中国林蛙和中华大蟾蜍跳跃能力的比较以及中国林蛙后肢的软骨内骨化发育机制
作者单位：陕西师范大学
学位级别：硕士
导师姓名：王宏元
授予年度：2021年
学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071007[理学-遗传学]
摘 要：两栖动物是生物进化中首次出现四肢的动物。四肢的出现有助于两栖动物在陆地上运动,进而适应陆地生活。不同种属两栖动物的运动方式与前后肢长度关系密切:后肢长度相对长于前肢的个体擅长跳跃,而前肢长度长于后肢的个体擅长步行跳跃。跳跃是无尾类动物的一种独特运动方式,有助于个体逃避敌害。因此,无尾类动物的生存状况与其跳跃能力的强弱密切相关。然而,关于无尾类动物物种之间跳跃性能比较的研究仍知之甚少。研究发现,跳跃能力依赖于相对后肢长度和相对后肢肌肉重量。此外,后肢-盆骨关节和髂骨-荐椎关节以及荐椎-尾杆骨关节也在跳跃运动中发挥了关键作用。骨骼是四肢结构框架的基础,并为肌肉提供了附着点。附肢骨骼的形成主要通过软骨内骨化过程,并且在时间和空间上受到基因相互作用网络的严格调控。在哺乳动物中,这些基因主要包括以下三大类:以甲状腺激素（THs）为代表的系统因子、以SRY-box包含基因（Sox）为代表的转录因子以及以成纤维生长因子（FGFs）和骨形态发生蛋白（BMPs）为代表的局部分泌因子。本文第一部分比较了中国林蛙（Rana chensinensis）和中华大蟾蜍（Bufo gargarigans）幼蛙（Gs46期）的跳跃能力。首先对两个物种各自的平均最大跳跃距离和形态参数进行了测定。其次通过骨骼双色法比较二者的骨化程度,并通过苏木精-伊红（H＆E）和Masson三色染色法对后肢骨骼切片进行染色观察。第二部分以中国林蛙蝌蚪为研究对象,探究中国林蛙发育过程中跳跃相关结构的变化及其内部分子机制。通过形态学方法测定中国林蛙Gs 40期至Gs 46期发育过程中的形态参数变化。选取Gs 40、Gs 42和Gs 46期的中国林蛙进行骨骼双染色实验,以观察骨骼发育程度。并使用H＆E和Masson染色法检测发育过程中后肢骨骼切片和甲状腺组织切片的变化。此外,通过转录组测序技术对Gs 40、Gs 42和Gs 46期中国林蛙后肢软骨内骨化过程相关基因的表达水平进行了分析。其结果及结论如下:第一部分:中国林蛙的平均最大跳跃距离大于中华大蟾蜍的平均最大跳跃距离,表明中国林蛙的跳跃能力优于中华大蟾蜍。形态学测量结果分析发现中国林蛙的体长、后肢长和体重等形态指标均高于中华大蟾蜍。骨骼双染色法结果表明中国林蛙的骨化程度高于中华大蟾蜍,其中中国林蛙的尾杆骨已与荐后椎发生融合,呈现完整的棒状结构,而中华大蟾蜍的尾杆骨未与荐后椎发生融合。骨骼切片染色结果表明中国林蛙胫腓骨中的皮质骨融合趋势远远超过中华大蟾蜍。这些结构上的差异可能导致中国林蛙和中华大蟾蜍跳跃能力的不同,较高的骨骼结构发育水平有利于个体跳跃能力的增强。第二部分:发育过程中的中国林蛙骨骼长度不断增加,骨化程度不断加深。尾杆骨和胫腓骨皮质骨结构在Gs 46期发育及融合程度最高。甲状腺组织学观察结果显示,甲状腺组织的面积及滤泡上皮细胞高度在发育过程中存在差异,这些差异与骨骼发育中不同的THs需求水平相适应。除此之外,骨化相关差异表达基因的转录分析结果与哺乳动物相似,表明两栖动物软骨内骨化基因的调控方式可能与哺乳动物一致。而骨化相关基因在不同发育时期表达水平的差异表明后肢的软骨内骨化在发育过程中逐渐增强。这些变化可能为中国林蛙的骨骼提供更大的机械强度,增强其运动能力进而为两栖动物在陆地上的运动提供了进一步的保障。综上所述,本研究通过比较中国林蛙和中华大蟾蜍的平均最大跳跃距离,并运用形态学和组织学等方法研究了跳跃能力相关的外部形态特征、内部骨骼结构和基因表达调控水平。结果表明中国林蛙的跳跃能力优于中华大蟾蜍。中国林蛙良好的跳跃能力离不开自身的外部形态特征以及尾杆骨、胫腓骨等结构的完整性,且这种完整性是在发育过程中逐渐完善的。此外,后肢骨骼的发育持续受到软骨内骨化相关基因在分子水平上的表达调控。这些结果有利于帮助我们理解两栖动物跳跃运动的生理机制,也为理解两栖动物的生活及生存能力提供了理论依据。
同方学位论文库