镜学家更多关注。

贝类的系统发育

Bdelloids (Bdelloidea) 与 monogononts (Monogononta) 和 seisonids (Parrotatoria) 一起属于轮虫门。在进化分类的更高层次上，轮虫属于一组主要是微观的水生动物，称为 Gnathifera (Hejnol, 2015)[ 9 ]。Gnathifera 的其他成员是 gnathostomulids、micrognathozoans 和 acanthocephalans。Gnathostomulida 门包含生活在海中的间质的蠕虫状生物。Micrognathozoa 分类单元仅由一种生活在格陵兰岛附近岛屿上的淡水溪流中的物种组成。棘头虫是脊椎动物体内的寄生虫，有些种类可达几十厘米长。它们似乎与轮虫的关系比与其他 gnathiferans 的关系更密切（Fontaneto & De Smet，2015）[7 ]。除棘头动物外，所有有颚类动物都拥有坚硬的颚状器官。在 gnathiferans 中，只有 bdelloid 轮虫的物种可以在成年后在干燥时存活下来。

贝氏体的解剖

大多数物种的长度约为 200 至 500 µm。但是有一些，例如Rotaria neptunia，可以长于一毫米（图 1）。贝氏体的身体传统上分为五个部分（图 2）：头部、颈部、躯干、臀部和足部（Donner，1965[ 5 ]；Iakovenko等，2015[ 10 ]]）。虽然没有内部分割，但体表，尤其是足部周围，具有明确的横向假节段（图 2）。这些假节段使身体完全伸缩；bdelloid 可以紧密收缩成类似于微型柠檬的形状，尤其是在干燥时（图 3）。大多数物种的外皮是透明的，但在某些物种中，树干会积聚一层碎片，掩盖内部器官。一些物种的身体上有各种形状的刺、附属物或功能未知的突起（图 4）

图 1. A：Rotaria neptunia的足部异常细长。这个人的总长度超过了1毫米。B：贝克 (1764)[ 1 ] 中的一个盘子的细节，显示了他观察到的一些轮虫。他将图 1 中的轮虫描述为“尾巴非常长”。它们可能是Rotaria neptunia，这是该物种次被注意到和绘制。

     图 2. 在这张Adineta (DIC)的照片中可以看到各种身体部位。

图 4. 收缩的Macrotrachela multispinosa的躯干上有多个刺（明场；2 幅图像的合成）

大多数贝类物种属于 Habrotrochidae 和 Philodinidae 家族，并且在它们的头上带有由花梗上的两个纤毛圆盘组成的特征冠（图5A）。嘴是一个漏斗状纤毛结构，位于头部腹侧的冠状后面。日冕和嘴只在游泳或固定喂食时张开。在爬行过程中，冠部缩回头部，嘴巴闭合，前端呈长鼻状，前端有纤毛（图 5B）。具有分类学意义的上唇是在开放冠的花梗和部分缩回的喙之间可见的背侧区域（图 5A、6）。在 Adinetidae 家族中，头部扁平，冠呈扁平纤毛状表面的形式，覆盖头部腹侧的大部分（图 7）。

数字。5. A：Philodina喂养 (DIC)。它的上唇（箭头）由几层珠被组成。扩大的卵黄占据了躯干的大部分右半部分，而一个发育中的卵占据了左半部分。B：同一只动物爬行，其冠部缩回，主席台伸展。

图 6. A：从喂食Macrotrachela的高分辨率视频中提取的帧cf。栖息地 它的双叶上唇（箭头）是明显的（倾斜照明；对比度增强）。B: David Bryce 1894 年描述中的物种图[ 2 ]。

