高原鼠兔和高原鼢鼠胃肠组织形态比较研究

蔡新成，包达尔罕，周 睿，马义杰，董克池，花立民*

(1. 甘肃农业大学草业学院/国家林业草原高寒草地鼠害防控工程技术研究中心，甘肃 兰州 730070；2. 青海大学畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016)

胃肠道是哺乳动物消化系统主要的组成部分，对消化食物、获取外界营养物质、维持体液和电解质平衡以及清除代谢废物等具有不可替代的作用[1]。动物种类、栖居环境、能量需求、生活方式等差异都会影响动物的消化策略，从而引起动物胃肠道形态结构及其消化功能的适应性演化[2-3]。因此，研究胃肠道形态结构的适应性是理解动物食物消化、吸收及获取能量机制的基础，也是明晰生物体与环境相互作用的关键，具有重要的生理和生态学意义[4-6]。

啮齿动物是一类高耗能小型哺乳动物。受其所处特殊生境食物资源的压力，其胃肠道为高效利用食物资源，以适应环境变化的不确定性，演化出与环境变化相匹配的组织形态结构[7-8]。当前研究普遍认为食物资源和能量需求可显著影响啮齿动物消化道形态差异[6]，其中食物资源的差异是引起啮齿动物种间消化道组织形态变化的主要原因。杜卫国等[9]和Sørensen等[10]比较了不同啮齿动物胃肠道形态与食性的关系，发现植食性动物消化道长度及重量显著高于杂食性动物[9-10]。Song等[11]的研究表明，布氏田鼠(Lasiopodomysbrandtii)在高纤维饲料喂养条件下比低纤维饲料喂养时有更长的小肠、盲肠和结肠，并且其胃、小肠、盲肠和结肠的重量也均高于饲喂低纤维饲料的布氏田鼠。此外，能量需求差异也是引起啮齿动物胃肠道形态适应性改变的重要因素。研究发现，繁殖期棕色田鼠(Lasiopodomysmandarinus)和齐氏姬鼠(Apodemuschevrieri)由于能量需求的增加，它们胃肠道器官长度、重量、粘膜厚度和小肠管径都有显著增加趋势[12-13]。社鼠(Niviventerconfucianus)在严寒季节面临食物资源匮乏和能量需求增加的双重压力，必须通过及时调整消化道形态以增强低质量食物的消化吸收能力，进而补偿额外能量的摄入[14]。

高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)和高原鼢鼠(Eospalaxbaileyi)是青藏高原高寒草甸两种优势植食性啮齿动物，在高寒草地生态系统的物质循环和能量流动中承担着极为重要的功能。高原鼠兔和高原鼢鼠常呈现同域分布，但二者地上、地下的栖息环境以及食性差异很大，因而对食物资源和能量胁迫的适应能力也不尽相同[15-16]。高原鼠兔隶属兔形目(Lagomorpha)鼠兔科(Ochotonidae)鼠兔属(Ochotona)，主要以穴居方式栖息在海拔3 200～5 000 m的高寒草甸[17]。通过地面采食植物地上部分鲜嫩的茎、叶、芽，多以禾本科和豆科类植物为主[18]。高原鼢鼠隶属啮齿目(Rodentia)鼹形鼠科(Spalacidae)凸颅鼢鼠属(Eospalax)，主要以终生营地下生活的方式栖息在海拔3 200～3 800 m的地下封闭洞道系统，常年以采食杂类草植物地下根茎为主[19-20]。高原鼠兔和高原鼢鼠是典型的青藏高原土著啮齿动物。在青藏高原高寒、短植物生长期的环境中，它们通过怎样的胃肠道适应策略实现同域共存，并有效利用有限的食物资源以应对恶劣环境胁迫，目前人们对此还知之甚微。从文献检索发现，仅有王德华和王祖望分别对这两种动物胃肠道形态的季节性变化进行了研究，结果表明高原鼠兔和高原鼢鼠胃肠道形态可随季节性变化做出不同程度的适应性调整[21-22]。但这两种动物胃肠道组织形态种内及种间的差异，以及其在适应高寒、低氧环境的取食策略，目前鲜有报道。基于此，本研究通过对比同时期成体高原鼠兔和高原鼢鼠胃肠道器官组织形态种内性别和种间差异，以探讨其在高原环境中对食物资源和能量需求的适应对策。