图 7. Adineta头部的腹侧。每个耙子上的小铲状细齿的数量（在这种情况下为六个）总是比细齿之间的 U 形间隙（五个）的数量（DIC）多一个。

被称为 trophi 的 bdelloids 的下颚很容易被注意到，因为它们在轮虫进食时几乎不停地运动。早期的显微镜学家贝克（1764）[ 1] 将 trophi 误认为是心脏，当他观察到“心脏”有时会像不喂食时的 trophi 一样暂停其运动时感到困惑（实际上，由于它们的体积小，轮虫中没有循环系统） . trophi 由几个被统称为乳房的肌肉包围的坚硬部分组成。trophi 的上表面长约 10 至 35 µm，排列着许多充当牙齿的脊（图 8）。有主要和次要牙齿，以它们的宽度来区分，有时还有中等宽度的辅助牙齿。每半边的主要牙齿的数量，传统上用公式表示为，例如，2/2，当每边有两个主要牙齿时，根据物种的不同从一到十不等（Melone & Fontaneto，2005）[ 13]。牙科公式是一个有用的分类特征。此外，最近注意到某些物种的主要牙齿之间存在邻间牙齿（Örstan，2020a[ 18]）。Adinetid 物种除了它们的营养物外，还有一个由细小的铲状细齿组成的耙状器官，这些细齿横向排列在它们嘴巴入口两侧的可移动板上（图 7）。

图 8. 贝氏体 (DIC) 的营养度。A：Pseudoembata 的奖杯；牙科配方：2/2。B: Abrochtha 的Trophi ; 牙科配方：6/6。

Bdelloids 是双边对称的，具有或多或少横向放置的成对器官或内侧放置的单个器官。位于头部背前的 trophi 是相对较大的大脑（图 9）。头部和颈部的几个额外的袋状器官传统上被认为是腺体，尽管它们的确切功能尚不清楚。其中最突出的，通常几乎和大脑一样大，是背横腺，位于胃开始的背侧（图 9）。当存在时，这对眼点总是位于大脑或主席台中的外皮下（图 10、14）。眼点的内化，而不是在外表面上，使得它们不太可能形成图像。它们可能只是为了检测光而起作用。有和没有眼斑的贝类物种通常共享相同的栖息地。这些物种在其栖息地内的空间分布及其行为之间可能存在的差异尚不清楚。

图 9. 保存的Abrochtha标本的侧视图，显示了头部和躯干的主要器官。用热戊二醛杀死轮虫，用中性红染色并固定在甘油果冻中（图像经过处理以突出颜色；倾斜照明）。

图 10：Philodina (A) 和Rotaria tardigrada (B) (DIC) 的眼斑。

在 Adinetidae、Philodinidae、Philodinaviidae 和最近描述的 Coronistomidae 家族中，纤毛腔穿过胃，但在 Habrotrochidae 中不存在。胃与肠相连，然后是臀部的可收缩泄殖腔。原肾系统负责排泄和渗透调节，由沿着身体两侧的小管组成，从头部延伸到泄殖腔。有几个细长的细胞附着在小管上。这些被称为火焰细胞，因为它们内部的纤毛束的运动会产生闪烁火焰的印象。这些纤毛的运动，在高放大倍率下可见，有时是其他收缩和静止的贝类生命的迹象。

树干还包含一对卵黄腺（卵黄腺），每个卵黄腺都有一个相关的卵巢。一个 vitellarium 通常比另一个大，并且很容易被它包含的大核识别，大多数物种中有 8 个（图 5A）。卵巢由许多小细胞组成，通常很难看到。也许是因为它们的身体更平坦，所以Adineta的卵巢更容易被发现（图 2）。贝氏体的一些器官，包括外皮和珍珠母，是合胞体的，其中细胞核分布在没有细胞膜的情况下。

在大多数物种中，在脚的末端附近有一对称为马刺的附肢。马刺似乎有助于动物在喂养过程中的依恋和平衡。足部末端有两到四个脚趾或一块粘合板（图 11）。

图 11：从Dissotrocha macrostyla的高分辨率视频中提取的帧，显示了赋予该物种特定名称的长骨刺和脚末端的四个脚趾。轮虫在盖玻片的下面爬行（倾斜照明；对比度增强）。