1 材料与方法

1.1 试验动物及采样区自然概况

2020年10月上旬在甘南藏族自治州玛曲县河曲马场高原鼠兔和高原鼢鼠同域分布的高寒草甸区(33°50′23″ N，102°08′48″ E)利用弓形铗捕获非繁殖期健康成年个体[23-24]高原鼠兔(8 ♀，7 ♂)和高原鼢鼠各15只(9♀，6 ♂)。

采样区位于青藏高原东缘，海拔3 434 m，气候高寒湿润，昼夜温差大，太阳辐射强，年均降水量615.5 mm，年平均蒸发量1 347.3 mm，年均气温1.2℃[25]。一年仅有冷、暖两季，全年日照时数平均2 583.9 h，无绝对无霜期，植物生长期190 d[26]。草地类型为高寒草甸，以禾本科和莎草科为主，伴有其他杂类草。其中，高原鼠兔喜食植物为垂穗披碱草(Elymusdahuricus)、禾叶嵩草(Kobresiagraminifolia)及早熟禾(Poaceaeannua)等，而鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、蒲公英(Taraxacummongolicum)和箭叶橐吾(Ligulariasagitta)等是高原鼢鼠喜食植物[18-19,27]。

1.2 动物胃肠道器官形态指标测定

将捕获的动物安乐处死。鉴定性别并测量体重及体长后解剖[6,28]。解剖时将动物置于干净的灭菌解剖盘中，用手术剪配合镊子从动物腹部向上纵向剪开，向上剪至颈部，向下剪至肛门，分别剪断食管和直肠，将胃肠道完全取出。将取出的胃肠道仔细分离出胃、小肠、大肠和盲肠，剔出肠系膜及其他结缔组织，然后将各器官在盛有生理盐水的解剖盘内平展为自然状态下的最大长度(不可拉伸)，用精度0.1 cm的直尺测量各部分长度。用滤纸干燥后，用精度0.01 g的电子天平对含有内容物的新鲜胃、小肠、大肠和盲肠进行称重，即得鲜重。然后用手术剪纵向剪开各器官，移除内容物并用生理盐水冲洗干净。经滤纸吸干水分后，对胃肠道各部分(无内容物)进行称重，即得净鲜重。

1.3 数据处理及分析

为消除研究动物由于营养、发育等造成个体间体长和体重差异的影响，同时采用胃肠道相对长度(公式1)、相对重量(公式2)进行比较分析[29-30]。

(1)

(2)

试验数据先用Excel 2016预处理，然后利用SPSS 19.0进行数据分析，用GraphPad prism 8.0完成绘图。统计分析前进行正态性检验(Kolmogorov-Smirnov test)和方差齐性检验(Levene test)。动物胃肠道器官雌雄个体差异用独立样本t检验分析，种间差异用体重作为协变量进行协方差分析。文中数据以平均值±标准误(Mean±SE) 表示，P<0.05即认为差异显著。

2 结果与分析

2.1 高原鼠兔与高原鼢鼠体长及体重

高原鼠兔与高原鼢鼠体长及体重测定结果如表1所列。结果显示，高原鼢鼠体长及体重均极显著大于高原鼠兔(P<0.001)。此外，高原鼠兔与高原鼢鼠体长及体重在性别间也存在显著差异(P<0.05)，其中雄性高原鼠兔体长及体重显著大于雌性(P<0.05)；雄性高原鼢鼠体长显著大于雌性(P<0.05)，体重极显著高于雌性(P<0.001)。

表1 高原鼠兔与高原鼢鼠体长及体重差异Table 1 Differences in body length and weight between plateau pika and plateau zokor

2.2 高原鼠兔胃肠道形态性别差异

高原鼠兔胃肠道各器官长度、鲜重、净鲜重性别差异如图1。独立样本t检验结果显示，雄性高原鼠兔小肠长度显著大于雌性(P<0.05)，盲肠鲜重显著高于雌性(P<0.05)，其他胃肠道各器官长度、鲜重和净鲜重均表现出雄性大于雌性，但差异均不显著。

图1 高原鼠兔胃肠道器官组织形态性别差异Fig.1 Gender differences of gastrointestinal organs morphology in plateau pika

对高原鼠兔胃肠道各器官相对长度和相对重量进行对比后发现，其胃肠道各器官相对长度和相对重量在性别间均不存在显著性差异(表2)。

表2 高原鼠兔胃肠道相对长度和相对重量性别差异Table 2 Gender differences in the relative length and relative weight of the gastrointestinal tract between plateau pika

2.3 高原鼢鼠胃肠道形态的性别差异

高原鼢鼠胃肠道各器官长度、鲜重、净鲜重性别差异如图2。独立样本t检验结果显示，雄性高原鼢鼠胃净鲜重显著高于雌性(P<0.05)，小肠长度极显著大于雌性(P<0.01)，大肠鲜重和净鲜重极显著高于雌性(P<0.01，P<0.001)，盲肠长度显著大于雌性(P<0.05)，其他胃肠道各器官长度、鲜重和净鲜重都表现出雄性大于雌性，但均没有显著差异。

图2 高原鼢鼠胃肠道器官组织形态差异Fig.2 Gender differences in gastrointestinal organs morphology of plateau zokor

对高原鼠兔胃肠道各器官相对长度和相对重量进行独立样本t检验后发现，除雄性高原鼢鼠大肠相对重量极显著高于雌性外(P<0.01)，其他胃肠道各器官相对长度和相对重量在性别间均不存在显著性差异(表3)。

表3 高原鼢鼠胃肠道相对长度和相对重量性别差异Table 3 Gender differences in the relative length and relative weight of the gastrointestinal tract between plateau zokor

2.4 高原鼠兔与高原鼢鼠胃肠道形态差异

高原鼠兔与高原鼢鼠胃肠道各器官长度、鲜重、净鲜重差异如图3。协方差分析结果表明，高原鼠兔与高原鼢鼠胃肠道各器官长度存在极显著种间差异，其中，高原鼠兔小肠和盲肠长度极显著大于高原鼢鼠(P<0.001)，而其胃和大肠却极显著小于高原鼢鼠(P<0.01)；两者胃肠道各器官鲜重对比结果显示，高原鼢鼠胃肠道各器官鲜重均高于高原鼠兔，其中大肠鲜重显著高于高原鼠兔(P<0.05)；对于净鲜重，除高原鼠兔盲肠净鲜重显著高于高原鼢鼠外(P<0.05)，其他胃肠道器官净鲜重均低于高原鼢鼠，但差异不显著。

高原鼠兔与高原鼢鼠胃肠道各器官相对长度和相对重量也存在显著差异(表4)。独立样本t检验分析结果显示，高原鼠兔小肠、盲肠相对长度极显著大于高原鼢鼠(P<0.001)，而其胃、大肠相对长度极显著小于高原鼢鼠(P<0.001)；两者胃肠道器官相对重量分析中，除高原鼠兔盲肠相对重量极显著高于高原鼢鼠外(P<0.001)，其他胃肠道器官相对重量均低于高原鼢鼠，且小肠和大肠极显著低于高原鼢鼠(P<0.01，P<0.001)。

图3 高原鼠兔与高原鼢鼠胃肠道器官组织形态差异Fig.3 Differences of gastrointestinal organs morphology between plateau pika and plateau zokor注：以体重为协变量的协方差分析,数据用矫正平均值±标准误表示，下同Note:In the analysis of covariance with weight as the covariate,the data is expressed as the corrected mean±standard error,the same as below

表4 高原鼠兔与高原鼢鼠胃肠道相对长度和相对重量差异Table 4 Differences in the relative length and relative weight of the gastrointestinal tract between plateau pika and plateau zokor