再生产

所有取自野外或实验室培养的贝类都应该是雌性。没有对雄性贝氏体的明确观察，因此假定它们不存在。相关的记录是 Wesenberg-Lund (1930)[ 24 ] 的记录，他声称曾两次在数千个Rotaria rotatoria中看到一名男性，但未能分离和研究它们。可能确实存在雄性 bdelloids，但它们是罕见的、季节性的和短暂的。

在实验室培养中，雌性贝氏体会产生发育成雌性的未受精卵。这个过程称为孤雌生殖。Bdelloids 是更大的真核生物群，似乎仅通过孤雌生殖进行繁殖。然而，如何在没有交换基因的情况下在进化上重要的时期内存活下来的问题仍然没有得到解答。在最近一项未发表的研究中，莱恩等人。(2020)[ 11 ] 基于遗传证据，主张在 bdelloids 中存在有性生殖。

大多数贝类物种是卵生的。卵长约 50-100 微米。大多数物种的卵在光学显微镜的放大镜下看起来很光滑，但有些卵上覆盖着各种形状的突起（图 12）。也有胎生（严格来说，卵胎生）的物种可以产下发育完全的幼崽。例如，Rotaria和Dissotrocha属的所有物种都是胎生的。携带先进胚胎的轮虫很容易被它们躯干中可见的第二个营养物识别（图 13）。

图 12. 贝氏轮虫的卵。都是一样的规模。

图 13. James Murray 1910 年报告 [ 14 ] 中的色板，显示了他在 1907-9 年英国南极考察期间研究的南极洲的一些贝氏轮虫。默里认为动物胃的红色可能与它们的食物有关。Philodina gregaria和Adineta grandis都是胎生的，如它们携带的多个胚胎的营养度所示。

栖息地和干燥生存

Bdelloids 在大多数已知物种已被描述的淡水栖息地中很常见且广泛存在。Bdelloids 不仅可以在河流、湖泊和池塘中找到，而且还可以在人们可能不会想到与淡水相关联的栖息地中找到。后者包括生长在岩石、树木和屋顶上的苔藓和地衣；雨水坑、岩石池、鸟浴甚至污水处理厂的水箱。事实上，bdelloids 是开创性的显微镜学家列文虎克在他家的雨水槽中发现的批“动物”之一（福特，1982 年）[ 8 ]。尽管人们可能不会期望像南极洲这样的地方拥有丰富多样的无脊椎动物，但事实上该大陆有几种特有的贝类动物（Iakovenko等人，2015 年）[ 10]。例如，南极洲融水池塘中最常见的无脊椎动物之一是詹姆斯·默里（James Murray）在 1907-9 年的英国南极考察期间发现的 bdelloid Philodina gregaria（图 13）。Murray (1910) [ 14 ] 通过解冻湖泊中的含冰植物，可以在冬季获得大量此类轮虫。

Habrotrocha属中的几个物种在他们为自己建造的箱子里度过了他们的生活，一些物种在碎片巢穴中避难（图 14）。大多数贝类是自由生活的，但有些是淡水节肢动物的中生代。同样，一种真正的海洋贝类，Zelinkiella synaptae，是海参上生代的。从淡水中的广泛存在到海洋中单一物种的中生代生活方式，这种令人费解的跳跃使人们对该群体的进化历史更加好奇。

图 14：Habrotrocha cf。衣领从它的碎片巢（DIC）中觅食。它微弱的橙色眼点（箭头）几乎看不到。

仅在流水中发现的Henoceros和Philodinavus属的成员表现出相当独特的形态，这些形态在生活在其他类型栖息地的物种中不存在。这表明它们的栖息地和形态之间可能存在进化相关性。最近，从美国马里兰州的一条河流中描述了一种新的 bdelloid，Coronistomus impossibilis (Örstan, 2021)[ 21 ]。新物种的形态是如此不同寻常，以至于不仅需要建立一个新属，而且还需要建立一个新科来适应它。敦促显微镜学家在河流栖息地寻找具有新形态的物种，这可能有助于更好地了解贝类的起源和进化。

如果将干苔藓、地衣、雨水坑中的干泥或水盆和类似水容器中的干碎屑放入干净的水中，通常会获得活的贝类（厄斯坦，1998 年）[ 15]。干苔藓的再水化确实是一种历史悠久的获得苔藓的方法，并且已经从这些样本中描述了许多新物种。这是一个简单的证明，表明生活在这种短暂栖息地的贝类能够而且必然会在干燥后存活下来。栖息在水盆中的贝类似乎特别耐干燥。如果在无雨期间让水盆变干，大量颜色鲜艳的干贝类可能会堆积在碎片上（图 3B、15）。放置在水中后，这些轮虫中的大多数都会复活。水盆贝类也能耐受太阳辐射、至少高达 42°C 的水温以及冰冻（厄斯坦，2020c）[ 20]。我一直在进行一项长期实验，以监测 -21°C 厨房冰箱冷冻室中干燥的水盆贝类的存活率。在五年后重新水化的样本中，98% 的轮虫还活着。该实验正在进行中，下一次补液定于 2023 年 8 周年。

图 15. 葵花籽壳来自干燥的水盆。包裹着它的成堆的红色颗粒是干燥的轮虫（以毫米为单位的尺子）。放入水中后，大多数轮虫都复活了。

Bdelloids 经常与缓步动物和线虫共享它们的栖息地，这归功于它们在干燥中存活的能力至少部分是由于它们组织中高浓度的碳水化合物海藻糖的积累。然而，贝类缺乏海藻糖，它们如何达到干燥耐受性尚不清楚（Lapinski & Tunnacliffe，2003）[ 12 ]。再一次，bdelloids绝不是普通的。

如何研究和识别贝类

Bdelloid 物种是出了名的难以识别。主要问题是许多物种，包括一些所谓的常见和世界性物种，例如Adineta vaga和Philodina roseola，最初的描述如此不充分，以至于无法再明确地识别它们（厄斯坦，2020b）[ 19 ]。例如，在图 6A 中初步确定为Macrotrachela habita的标本上唇形态与 Bryce (1894) [ 2] 物种图（图 6B）。布莱斯的画是不准确的还是图 6A 中的标本是不同的物种？此外，遗传分析表明，一些传统物种实际上是由神秘的分类群组成的物种复合体，它们在遗传上不同但在形态上似乎相同（例如，参见 Fontaneto等人，2009 年）[ 7 ]。有必要对这些物种复合体的成员进行非常仔细的检查，以确定它们在形态上是否彼此不同。

贝类的研究也存在实际困难。如引言中所述，为了将形态变异体彼此区分开来，通常需要在高放大倍率下检查活的且通常不守规矩的动物的微小形态细节。更糟糕的是，没有现成的对所有物种都有效的麻醉剂。据报道，布比卡因是一种用于各种医疗程序的局部麻醉剂，取得了一些成功。然而，业余显微镜工作者可能难以获得布比卡因。此外，直到最近，还没有任何程序可以在不损坏或变形的情况下保存 bdelloids 的扩展体。应该避免用沸水杀死贝类——在一些出版物中推荐—— 因为热水确实会煮熟动物，导致身体变形和受损，内脏凝固。相反，我提倡使用热戊二醛（约 2.5%），它将贝类保存在适合识别目的和解剖学研究的优越条件下（厄斯坦，2015 年）[16 ]。还应避免使用玻璃吸管转移活性贝氏体（除非转移大量）。这是因为移液管清空后，贝氏体可能仍附着在移液管内部。相反，应该使用由微小的昆虫针构成的微环或微刮刀（图 16）。

图 16. 用于研究贝类的工具：微环、微刮刀和微探针。它们由更好的微小昆虫针制成。其中两个被粘在旧钢笔上，一个被针虎钳夹住。

如果可用，建议使用具有微分干涉对比 (DIC) 的显微镜。我还强调，高分辨率显微摄影对于开发可靠的贝氏体描述至关重要。通常很难目视检查和测量活的和活动的标本。但是，如果一个标本的许多照片是在高倍率下拍摄的，那么选定的照片不仅可以显示形态特征并为它们创建记录，而且还可以进行测量。一些照片还可能揭示在显微镜下可能遗漏的细节。高分辨率视频也可用于研究 bdelloids 的行为。例如，一段视频包含在对Coronistomus impossibilis的描述中不仅要突出其形态，还要突出其行为（见下文）。必要时，可以从视频中提取信息帧（图 6A、11）。