3 讨论

胃肠道作为啮齿动物消化食物和吸收营养的主要场所,在动物适应能量消耗增加或食物质量降低等发挥重要作用[31]。已有研究表明，啮齿动物胃肠道形态结构与其生存环境密切相关[28,32-33]，不同物种或同种动物不同性别、不同生长季节以及不同生理状态由于所处生境能量收支差异会导致动物胃肠道各器官的形态结构和功能发生代偿性变化以适应食物资源和能量需求的改变[34]。因而，胃肠道形态特征可作为动物所处生境能量压力水平的指示指标[6]。本研究对高原鼠兔和高原鼢鼠胃肠道组织形态对比研究后发现，高原鼠兔与高原鼢鼠胃肠道形态存在明显的种内性别和种间差异，但不同器官表现的差异并不一致。总体而言，同种啮齿动物雄性动物消化道较雌性发达，而种间两种动物消化道各器官形态存在代偿性差异。

胃肠道形态结构的差异，能使动物消化吸收功能和动物需求相匹配从而适应环境[5]。吕建伟等[35]研究发现，低温环境下的啮齿动物通过增大胃肠道容纳量和吸收面积来增加食物消化吸收效率，以此更好地适应其在高体温调节下的能量需求。高原鼠兔和高原鼢鼠均生活在寒冷低氧的高原环境，但由于两种动物生存方式不同，其面临的能量压力也存在差异。有研究认为消化道前肠(胃和小肠)部位大小可反映动物遭受能量压力水平[36]。本研究中，高原鼠兔小肠长度及相对长度显著大于高原鼢鼠，而胃和小肠其他指标均小于高原鼢鼠。胃是食物暂存并进行初步消化的场所，胃的大小一般与食物质量和能量需求有关，较大的胃可提高动物单次摄食量，增强对低质量食物的初步消化能力[34]。小肠是营养吸收的主要部位，其形态反映了动物能量需求，较长的小肠可延长食物滞留时间有利于食物的充分吸收[21-22]。高原鼠兔为高代谢小型哺乳动物，日常采食因躲避天敌能量消耗巨大，较长的小肠保证了高原鼠兔生存的能量需求。而高原鼢鼠长期生存在地下环境，虽不用因捕食风险而消耗能量，但其掘土觅食的过程能量消耗高于高原鼠兔，利用较发达的胃，通过提高单次食物摄入量来缩短觅食时间，从而节省高原鼢鼠采食耗能，较重的小肠表明单位面积下小肠的吸收能力较大，弥补了高原鼢鼠小肠长度对食物营养吸收的限制。

食性是啮齿动物长期进化和自然选择的结果。食性不同能反映胃肠道形态的差异，也是引起动物种间胃肠道形态变化的主要原因[37-38]。陈文文等[39]研究发现，食性以植物茎叶为偏好的安氏白腹鼠(Niviventerandersoni) 胃肠道容积、长度和重量均大于以种子和动物性食物为主的高山姬鼠和中华姬鼠(Apodemusdraco)。此外，食性的差异对啮齿动物后肠影响最大，后肠可作为检验啮齿动物食性的指标[40]。柳劲松等对棕背(Myodesrufocanus)、林姬鼠(Apodemusspeciosus)和黑线姬鼠(Apodemusagrarius)三种啮齿动物消化道形态的研究也验证了这一点，认为后肠对食性和食物质量比较敏感，较大的盲肠有利于微生物充分分解食物纤维，较长的大肠能提高对食物残渣营养物质的再吸收效率[34]。本研究结果显示，高原鼠兔盲肠长度、相对长度、净鲜重、相对重量显著大于高原鼢鼠，而其大肠长度、相对长度、鲜重及相对重量显著小于高原鼢鼠。高原鼠兔和高原鼢鼠同属高寒草甸植食性动物，但营养生态位存在明显分离。高原鼠兔主要以禾本科、莎草科和豆科植物地上茎叶为食，而高原鼢鼠因常年营地下生活，食物主要以杂类草植物根茎为主[41]。植物根茎相对于茎叶含有更高的纤维素。高原鼢鼠以植物根茎为食，其食物纤维素含量大于高原鼠兔采食的茎叶食物。因此，高原鼢鼠理应具有比高原鼠兔更为发达的盲肠来消化高纤维食物。然而，本研究结果与此相反，高原鼠兔盲肠形态指标显著大于高原鼢鼠，其原因可能是高原鼢鼠发达的大肠提高了纤维食物经后肠发酵后营养物质的再吸收能力，补偿了其较小盲肠利用微生物分解纤维素的不足。本研究发现高原鼠兔盲肠相对长度和相对重量极显著高于高原鼢鼠而大肠相对长度和相对重量极显著小于高原鼢鼠的结果，也证实了高原鼠兔和高原鼢鼠后肠存在代偿性差异这个推测。

同物种个体胃肠道形态结构主要受食物质量和能量需求差异的影响。Valle等[42]研究发现，低质量饮食会使啮齿动物胃肠道长度显著增加，获能过程中可通过肠道尺寸的增加来补偿低质量饮食造成消化率降低的不足。Speakman[43]和Zhang等[44]对繁殖期啮齿动物胃肠道形态变化特征进行了研究，结果表明，雌性动物在适应繁殖期高耗能过程中会通过增加胃肠道容积、长度和重量的方式提高对食物摄入、消化和吸收的能力以满足繁殖期额外能量的需求。本研究结果表明，两种动物雌雄个体胃肠道形态差异明显，其中雄性高原鼠兔小肠长度、盲肠鲜重显著大于雌性，雄性高原鼢鼠胃净鲜重、小肠与盲肠长度、大肠鲜重、净鲜重及相对重量显著高于雌性。本研究高原鼠兔和高原鼢鼠均生活在同一区域，同种动物雌雄个体栖息环境和食物资源一致，理论上两种动物胃肠道形态的性别差异受食物质量影响很小。加之，试验动物胃肠道取样时间均为非繁殖期，其胃肠道形态的性别差异也不会因为繁殖期高耗能引起。有研究表明，除食物质量和短暂性高耗能生理状态外，啮齿动物的体重、活动模式等也会导致能量需求的差异，进而影响其胃肠道形态结构[45]。本研究发现高原鼠兔与高原鼢鼠雄性个体体长和体重显著大于雌性，体型不同会导致雌、雄个体基础能量需求的差异[46]，进而引起动物性别间胃肠道形态的区化。此外，无论高原鼠兔还是高原鼢鼠，雄性相比雌性具有更强的活动能力[47-48]，能量支出都大于雌性。为平衡日常额外能量收支，雄性动物演化出比雌性更为发达的胃肠道。因此，本研究认为高原鼠兔和高原鼢鼠胃肠道形态的性别差异是对雌雄个体间不同基础代谢和活动强度的适应。高原鼠兔小肠长度和盲肠鲜重性别间差异显著，这表明雄性高原鼠兔通过采用延长小肠，增加食靡滞留时间和增加摄食量的方式应对能量需求的增加。高原鼢鼠也通过改变小肠长度适应性别间差异化的能量需求。此外，其雄性个体胃净鲜重、大肠净鲜重和盲肠长度还显著高于雌性，这可能是由于地下环境食物资源相对匮乏，相比雌性，雄性高原鼢鼠为满足能量需求，大量摄食过程中不得已将其食谱拓宽至更难消化的高纤维植物根系，其胃净鲜重的增加提高了胃的初步消化能力，盲肠长度的增加扩展了微生物对高纤维植物发酵容积，大肠净鲜重增加提高了食物残渣营养再吸收效率，使雄性动物能有效适应其生境压力和能量需求的胁迫。

4 结论

本研究对比了高原鼠兔和高原鼢鼠胃肠道器官形态，发现高原鼠兔和高原鼢鼠两个物种的前肠和后肠因其种间能量需求和食性的不同存在代偿性差异；同一物种雌、雄个体均通过改变小肠长度来适应性别间差异化的能量需求。