对新分离的贝类形态变异体的检查应首先在立体显微镜下或在复合显微镜的低倍率下对其整体形态进行粗略检查，然后在更高放大倍率下继续详细检查形态，通常为 200 倍或400×。在最近的论文中，我讨论了 Adinetidae (Örstan, 2018)[ 17 ] 和 Philodinidae (Örstan, 2020a)[ 18]。这些论文中的讨论可以概括为包括其余的贝氏体家族。为了充分表征贝类形态变异体，应该考虑这些论文中提到的所有特征。在标本中观察到的任何与通常形态的偏差和一致的行为特性都是显着的，应记录在案。同时，应考虑形态特征的潜在种内变异性。

通常需要知道一个标本的脚趾数来确定它的属。脚趾最容易被观察和计数，特别是如果它们很短，当贝状体在盖玻片的下面爬行时（图 11）。有时它们会自行连接到盖玻片上。否则，可以将标本放在盖玻片上的一小滴介质中，等待其将脚趾连接到玻璃上，然后快速将盖玻片倒置并放在显微镜载玻片上。轮虫可能会在盖玻片的下面爬行足够长的时间，让显微镜检查员检查它的脚趾。三趾属 Macrotrachela (Philodinidae) 和 Habrotrocha 中的一些物种（Habrotrochidae）看起来很相似，只有通过检查它们的胃腔才能将其归入正确的属。具有管腔的物种的胃内容物通常具有精细的颗粒状外观，而无腔 Habrotrochidae 物种的胃内容物则形成大的小球（颗粒），在体外会在短时间内保持其形状（图 17）。因此，观察排空肠道的轮虫可能有助于确定其分类位置！

图 17：喂食Habrotrocha。填满其胃部的大颗粒在排出后仍保持其形状（插图；未按比例）（DIC）。

只有当贝氏体进食时，才能看到日冕和上唇。上唇的形态是鉴定许多物种所必需的特别重要的分类特征（图5A，6）。在盖玻片下，一些贝类可以轻松稳定地长时间进食，而另一些则持续游动，这使得它们很难检查，还有一些令人沮丧地顽固地打开它们的日冕。当轮虫不喂食时，除了耐心等待之外，没有什么可以做的。其他分类学上重要的特征是可能存在于身体各个部位（图 4）和可能在大脑（Philodina、Abrochtha、Dissotrocha等）或主席台（Rotaria等）和天线的长度。还应注意马刺的长度和形状，因为它们通常具有诊断意义。

应测量营养物的尺寸并计算主要牙齿的数量。这些程序在奖杯照片上最容易执行。trophi 可以在盖玻片下略微压缩的活体标本中拍摄。如果盖玻片在其角落处用少量凡士林固定到位，即使是油浸物镜也可用于拍摄压缩活轮虫的营养物和其他特征。也可以使用家用漂白剂提取营养物，但这是一个棘手的操作，因为一旦没有组织，就很容易丢失营养物（De Smet，1998）[ 4 ]。

当前贝类分类学的基础可以追溯到 Bryce (1910)[ 3 ] 在《奎克特显微镜俱乐部杂志》上发表的论文。这部作品，现在已有一个多世纪的历史，仍然值得阅读。该属最近的一个关键点发表在Quekett Journal of Microscopy (Turner, 1999)[ 23 ]。唐纳 1965 年的著作Ordnung Bdelloidea [ 5] 是最完整的贝类物种鉴定指南，尽管它应该谨慎使用，不仅因为唐纳的一些分类观点有问题和过时，而且因为从那时起已经描述了新物种。自唐纳的书 (Örstan & Plewka, 2017)[ 22 ] 以来已经描述了 40 多个类群，并且自那时以来已经描述了 11 个其他物种。显然，轮虫学家的工作还没有完成。

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